CN101217166A - 染料敏化太阳能电池工作电极 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种染料敏化太阳能电池工作电极，其特点是在染料敏化太阳能电池的工作电极内部增加导电微通道，以增强电子的捕获和收集效率，避免电子－空穴的复合，从而提高太阳能电池的效率等性能指标。本发明设计新颖，制备可行，是目前提高染料敏化太阳能电池效率的有效途径。
Description
技术领域
本发明涉及一种染料敏化太阳能电池，特别是一种染料敏化太阳能电池工作电极。
背景技术
自从1991年瑞士科学家Grtzel等人发明低成本的染料敏化纳米晶太阳能电池(即Grtzel电池)以来，染料敏化太阳能电池得以快速发展。染料敏化太阳能电池的优点在于廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。其制作成本仅为硅太阳电池的1/5～1/10，并且环保。然而，光电效率相对较低是其一大弱点，目前染料敏化太阳能电池仍然没有达到商业应用的要求。
染料敏化太阳能电池主要由工作电极、电解质和对电极三部分组成。其工作原理为：染料分子吸收太阳光能跃迁到激发态，激发态不稳定，电子快速注入到紧邻的半导体的导带，染料中失去的电子很快从电解质中得到补偿，进入半导体导带中的电于最终进入导电膜，然后通过外回路产生光电流。在这些光电转换、输运环节中，电子的收集与输运是决定染料敏化太阳能电池效率的重要环节。目前效率最高的染料敏化太阳能电池的工作电极都采用吸附染料的纳米晶半导体(见附图1)，其主要优点是很大的比表面积可以极大提高染料的吸附量，使得光子与电子间的转化量显著提高，从而提高电池的效率。然而，纳米晶提高比表面积的同时，也带来负面作用。主要表现为，由于晶界等的散射作用及势垒，电子在其中输运能力下降，电子在纳米晶工作电极中的扩散距离很短(小于光的穿透深度)，从而有大量电子在未到达外电极前被复合湮灭，这极大限制了染料敏化太阳能电池效率的进一步提高。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种染料敏化太阳能电池工作电极，该工作电极通过导电微通道的引入提高电子的捕获、收集和传输效率，从而提高太阳能电池的效率等性能指标。
技术方案：本发明所述的染料敏化太阳能电池工作电极，包括：
(1)在工作电极内部具有导电的微通道，该导电微通道一端附着在导电基底上，另外一端深入到工作电极材料中并被工作电极材料紧密包围。通过在工作电极内部构筑导电微通道，可以突破电子扩散距离对工作电极厚度的限制，电子只需经过较短的路径即可到达导电微通道被其有效捕获并快速输运到外电极。
(2)导电微通道之间相互隔离，相互之间距离为电子在工作电极中的扩散深度的数量级，通常相互之间距离为50nm～50mm，并形成有序或者无序的阵列结构。这样可以减少电子在电极的扩散过程中的湮灭，提高电子的捕获率。
(3)导电微通道的形状为纳米/微米线、纳米/微米管、纳米/微米针、纳米/微米针带、纳米/微米锥、纳米/微米螺旋体，及上述形状之间的任意组合。这些形状的导电微通道在有效捕获和输运电子，同时不会增加入射光的反射。
(4)导电微通道的材料为金属、半导体、导电聚合物，及其任意组合。电子在这些类型的材料中的传输损耗较小，可以作为电子输运的介质。
(5)工作电极材料为Ti氧化物、Zn氧化物、Sn氧化物、Zr氧化物、Sr氧化物、In氧化物、Ga氧化物、Al氧化物、Y氧化物、W氧化物、V氧化物、Mo氧化物、Sc氧化物、Sm氧化物、Mg氧化物、Nb氧化物、La氧化物中的一个或其任意组合。
本发明的原理是：对于染料敏化太阳能电池，半导体纳米晶的主要功能是负载染料及捕获和输运电子，但电子在半导体纳米晶中的传输距离短，大量电子并没有到达外电极。因此，本发明针对电子输运这一环节，基于如何在电子湮灭之前将电子导出，提高电子的输出效率和输出量的思想，提出了在染料敏化太阳能电池的工作电极中增加起捕获、收集和传输电子的导电微通道。
有益效果：本发明与现有技术相比，其显著有点是：
(1)可提高电子的收集与输运效率，提高染料敏化太阳能电池的短路电流与效率。
(2)突破电子扩散距离对工作电极厚度的限制，增大染料敏化太阳能电池单位面积的功率。
(3)可制备适合于强光的染料敏化太阳能电池。
(4)设计可行性高，便于实施。
附图说明
图1现有染料敏化太阳能电池的工作电极的典型结构示意图，1为导电衬底，2为工作电极。
图2本发明的具有导电微通道的染料敏化太阳能电池工作电极的示意图，3为导电微通道。
具体实施方式
实施例1：如图2所示，所述的染料敏化太阳能电池工作电极，包括导电基底1和工作电极2，在工作电极2内部设有导电的微通道3，该导电微通道3一端附着在导电基底1上，另外一端深入到工作电极2中并被工作电极材料紧密包围。导电微通道3之间相互隔离，相互之间距离为电子在工作电极中的扩散深度的数量级，通常相互之间距离为50nm～50mm，并形成有序或者无序的阵列结构。导电微通道3的形状为纳米和/或微米线，材料为半导体，直径为3nm，长度为500nm。
实施例2：染料敏化太阳能电池工作电极的基本构造如实施例1，其中导电微通道3的形状为纳米和或/微米管，也可以是纳米和/或微米针、纳米和/或微米针带、纳米和/或微米锥、纳米和/或微米螺旋体。
实施例3：染料敏化太阳能电池工作电极的基本构造如实施例1，其中导电微通道3的材料为金属，也可以为导电聚合物。
实施例4：染料敏化太阳能电池工作电极的基本构造如实施例1，其中导电微通道3的直径为100μm，长度为50mm。
实施例5：染料敏化太阳能电池工作电极的基本构造如实施例1，其中工作电极2的材料为Ti氧化物、Zn氧化物、Sn氧化物、Zr氧化物、Sr氧化物、In氧化物、Ga氧化物、Al氧化物、Y氧化物、W氧化物、V氧化物、Mo氧化物、Sc氧化物、Sm氧化物、Mg氧化物、Nb氧化物、La氧化物中的一个或其组合。
Claims (6)
1.一种染料敏化太阳能电池工作电极，包括导电基底(1)和工作电极(2)，其特征是：在工作电极(2)内部设有导电的微通道(3)，该导电微通道(3)一端附着在导电基底(1)上，另外一端深入到工作电极(2)中并被工作电极材料紧密包围。
2.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池工作电极，其特征是：导电微通道(3)之间相互隔离，相互之间距离为电子在工作电极中的扩散深度的数量级，并形成有序或者无序的阵列结构。
3.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池工作电极，其特征是：导电微通道(3)的形状为纳米和/或微米线、纳米和/或微米管、纳米和/或微米针、纳米和/或微米针带、纳米和/或微米锥、纳米和/或微米螺旋体。
4.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池工作电极，其特征是：导电微通道(3)的材料为金属、半导体或导电聚合物。
5.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池工作电极，其特征是：导电微通道(3)的直径为3nm～100μm，长度为500nm～50mm。
6.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池工作电极，其特征是：工作电极(2)的材料为Ti氧化物、Zn氧化物、Sn氧化物、Zr氧化物、Sr氧化物、In氧化物、Ga氧化物、Al氧化物、Y氧化物、W氧化物、V氧化物、Mo氧化物、Sc氧化物、Sm氧化物、Mg氧化物、Nb氧化物、La氧化物中的一个或其组合。
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Cited By (3)
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| CN103208540A (zh) * | 2013-04-17 | 2013-07-17 | 新疆嘉盛阳光风电科技股份有限公司 | 用于光伏电池的电极及其制造方法 |
| CN103779400A (zh) * | 2013-06-09 | 2014-05-07 | 国家纳米科学中心 | 一种复合电极及其制备方法 |
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2007
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