CN101271782B - 等离子共振诱导的固体太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种等离子共振诱导的固体太阳能电池，包括固体电解质和贵金属纳米粒子-半导体复合膜。本发明将贵金属纳米粒子紫外照射到半导体膜上，组成贵金属纳米粒子-半导体复合膜，以其作为工作电极，并且应用高聚物固体电解质来做电解质制备固体太阳能电池，既可以避免液体电解质的泄露问题，有机或无机配体染料的解吸附问题，又可以节约染料制作的成本，提高太阳能电池的光电转换效率，从而使固体太阳能电池的应用更加广泛。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池领域，涉及一种贵金属纳米粒子敏化半导体膜来做阳极制备固体太阳能电池的方法。
背景技术
进人20世纪以来，伴随着人类工业文明的迅速发展，煤、石油、天然气等矿物资源日益枯竭，由此引发的能源危机和环境污染已成为亟待解决的严重问题.因此人们迫切需要寻找其他新的可替代能源.太阳能具有取之不尽、用之不竭、安全可靠、无污染、不受地理环境制约等诸多优点，愈来愈受到广泛重视。
1991年，瑞士洛桑高等工业学校的B.O′Regan和M.Graetzel报道了一种以染料敏化作光阳极的新型高效太阳能电池，从而开创了太阳能电池的新世纪，世界上第一个纳米太阳能电池诞生了。1996年，Masamitsu等人利用固态高分子电解质制备了全固态太阳能电池，利用特殊的制备方法获得了高离子导电性的电解质，得到了连续的光电流，并得到0.49％的光电转换效率。1998年Graetzel等人利用OMeTAD作空穴传输材料得到0.74％的光电转换效率，而其单色光光电转换效率达到了33％，引起了世人的瞩目，使纳米太阳能电池向全固态迈进了一大步。
贵金属纳米粒子是指直径在1～100nm之间的贵金属粒子(如纳米金、银、铂等)，也称为超微金属粒子。贵金属纳米粒子属于介观粒子，具有特殊的表面效应、量子效应和宏观量子隧道效应。
理论上，贵金属纳米粒子由于其纳米粒子表面的电子振荡产生的等离子共振有着特殊的性质，其等离子共振诱导激发的电荷分离可以应用在太阳能电池上。
现在已经有采用固体电解质做太阳能电池的报告，但是以贵金属纳米粒子-半导体复合膜作为光阳极与之结合的太阳能电池还没有报道。
发明内容
本发明目的在提出于一种用贵金属纳米粒子-半导体膜做光阳极制备固体太阳能电池的方法。从而利用贵金属纳米粒子在可见光下等离子共振诱导效应产生光生电子，使太阳能电池发电成为可能。
为了达到上述目的，本发明的解决方案是：
一种等离子共振诱导的固体太阳能电池，包括固体电解质和贵金属纳米粒子-半导体复合膜。
进一步，该贵金属纳米粒子的直径为25-100nm。
所用的贵金属纳米粒子-半导体复合膜中所述的贵金属包括金、银、铂、钯，并且以单层贵金属纳米粒子修饰在多孔的半导体膜上；将贵金属纳米粒子-半导体复合膜作为光阳极。
半导体膜是多孔纳米膜，孔的直径为20-100nm，而且膜的电阻在80-300Ω之间。
所用阴极材料包括金属铂、镍、金或石墨，优选金属铂。
所述固体电解质包括高聚物固体电解质、塑料晶体电解质、空穴传输剂、离子液体；优选聚氧化乙烯或丁二腈。
本发明的创新处在于将贵金属纳米粒子-半导体复合膜用于固体太阳能电池的光阳极，利用贵金属纳米粒子的等离子共振效应产生光生电子使太阳能电池发电成为可能。
制备如权利要求1所述的固体太阳能电池的方法，步骤如下：
(1)制备贵金属纳米粒子-半导体复合膜，具体步骤如下：用旋转涂膜法将TiO2凝胶涂在导电玻璃ITO上，然后在马弗炉中450℃烧结即可；再将其室温浸泡在1M的AgNO3溶液1mL中30min，将TiO2膜取出，蒸馏水冲洗干净后，吹风机吹干；再用18.6mW cm-2 365nm波长紫外光照射30min便形成银纳米粒子-TiO2复合膜；
(2)制备固体电解质；
(3)将固体电解质均匀涂在贵金属纳米粒子-半导体复合膜上，压紧，然后将对极紧压到固体电解质上，将电池边缘气密封。
步骤(3)中制备固体太阳能电池的时候，将各层完全压紧，使得阳极、阴极和固体电解质之间良好接触，且其中不含空气。
步骤(3)中制备固体太阳能电池时，固体电解质与贵金属纳米粒子-半导体复合膜以行业普通技术人员熟识的方式充分接触。
本发明所用的贵金属纳米粒子-TiO2复合膜中贵金属纳米粒子包括金纳米、银纳米、钯纳米或铂纳米微粒。
由于采用了上述方案，本发明具有以下优点：本发明提出的利用贵金属纳米粒子等离子共振诱导的电荷分离来制备固体的太阳能电池的方法不仅可以提高太阳能电池的光电转换效率，并且价格低廉，电池稳定性好，而且避免了电解质的泄漏和蒸发、染料的解吸附作用和密封工艺复杂等问题。
附图说明
图1是本发明所用金纳米粒子的TEM照片；
图2是本发明所用光电能量转化原理示意图；
图3是本发明的复合膜、电池和电池截面的示意图；
图4是本发明的固体太阳能电池的工作方式示意图。
图5是本发明的固体太阳能电池的结构示意图。
具体实施方式
本发明提出的一种等离子共振诱导的固体太阳能电池的制备方法，先制备贵金属纳米粒子-半导体复合膜；然后制备固体电解质，最后以金纳米微粒-TiO2复合膜作为光阳极，然后制备高聚物固体电解质，将铂片作为光阴极，组装成固体太阳能电池。
以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。
图1是本发明所用金纳米粒子的TEM照片从图上可以看出：金纳米粒子为圆球形，且d＝15±5nm，可以吸附在多孔TiO2中。
图2是本发明所用光电能量转化原理示意图。如图所示，在光照的条件下，贵金属纳米粒子产生等离子共振效应，释放出电子，并将其传递给TiO2的价带上，然后电子跃迁至TiO2的导带。使得光能转化成电能。
图3是本发明的复合膜、电池和电池截面的示意图。如图所示，由步骤(1)“组装复合膜”到步骤(2)“组装电池”得到电池(3)，电池截面图上显示电池为三层夹心结构。
图4是本发明的固体太阳能电池的工作方式示意图。
如图所示，在太阳光的照射下，由于等离子共振产生了金纳米粒子的光激发态，释放出电子，然后光激发的电子进入到TiO2本体，以电流的形式流到外电路。同时，被氧化的金纳米离子从溶液中的Fe3+中得到电子，Fe3+变成Fe2+，Fe2+从对极上得到电子，再变成Fe3+，使得氧化还原电对得以不断再生，整个太阳能电池能不断向外供电。
实施例1：
制备银纳米粒子敏化的等离子共振诱导的固体太阳能电池
具体步骤如下：用旋转涂膜法将TiO2凝胶(STS-21，购于日本的Ishihara公司)涂在导电玻璃ITO上，然后在马弗炉中450℃烧结即可。该TiO2的厚度为几十个μm，测其交流阻抗为80-100Ω。然后将其室温浸泡在1M的AgNO3溶液(1mL)中30min，将TiO2膜取出，蒸馏水冲洗干净后，吹风机吹干。再用18.6mW cm-2 365nm波长紫外光照射30min便形成银纳米粒子-TiO2复合膜。以其做光阳极，与聚合物电解质和对极组成固体太阳能电池。
实施例2：
用ZnO膜和WO3膜等半导体膜做光电极材料制备等离子共振诱导的固体太阳能电池
ZnO膜和WO3膜的具体制备如下：
ZnO膜的制备将ITO玻璃清洗干净，吹干。然后将0.1M Zn(NO3)2和0.1M KCl混合均匀，通高纯氧10min，将体系恒温在70℃，以ITO玻璃做工作电极，铂丝做辅助电极，Ag/AgCl电极做参比电极在-0.9V电位下进行电沉积。最后用蒸馏水冲洗晾干，膜在马弗炉中30min升温到600℃，然后保温30min，冷却到室温即可。
WO3膜的制备将ITO玻璃清洗干净，吹干。然后将0.1M的Na2WO4和0.08M的H2O2(0.1mol/L)均匀混合，然后加0.36M的H2SO4制备电解液。在电化学工作站上设置阴极电位为-0.5V，时间600s，用恒电位法以铂丝做阳极，ITO玻璃做阴极，Ag/AgCl电极做参比进行三电极体系电沉积。最后用蒸馏水冲洗电沉积完的WO3薄膜，晾干，膜在马弗炉中250℃热处理1h。(参考文献为Electrochim.Acta，2004，49，2425-2433)
固体太阳能的制备步骤如下：按以上步骤制备ZnO膜或WO3膜，然后将0.05mM的HAuCl4溶液滴在膜上，用365nm波长紫外光照射直到出现金的淡红色，便形成金纳米粒子-ZnO膜复合膜或金纳米粒子-WO3膜。以其做光阳极与固体电解质、对极组成固体太阳能电池。
实施例3：
用丁二腈做固体电解质制备等离子共振诱导的固体太阳能电池
丁二腈的结构图如下：
具体步骤如下：用双面胶将ITO基底上贵金属纳米粒子-TiO2复合膜和铂片对极粘在一起，中间用U型垫片隔开，以保证一定的厚度。将氧化还原对加入到丁二腈中，然后将此混合溶液加热直至变成液体，将液体的电解质注入到 工作电极和铂片对极间的空间里，冷却至室温后电解质变成固体。与光阳极、对极组成固体太阳能电池。电池的四周气密封，防止空气及水汽的进入。
实施例4：
用I-/I2或 
氧化还原对制备等离子共振诱导的固体太阳能电池
具体步骤如下：将物质的量比为10∶1的KI和I2或者物质的量比为2∶1的K4Fe(CN)6和K3Fe(CN)6氧化还原对加入到电解质溶液中，充分混合，然后蒸发溶剂制备成固体电解质，与光阳极、对极组成固体太阳能电池。
实施例5：
用聚氧化乙烯固体电解质做电解质制备等离子诱导共振固体太阳能电池
具体步骤如下：将质量分数为9％-15％的TiO2粉末(STS-21，购于日本的Ishihara公司)分散在50ml的乙腈中，然后加入质量分数为22％-28％的各种氧化还原对(氧化还原对的量可以调整优化)，再加入质量分数为63％的聚乙烯氧化物(分子量MW＝2000000)，缓慢搅拌24h。最后电解质放于烤炉上70℃蒸发去溶剂。制备成聚氧化乙烯固体电解质，与光阳极、对极组成固体太阳能电池。
Claims (3)
1.制备一种太阳能电池的方法，所述太阳能电池包括固体电解质和贵金属纳米粒子-半导体复合膜，其特征在于：步骤如下：
(1)制备贵金属纳米粒子-半导体复合膜，具体步骤如下：用旋转涂膜法将TiO2凝胶涂在导电玻璃ITO上，然后在马弗炉中450℃烧结即可；再将其室温浸泡在1M的AgNO3溶液1mL中30min，将TiO2膜取出，蒸馏水冲洗干净后，吹风机吹干；再用18.6mW cm-2365nm波长紫外光照射30min便形成银纳米粒子-TiO2复合膜；
(2)制备固体电解质；
(3)将固体电解质均匀涂在贵金属纳米粒子-半导体复合膜上，压紧，然后将对极紧压到固体电解质上，将电池边缘气密封。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中制备太阳能电池的时候，将各层完全压紧，使得阳极、阴极和固体电解质之间良好接触，其中不含空气。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中制备太阳能电池时，固体电解质与贵金属纳米粒子-半导体复合膜充分接触。
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