CN101170138A - 一种叠层式染料敏化太阳能电池 - Google Patents

一种叠层式染料敏化太阳能电池 Download PDF

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马廷丽
苗青青
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Abstract

本发明公开了一种叠层式染料敏化太阳能电池。其特征在于，顶部的太阳能电池与底部的太阳能电池的光阳极分别吸附具有相同结构或不同结构，不同光谱响应范围且有互补性质的染料；两个太阳能电池的光阳极结构为在基板上载有一层导电膜和半导体薄膜及染料，对向电极为带有导电性的基板，在两个电极之间介入电解质。这一新型叠层式染料敏化太阳能电池有光电转换效率高、价格低、制备工艺简单并且易于大规模生产的特点。解决现有太阳能电池效率低、成本高，制备工艺复杂的问题。用该发明的技术手法制造的染料敏化太阳能电池可用做太阳能发电和太阳能制氢系统。

Description

一种叠层式染料敏化太阳能电池
技术领域
本发明属于绿色可再生能源技术领域。涉及一种新型叠层式染料敏化太阳能电池。
背景技术
目前硅太阳能电池及半导体化合物太阳能电池技术虽然比较成熟，但是因为制备工艺复杂，价格昂贵，无法得到大量普及。最近和传统硅太阳能电池及半导体化合物太阳能电池原理上完全不同，一种新型的染料敏化太阳能电池被发表(自然，353卷，737页，1991年(Nature，Vol.353，737，1991))。自发表以来由于该太阳能电池理论光电转换效率高，制备工艺简单，费用低，因此受到全世界的关注，被认为是能够取代硅太阳能电池的下一代太阳能电池。但是目前实际的光电转换效率还只有11％，要实现染料敏化太阳能电池的产业化，还需要提高太阳能电池的光电变换效率。
尽管国内外许多小组多年来在染料敏化太阳能电池的高效率化方面做了大量的工作，但是迄今为止，对光电转换效率的大幅度提高，效果不显著。特别是用受到染料吸收光谱的限制，难与太阳的发射光谱相匹配。需要采用光谱响应范围具有互补性质的染料配合使用，相互弥补各自吸收光谱不够宽的缺点。叠层式太阳能电池虽已有报道，但是采用的是染料敏化太阳电池与硅电池或是染料敏化太阳电池与半导体电池(CIGS)进行叠层复合或p-n型结合。这些技术虽然提高了效率，却大大增加了太阳电池的制作成本和制备工艺的复杂性，不利于这一新型太阳能电池的产业化生产和普及。
现在常规的染料敏化纳米晶太阳能电池使用的电极基板是导电玻璃，其成本占整体太阳电池成本的60％以上。并且做成组件之后，有整体太阳能组件重量重，不宜弯曲，无法造型等缺点。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种制备工艺简单，效率高，成本低的叠层式染料敏化太阳能电池。
为达到上述目的，本发明的技术方案是采用在可见光区和在近红外区域有较强吸收的两种染料分别吸附在两个半导体薄膜电极上，两个半导体薄膜电极和白金或碳对电极及含有碘化合物的电解质分别制作太阳能电池，然后组装成叠层式染料敏化太阳能电池，来解决常规的太阳能电池吸收光电转换效率低，太阳能光谱不够宽的问题。这一技术手法不但能够提高太阳能电池的全光谱吸收和染料的吸附量，而且还能大幅度提高太阳电池的光电流和开路电压，有效地提高太阳电池的光电转换效率。
本发明的效果益处是利用本发明提供的技术可制造高效低成本的太阳能电池。利用染料敏化来吸收可见光，制作工艺简单且价格低廉，解决了硅电池及硅锗半导体电池制备工艺复杂，价格昂贵的问题。另外，根据需要采用透明柔性的高分子聚合物薄膜或塑料薄膜等基板材料代替导电玻璃制造柔性轻量的染料敏化太阳能电池，解决玻璃基板太阳能电池组件重量重，不宜弯曲，无法造型的问题；同时用不同颜色的染料制造多彩的染料敏化太阳能电池，能制造出迄今未有的新型太阳能电池，开拓太阳能电池的新市场。同时这一高效低成本的太阳能电池不但用于太阳能发电，也可用于光伏法及光电复合系统光解水制氢的效率，提高制备氢能的效率，降低成本。
附图说明
附图是叠层式染料敏化太阳能电池的示意图。其中包括顶部的太阳能电池1和底部的太阳能电池2。太阳能电池1和2分别由半导体光阳极、对电极及位于两电极之间的电解质组成。其中半导体光阳极由基板，导电膜，半导体薄膜和染料所组成。对电极由基板和导电膜及催化层组成。电解质中包括起氧化还原作用的化合物和电解液。
图中：1是顶部太阳能电池，2是底部太阳能电池。其中101和108及201和208为基板，102和107及202和207为基板上的导电膜，103和203为半导体薄膜，104和204为在半导体薄膜表面和内部吸附的光敏化染料；105和205为电解质；106和206为对电极上的催化剂层。
具体实施方式
下面结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
附图是本发明实施例的染料敏化太阳能电池，其中包括顶部的太阳能电池1和底部的太阳能电池2。两个太阳能电池分别由半导体光阳极、对电极及位于两电极之间的电解液组成。
附图所示的叠层式染料敏化太阳能电池，其中基板的材料为硬性玻璃基板、金属基板或柔性基板；柔性基板为透明的高分子聚合物薄膜、塑料薄膜、树脂薄膜、金属薄膜或其他柔性材料。基板载有的导电膜材料为导电性材料；导电性材料为氧化锡、氧化铟、氧化铟锡、氟掺杂氧化铟锡、石墨、碳纳米管或其他导电性材料；半导体薄膜为半导体氧化物、两种以上半导体氧化物的复合体或是金属或/和非金属掺杂的半导体氧化物；两个叠层的半导体薄膜采用相同的半导体材料或异种材料。半导体薄膜电极吸附上一层光敏化染料，染料为合成的染料或是天然染料。组成叠层太阳能电池的两个光阳极分别吸附具有相同结构或不同结构，不同光谱响应范围且有互补性质的染料。作为顶层的太阳电池1，所用的染料是N3(cis-dithiocyanato bis(4，4’-dicarboxy-2，2’-bipyridine)ruthenium)(简称N3)或是N3质子化后的N719钌染料，或是在可见光区有较强吸收的其他染料。底层太阳电池2，所用染料为在近红外区域有吸收的染料，如硫代双烯类染料，菁类染料，花菁染料，酞菁类染料，金属络合物染料、醌型染料、偶氮染料、游离基型染料、芳甲烷型染料或苝类染料。光阳极上也可吸附两种相同结构的染料或可吸附多种不同颜色的染料。对电极是在导电玻璃、导电高分子基板或是碳的导电薄膜，并带有一层金属铂或金催化膜；叠层太阳能电池中的对电极可共用一个对电极或两个太阳能电池各自拥有自己的对电极。本发明所指的电解质中由起氧化还原作用的化合物和电解液组成，电解液为有机溶剂、离子性液体、熔融性盐或半熔融性盐。电解液中含有氧化还原剂，氧化还原剂是由碘和碘化物或溴和溴化物或是第四级铵盐化合物的碘溴盐类等组成。
值得注意的是，以上各部分的材料还可分别选用其它材料组成，不应以本实施例加以限缩。

Claims (8)

1.一种叠层式染料敏化太阳能电池，其特征在于，顶部的太阳能电池与底部的太阳能电池光阳极分别吸附具有相同结构或不同结构，不同光谱响应范围且有互补性质的染料；两个太阳能电池的光阳极结构为在基板上载有导电膜和半导体薄膜及染料，对向电极为带有导电性的基板，在两个电极之间介入电解质。
2.如权利要求1所述的一种叠层式染料敏化太阳能电池，其特征在于，基板的材料为硬性玻璃基板、金属基板或柔性基板。
3.如权利要求1或2所述的一种叠层式染料敏化太阳能电池，其特征在于，导电基板载有的导电膜材料为导电性材料。
4.如权利要求1所述的一种叠层式染料敏化太阳能电池，其特征在于，半导体薄膜是半导体氧化物、两种以上半导体氧化物的复合体或是金属或/和非金属掺杂的半导体氧化物；两个叠层的半导体薄膜采用相同的半导体或异种材料。
5.如权利要求1所述的一种叠层式染料敏化太阳能电池，其特征在于，太阳能电池的光阳极上吸附的染料为合成的染料或是天然染料。
6.如权利要求1或5所述的一种叠层式染料敏化太阳能电池，其特征在于，太阳能电池的光阳极上吸附两种染料或吸附多种不同颜色的染料。
7.如权利要求1所述的一种叠层式染料敏化太阳能电池，其特征在于，对电极是导电玻璃、导电高分子薄膜或是碳薄膜，并带有一层催化剂薄膜；叠层间的对电极共用一个对电极或两个太阳能电池各自拥有自己的对电极。
8.如权利要求1所述的一种叠层式染料敏化太阳能电池，其特征在于电解质中包含起氧化还原作用的化合物和电解液；电解液为有机溶剂、离子性液体、熔融性盐或半熔融性盐。
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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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