CN101286533B - 一种染料敏化太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种染料敏化太阳能电池，该电池包括半导体电极、对电极、位于半导体电极和对电极之间的电解质以及封装材料，所述半导体电极和对电极由封装材料密封形成容纳电解质的空间，所述电解质容纳在该空间内，所述封装材料包括边框胶，其中，所述封装材料还包括衬垫料。本发明提供的染料敏化太阳能电池性能优异，不仅电流-电压曲线平稳、光电转换率高，而且电池的寿命大大提高。

Description

一种染料敏化太阳能电池及其制备方法

技术领域

本发明是关于一种太阳能电池，尤其是关于一种染料敏化太阳能电池及其制备方法。

背景技术

在电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急的今天，免费洁净且取之不尽的太阳能倍受世人的注目。太阳能电池这种可以将太阳能直接转化为电能的装置成为众多研究者涉足的领域。硅太阳能电池由美国贝尔实验室首先研制出来，具有较高的光电转换效率，因此它成为首先工业化生产的太阳能电池产品。但是，硅太阳能电池的制作工艺复杂、价格昂贵且原材料硅越来越紧缺，制约了其广泛应用。瑞士洛桑高等工业学院的

教授等人在1991年首先提出了染料敏化太阳能电池的概念，这种太阳能电池不需要硅作原料，并且具有成本低、制作工艺简单、光电转化率高等优点，它的出现为太阳能电池领域带来了革命性的变革。

染料敏化太阳能电池主要包括半导体电极、对电极、位于半导体电极和对电极之间的电解质以及封装材料，半导体电极包括导电底层、形成于该导电底层上的半导体纳晶薄膜和形成于该半导体纳晶薄膜上的染料层，所述半导体电极和对电极由封装材料密封形成容纳电解质的空间，所述电解质容纳在该空间内，所述封装材料包括边框胶。染料敏化太阳能电池的工作原理为：当染料分子吸收太阳光时，其电子受激发跃迁至激发态，由于激发态不稳定，电子迅速注入半导体中，而空穴则留在染料中，此时染料分子变为氧化态。电子随后扩散至导电底层，经外电路转移至对电极，形成光电流；而氧化态的染料被电解质还原，被氧化的电解质在对电极接受电子还原成基态，从而完成电子的整个传输过程。

衡量染料敏化太阳能电池性能好坏的一个重要因素是电池的光电转换效率。太阳能电池的光电转换效率通过太阳能电池的电流-电压曲线得到电池的最佳工作电流和最佳工作电压，并按照下式(1)计算染料敏化太阳能电池的光电转换率：

$\mathrm{\η}=\frac{P_{\max x}}{P_{\mathrm{in}}}=\frac{V_{\mathrm{mp}}\×I_{\mathrm{mp}}}{P_{\mathrm{in}}}\×100\%---\left(1\right)$

在式(1)中，η为染料敏化太阳能电池的光电转换率，％；

P_in为太阳光的入射功率，毫瓦/平方厘米；

I_mp为最佳工作电流，毫安/平方厘米；

V_mp为最佳工作电压，伏。

然而，由现有技术的染料敏化太阳能电池获得的电流-电压曲线非常不平稳，根本无法测出电池的光电转换率。这种电池根本无法使用，而且即使勉强可以使用，电池的寿命也非常短。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有的染料敏化太阳能电池性能差、寿命短的缺点，提供一种电池性能好、寿命长的染料敏化太阳能电池及其制备方法。

本发明提供的染料敏化太阳能电池包括半导体电极、对电极、位于半导体电极和对电极之间的电解质以及封装材料，所述半导体电极和对电极由封装材料密封形成容纳电解质的空间，所述电解质容纳在该空间内，所述封装材料包括边框胶，其中，所述封装材料还包括衬垫料。

本发明提供的染料敏化太阳能电池的制备方法包括将电解质容纳于由封装材料将半导体电极和对电极密封形成的空间内，所述封装材料包括边框胶，其中，所述封装材料还包括衬垫料。

本发明提供的染料敏化太阳能电池由于采用同时包括边框胶和衬垫料的封装材料作为封装材料将半导体电极和对电极密封形成容纳电解质的空间，因而能够获得电池性能优异的染料敏化太阳能电池，不仅电流-电压曲线平稳、光电转换率高，而且电池的寿命大大提高。

本发明提供的染料敏化太阳能电池的制备方法操作简单，成本低廉，且能够应用于批量工业化生产。

具体实施方式

根据本发明提供的染料敏化太阳能电池，所述衬垫料为不与边框胶反应且不对染料敏化太阳能电池性能产生不利影响的惰性刚性粒子，例如可以是各种塑料粒子、硅球、玻璃微珠中的一种或几种刚性粒子。所述塑料粒子可以是丙烯酸树脂粒子、苯乙烯树脂粒子、聚烯烃树脂粒子中的一种或几种。对所述粒子的直径没有特别限制，只要能有效被边框胶包覆共同用于密封由半导体电极和对电极形成的空间即可。优选衬垫料的平均粒子直径为2-50微米，更优选为5-30微米。对所述封装材料中衬垫料的含量没有特别的限制，只要能起到支撑作用即可，本发明优选所述衬垫料的含量为封装材料总重量的1-15重量％。

所述边框胶可以是现有技术中的各种用于密封边框的胶材，例如可以是各种紫外固化、热固化、湿固化的边框胶，具体的可以是各种环氧边框胶例如市售的各种FER系列环氧边框胶。以封装材料的总重量为基准，所述边框胶的含量可以为85-99重量％。

根据本发明提供的染料敏化太阳能电池，所述该半导体电极可以是本领域常规用作染料敏化太阳能电池的各种半导体电极，一般包括导电底层、形成于该导电底层上的半导体纳晶薄膜和形成于该半导体纳晶薄膜上的染料层。所述半导体纳晶薄膜可以是太阳能染料敏化太阳能电池常规使用的各种半导体纳晶薄膜，例如，可以是含有半导体颗粒和导电颗粒的薄膜。所述半导体颗粒可以为现有的各种用于染料敏化太阳能电池的半导体颗粒，例如可以选自TiO₂颗粒、ZnO颗粒、ZrO₂颗粒、SiO₂颗粒、WO₃颗粒、NiO颗粒、Ta₂O₅颗粒、Nb₂O₅颗粒、SnO₂颗粒、Y₂O₃颗粒、La₂O₃颗粒、HfO₂颗粒、SrO₂颗粒、In₂O₃颗粒、V₂O₅颗粒、Cr₂O₃颗粒、MoO₃颗粒、MgO颗粒、Sc₂O₃颗粒、Sm₂O₃颗粒、Ga₂O3颗粒、SrTiO₃颗粒、ZnS颗粒、PbS颗粒和CdS颗粒中的一种或几种。半导体颗粒的粒子直径可以为0.5-100纳米，优选为1-60纳米，更优选为5-45纳米。所述半导体颗粒可以商购得到，例如德国Degussa公司制造的商品牌号为P25的TiO₂颗粒。本发明优选所述半导体颗粒为大粒径二氧化钛和小粒径二氧化钛的混合颗粒。进一步优选大粒径二氧化钛的粒子直径为60-95纳米，小粒径二氧化钛的粒子直径为不超过40纳米。这种半导体颗粒可以进一步提高染料敏化太阳能电池的光电转换率。

所述导电颗粒优选为含有碳颗粒和金属颗粒的复合导电颗粒，金属颗粒负载在碳颗粒的表面。所述复合导电颗粒的粒子直径可以为2-60纳米，优选为4.5-50纳米，更优选为6-35纳米。所述碳颗粒与金属颗粒的重量比可以为1∶0.01至1∶1.5，优选为1∶0.05至1∶1，更优选为1∶0.1至1∶0.75。

所述碳颗粒的粒子直径可以为1-40纳米，优选为5-30纳米。所述碳颗粒可以为现有的各种适合用作载体的碳颗粒，例如为活性炭颗粒、碳黑颗粒和碳纳米管颗粒中的一种或几种。所述碳颗粒可以商购得到，例如VXC-72活性碳。

所述金属颗粒中的金属可以为Au、Ag、Pt、Cu、Zn、Sn、Ni、Fe、Ir、Ru和In中的一种或几种的合金，优选为Au、Ag、Pt、Cu、Zn中的一种或几种的合金。所述金属颗粒的粒子直径可以为1-10纳米，优选为2-6纳米。

根据本发明提供的染料敏化太阳能电池用半导体电极，在半导体纳晶薄膜中加入的导电微粒为复合导电颗粒，该复合导电颗粒含有碳颗粒和负载在碳颗粒表面的金属颗粒，可以提高金属颗粒的利用效率，金属颗粒可以作为电子的捕获阱，使半导体中的电子和空穴有效分离，延长电子-空穴的寿命，增大光生电流，从而提高染料敏化太阳能电池的光电转换率。

此外，与只采用金属作为导电颗粒相比，本发明采用复合导电颗粒可以在提高染料敏化太阳能电池的光电转换率的同时，有效降低金属特别是一些导电性良好的贵重金属如铂的用量，从而降低了成本。

所述导电底层已为本领域技术人员所公知，可以使用现有的各种用于染料敏化太阳能电池半导体电极的导电底层，例如，所述导电底层可以为表面具有掺氟二氧化锡膜或掺氧化铟锡膜的导电玻璃。所述导电底层可以商购得到，例如可以使用由秦皇岛耀华玻璃股份有限公司制造的方阻为15欧的FTO导电玻璃。所述导电底层的厚度可以为0.5-5毫米，优选为1-2毫米。

所述半导体纳晶薄膜形成于所述导电底层上，含有半导体颗粒和导电颗粒。导电颗粒与半导体颗粒的重量比可以为1∶10至1∶1000，优选为1∶20至1∶600。半导体纳晶薄膜的厚度可以为1-60微米，优选为3-30微米。

所述染料层形成于该半导体纳晶薄膜上，其组成和结构已为本领域技术人员所公知。染料层含有光敏化染料，所述光敏化染料可以为现有的各种用于染料敏化太阳能电池的染料，例如，可以选自钌基多吡啶配合物、卟啉配合物(间位取代的配合物M-TCPP)、酞菁配合物(ZnPc)和非金属有机染料(香豆素)中的一种或几种。钌基多吡啶配合物的一个优选的实例为顺式-二异硫氰酸根-二(4，4’二羧酸-2，2’-联吡啶)合钌，也称作N3染料；卟啉配合物的一个优选的实例为间位取代的配合物M-TCPP；酞菁配合物的一个优选的实例为酞菁锌(ZnPc)；非金属有机染料的一个优选的实例为香豆素。

所述对电极可以是染料敏化太阳能电池常规使用的各种对电极，一般包括导电基片和形成于该导电基片上的金属层。所述导电基片可以为表面具有掺氟二氧化锡膜或掺氧化铟锡膜的导电玻璃。所述导电基片可以商购得到，例如可以使用由秦皇岛耀华玻璃股份有限公司制造的方阻为15欧的FTO导电玻璃。所述导电基片的厚度可以为0.5-5毫米，优选为1-2毫米。所述金属层可以由金、铂或金箔合金组成。在导电基片上形成金属层的方法已为本领域技术人员所公知，例如，可以采用电镀或气相沉积方法。

所述电解质已为本领域技术人员所公知，可以为液态电解质或固态电解质。当使用液态电解质时，本发明提供的电池的电流-电压曲线较现有技术同类电池更加平稳、光电转换率更高，而且电池的寿命也有更明显的提高。因此本发明优选所述电解质为液态电解质。液态电解质的一个优选的实例为薄层氧化还原电解质溶液，该溶液含有碘/碘化锂电解质。

由于本发明只涉及对染料敏化太阳能电池的封装材料的改进，对组成染料敏化太阳能电池的上述部件的结构关系没有特别的限定，为本领域公知的结构关系即可。例如，一般情况下，半导体电极作为染料敏化太阳能电池的阳极，对电极作为染料敏化太阳能电池的阴极。阳极和阴极之间的空间通过封装材料密封形成容纳电解质的空间，电解质容纳在该空间内。半导体电极的染料层与对电极的金属层相对。

根据本发明提供的染料敏化太阳能电池的制备方法，所述将电解质容纳于由封装材料将半导体电极和对电极密封形成的空间内的方法包括将表面涂有封装材料的工作电极和对电极合膜后施压整平再固化成盒，之后将电解质注入盒内。可以通过丝网印刷法、刮刀刮涂法、滚涂法、旋转涂布法以及喷涂法中的一种或几种方法将封装材料涂覆在工作电极和对电极表面上。涂覆的量以使工作电极和对电极能够有效密封为准。所述封装材料可以通过将衬垫料与边框胶均匀混合后制得。所述施压整平例如可以通过平板压力机来实现。所述固化可根据边框胶的种类和性质采用紫外照射或加热的方式进行。所述将电解质注入盒内的方法已为本领域技术人员所公知，例如，可以采用注射器注射的方法将电解质从预先设置的小孔内利用毛细作用注入到盒内，然后密封该小孔。密封该小孔的方法已为本领域技术人员所公知，例如，可以用环氧树脂粘合剂和薄玻璃片将小孔密封。

由于本发明只涉及对染料敏化太阳能电池中封装材料的改进，对构成染料敏化太阳能电池的其它部件的制备方法及装配成染料敏化太阳能电池的方法没有特别的限定，因此可以采用本领域技术人员公知的方法制备染料敏化太阳能电池的其它部件及将这些部件装配成本发明的染料敏化太阳能电池。例如，半导体电极的制备方法包括在导电底层上形成含有半导体颗粒和导电颗粒的半导体纳晶薄膜，然后在半导体纳晶薄膜上形成染料层。优选情况下，所述导电颗粒为通过将金属颗粒负载在碳颗粒的表面而制得的复合导电颗粒。所述复合导电颗粒的制备方法包括将金属颗粒负载在碳颗粒的表面。可以采用现有的各种方法将金属颗粒负载碳颗粒的表面，例如可以采用浸渍还原法或离子交换法。下面以浸渍还原法为例具体说明复合导电颗粒的制备过程。

所述浸渍还原法包括将还原剂与一种悬浮液接触，该悬浮液含有吸附有金属化合物的碳颗粒。碳颗粒与金属化合物所含的金属的重量比为1∶0.01至1∶1.5，优选为1∶0.05至1∶1，更优选为1∶0.1至1∶0.75。所述还原剂的用量使还原剂的摩尔数与金属化合物中金属的摩尔数的比值为2-10，所述还原剂为甲醛、甲酸、硫代硫酸钠、硼氢化钠和硼氢化钾中的一种或几种。还原剂与所述悬浮液接触的温度可以为30-98℃，优选为40-90℃，接触时间可以为0.1-8小时，优选为1-7小时。

所述悬浮液可以通过将碳颗粒分散在溶剂中，然后将金属化合物加入到分散有碳载体的溶剂中，使碳颗粒吸附金属化合物。所述溶剂可以为水、醇溶剂或者它们的混合物。每克碳载体所使用的溶剂为50-1500毫升。所述悬浮液的pH值优选控制在7-11，可以通过加入碱使pH值保持在上述范围内，所述碱优选为NaOH、KOH、LiOH和氨水。

所述金属化合物可以是能溶于水的金化合物、银化合物、铂化合物、铜化合物、锌化合物、锡化合物、镍化合物、铁化合物、铱化合物、钌化合物和铟化合物中一种或几种，优选为能溶于水的金化合物、银化合物、铂化合物、铜化合物和锌化合物中的一种或几种。例如，所述铂化合物可以为氯铂酸、氯铂酸盐、氯化铂、硝酸铂、铂的络合物中的一种或几种，优选为氯铂酸和氯铂酸盐中的一种或几种，所述氯铂酸盐优选为氯铂酸钠和/或氯铂酸钾。

还原剂与所述悬浮液接触之后，还可以过滤，将过滤得到的滤饼洗涤和干燥，得到所述复合导电颗粒。其中，可以使用水进行洗涤，水的用量(体积)为复合导电颗粒(重量)的3-20倍(毫升/克)。所述干燥可以为常规的干燥方法，如自然干燥、加热干燥、鼓风干燥或真空干燥，优选在110℃下进行干燥。

半导体纳晶薄膜可以通过现有技术的各种方法制备得到。根据本发明提供的染料敏化太阳能电池的制备方法的一种优选实施方式，制备半导体纳晶薄膜的方法可以包括将含有大粒径二氧化钛和小粒径二氧化钛的溶胶负载到释放膜上，除去溶胶中的溶剂后与释放膜分离，其中所述大粒径二氧化钛的粒子直径为60-95纳米，小粒径二氧化钛的粒子直径为不超过40纳米。所述含有大粒径二氧化钛和小粒径二氧化钛的溶胶的制备方法包括将含有大粒径二氧化钛的溶胶和含有小粒径二氧化钛的溶胶混合均匀，含有大粒径二氧化钛的溶胶和含有小粒径二氧化钛的溶胶的用量使小粒径二氧化钛与大粒径二氧化钛的重量比为9-99∶1。其中，所述含有大粒径二氧化钛的溶胶和含有小粒径二氧化钛的溶胶的制备方法可以采用现有的二氧化钛溶胶制备方法制得，例如，可以通过将相应粒径的二氧化钛颗粒、各种表面活性剂在溶剂中混合、研磨而得到。所述表面活性剂可以是乳化剂和/或分散剂。所述乳化剂和分散剂可以是二氧化钛双元纳晶薄膜制备领域常用的各种乳化剂和分散剂，例如，所述乳化剂可以为OP-10，分散剂可以为乙酰丙酮。所述溶剂可以为水、碳原子数为1-4的低级醇中的一种。研磨的具体方法已为本领域技术人员所公知。所述含有小粒径二氧化钛的溶胶还可以通过公知的前驱体水解法制备得到。

对所述溶胶中二氧化钛粒子的浓度没有特别限定，为常规二氧化钛溶胶浓度即可，例如，所述含有大粒径二氧化钛和小粒径二氧化钛的溶胶中，大粒径二氧化钛和小粒径二氧化钛的总含量可以为15-35重量％，所述含有大粒径二氧化钛的溶胶中，大粒径二氧化钛的含量可以为15-35重量％；所述含有小粒径二氧化钛的溶胶中，小粒径二氧化钛的含量为15-35重量％。

所述释放膜可以是染料敏化电池的导电底层，也可以常规的其它各种释放膜，当制得的二氧化钛双元纳晶薄膜直接用于染料敏化太阳能电池时，优选所述释放膜为染料敏化太阳能电池的导电底层。所述导电底层已为本领域技术人员所公知，可以使用现有的各种用于染料敏化太阳能电池半导体电极的导电底层，例如，所述导电底层可以为表面具有掺氟二氧化锡膜或掺氧化铟锡膜的导电玻璃。所述导电底层可以商购得到，例如可以使用由秦皇岛耀华玻璃股份有限公司制造的方阻为15欧的FTO导电玻璃。所述导电底层的厚度可以为0.5-5毫米，优选为1-2毫米。

所述负载的方法可以是本领域技术人员公知的各种方法，例如浸渍提拉法、直接涂敷法、丝网印刷法中的一种或几种。

将二氧化钛负载在释放膜上之后，优选情况下，通过将负载有二氧化钛的释放膜在450℃下加热30-60分钟，以快速除去溶剂，与释放膜分离后即可得到二氧化钛双元纳晶薄膜。当使用导电底层作为释放膜时，除去溶剂后可以不将二氧化钛双元纳晶薄膜与导电底层分离，而将二者直接用作染料敏化太阳能电池的工作电极的一部分。

染料层的制备方法和步骤已为本领域技术人员所公知，例如，可以通过将所述半导体纳晶薄膜在含有染料的溶液或凝胶中浸渍而在半导体纳晶薄膜上形成染料层。

对电极的制备方法已为本领域技术人员所公知，在此不再赘述。

下面的实施例将对本发明作进一步的说明。

实施例1

该实施例用于说明本发明提供的染料敏化太阳能电池及其制备方法。

(1)密封材料的制备

将0.005克粒子直径为2-15微米的硅球与5克FER环氧边框胶(飞世尔香港科技股份公司生产的FER环氧边框胶)混合，并用搅拌机搅拌20分钟，得到均匀的密封材料，备用。

(2)半导体电极的制备

将0.25克碳黑粉末(粒子直径为25纳米)均匀分散到100毫升异丙醇中，然后加入浓度为0.005摩尔/升氯铂酸水溶液，持续搅拌5小时，同时控制pH值为7，使得碳黑充分吸附氯铂酸，得到悬浮液。其中，氯铂酸水溶液的用量使氯铂酸中含有的铂与碳黑的重量比为1∶5。随后加入甲醛，在40℃下还原1小时，甲醛的摩尔数为氯铂酸中铂的摩尔数的3倍。反应完全后，将产物进行过滤，用2毫升去离子水洗涤滤饼，然后放置在110℃的干燥箱中干燥，即可得到0.3克复合导电颗粒。

将3克粒子直径为70-90纳米、平均粒子直径D₅₀为90纳米的二氧化钛、8毫升去离子水、0.5克聚乙二醇2000、0.16毫升乙酰丙酮和0.1毫升OP-10乳化剂混合，经超声震荡分散后在玛瑙研钵中研磨，得到均匀分散的含有大粒径二氧化钛的溶胶A。将3克粒子直径为1-25纳米、平均粒子直径D₅₀为20纳米的二氧化钛P25(德固塞公司出品)、10毫升去离子水、0.15毫升乙酰丙酮和0.12毫升OP-10乳化剂混合，经超声震荡分散后在玛瑙研钵中研磨，得到均匀分散的含有小粒径二氧化钛的溶胶B。将0.2克溶胶A和3克溶胶B混合搅拌均匀，得到半导体颗粒溶胶。

将重量比为1∶50∶150的复合导电颗粒、半导体颗粒溶胶(干重计)和水混合，得到半导体浆料，将上述半导体浆料采用多次浸渍提拉法均匀涂覆在尺寸为5厘米×2.5厘米的镀有掺氟二氧化锡膜的导电玻璃(秦皇岛耀华玻璃股份有限公司制造的方阻为15欧的FTO导电玻璃，厚度为4毫米)表面上形成薄膜，将所得负载有薄膜的导电玻璃在120℃下预烧结0.5小时，然后在450℃下烧结30分钟后退火，由此得到厚度为10微米的半导体纳晶薄膜。

将半导体纳晶薄膜和氟掺杂的二氧化锡导电玻璃在浓度为3×10^-4摩尔/升的N3染料水溶液中浸泡24小时，在半导体纳晶薄膜上形成染料层，由此制得半导体电极。

(3)对电极的制备

将镀有掺氟二氧化锡膜的导电玻璃(秦皇岛耀华玻璃股份有限公司制造的方阻为15欧的FTO导电玻璃，厚度为4毫米)切割为5厘米×2.5厘米的小块。将0.5克H₂PtCl₆·6H₂O、5克(NH₄)HPO₄和15克Na₂HPO₄配制成100毫升的水溶液，加热溶解成橙色透明的水溶液，然后加入NaOH调节pH值至8。把导电玻璃先用水清洗，然后放入除油剂中于70℃下进行除油。最后放入浓度为10重量％的H₂SO₄中进行活化。把经过活化的导电玻璃放入到电解槽中进行电镀，电镀温度控制在80℃，电流密度控制在0.036安/平方厘米，电镀时间为2分钟，制得铂层厚度约为0.4微米的对电极。

(4)染料敏化太阳能电池的制备

通过丝网印刷法将上述(1)制得的密封材料印刷到上述(2)和(3)制得的半导体电极和对电极的四周，然后将印刷有密封材料的所得半导体电极和对电极准确定位后合膜，之后以0.3千克/平方厘米的压力施压整平并置于功率为20瓦的紫外灯下固化成盒。将电解质溶液(碘/碘化锂的乙腈溶液，0.1摩尔/升的LiI+0.01摩尔/升的I₂)注入到上述盒内并密封，制得染料敏化太阳能电池S1。

对比例1

该对比例用于说明现有技术的染料敏化太阳能电池。

按照实施例1所述的方法制备染料敏化太阳能电池，不同的是，密封材料中不含硅球，制得参比染料敏化太阳能电池CS1。

实施例2

该实施例用于说明本发明提供的染料敏化太阳能电池及其制备方法。

按照实施例1所述的方法制备染料敏化太阳能电池，不同的是，采用0.05克粒子直径为20-30微米的玻璃微珠代替硅球，制得染料敏化太阳能电池S2。

实施例3

该实施例用于说明本发明提供的染料敏化太阳能电池及其制备方法。

按照实施例1所述的方法制备染料敏化太阳能电池，不同的是，采用0.04克粒子直径为40-50微米的丙烯酸树脂粒子代替硅球，制得染料敏化太阳能电池S3。

实施例4

该实施例用于说明本发明提供的染料敏化太阳能电池及其制备方法。

按照实施例1所述的方法制备染料敏化太阳能电池，不同的是，用粒子直径为25纳米的碳黑粉末代替复合导电颗粒，制得染料敏化太阳能电池S4。

实施例5

该实施例用于说明本发明提供的染料敏化太阳能电池及其制备方法。

按照实施例1所述的方法制备染料敏化太阳能电池，不同的是，半导体颗粒为德国Degussa公司生产P25TiO₂颗粒(平均粒子直径为25纳米)，制得染料敏化太阳能电池S5。

实施例6-10

下述实施例用于测定本发明提供的染料敏化太阳能电池的电池性能。

使用上海辰华公司生产的CHI660A型电化学工作站对由实施例1-5制备的染料敏化太阳能电池S1-S5分别进行电池性能测定，分别得到上述电池的电流-电压曲线，并按照下式(1)计算染料敏化太阳能电池的光电转换率，结果如表1所示。

$\mathrm{\η}=\frac{P_{\max x}}{P_{\mathrm{in}}}=\frac{V_{\mathrm{mp}}\×I_{\mathrm{mp}}}{P_{\mathrm{in}}}\×100\%---\left(1\right)$

在式(1)中，η为染料敏化太阳能电池的光电转换率，％；

P_in为太阳光的入射功率，毫瓦/平方厘米；

I_mp为最佳工作电流，毫安/平方厘米；

V_mp为最佳工作电压，伏。

对比例2

该对比例用于测定染料敏化太阳能电池的电池性能。

按照实施例6-10所述的方法对由对比例1制备的参比染料敏化太阳能电池CS1进行电池性能测定，得到电池的电流-电压曲线，并按照上式(1)计算电池的光电转换率。

由于该参比染料敏化太阳能电池CS1的电流-电压曲线非常不稳定，根本不能获得电池的最佳工作电流和最佳工作电压，因而也就无法按照上式(1)计算出染料敏化太阳能电池的光电转换率，也即光电转换率非常低，计为0。

表1

实施例编号	实施例6	对比例1	实施例7	实施例8	实施例9	实施例10
							太阳能电池编号	S1	CS1	S2	S3	S4	S5
光电转换率(％)	2.315	0	2.564	2.258	2.013	1.939

从表1所示的结果可以看出，实施例1-3制得的染料敏化太阳能电池S1-S3的光电转换率明显高于实施例4-5制得的染料敏化太阳能电池S4和S5的光电转换率，说明在半导体纳晶薄膜中加入所述复合导电颗粒和使用粒径不同的两种二氧化钛颗粒作为半导体颗粒均可以显著提高制得的染料敏化太阳能电池的光电转换率。

实施例11-15

下述实施例用于本发明提供的染料敏化太阳能电池的寿命。

按照实施例6-10所述的方法每隔4小时测一次电池的电流-电压曲线，至出现第一次不稳定电流-电压曲线时测试结束，记录稳定电流-电压曲线的次数，以此评价电池的寿命。出现的稳定电流-电压曲线的次数越多，则说明电池的寿命越长。测试结果如表2所示。

表2

实施例编号	实施例11	实施例12	实施例13	实施例14	实施例15
						太阳能电池编号	S1	S2	S3	S4	S5
电池寿命(次)	5	6	5	4	3

由于对比例1获得的参比染料敏化太阳能电池在对比例2进行的第一次测试即不能获得稳定的电流-电压曲线，因此电池寿命为0。从上表2可以看出，本发明提供的染料敏化太阳能电池寿命较现有技术的有明显提高。

Claims (22)

1.一种染料敏化太阳能电池，该电池包括半导体电极、对电极、位于半导体电极和对电极之间的电解质以及封装材料，所述半导体电极和对电极由封装材料密封形成容纳电解质的空间，所述电解质容纳在该空间内，所述封装材料包括边框胶，其特征在于，所述封装材料还包括衬垫料，所述半导体电极包括导电底层、形成于该导电底层上的半导体纳晶薄膜和形成于该半导体纳晶薄膜上的染料层，所述半导体纳晶薄膜含有半导体颗粒和导电颗粒，所述半导体颗粒为大粒径二氧化钛和小粒径二氧化钛的混合颗粒，所述导电颗粒为含有碳颗粒和金属颗粒的复合导电颗粒，金属颗粒负载在碳颗粒的表面，所述碳颗粒为活性炭颗粒和/或碳黑颗粒。

2.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池，其中，所述大粒径二氧化钛的粒子直径为60-95纳米，小粒径二氧化钛的粒子直径为不超过40纳米。

3.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池，其中，所述复合导电颗粒的粒子直径为2-60纳米，碳颗粒与金属颗粒的重量比为1∶0.01至1∶1.5。

4.根据权利要求3所述的染料敏化太阳能电池，其中，所述复合导电颗粒的粒子直径为4.5-50纳米，碳颗粒与金属颗粒的重量比为1∶0.05至1∶1。

5.根据权利要求3或4所述的染料敏化太阳能电池，其中，所述碳颗粒的粒子直径为5-30纳米，所述金属颗粒的粒子直径为2-6纳米。

6.根据权利要求3或4所述的染料敏化太阳能电池，其中，所述金属颗粒中的金属为Au、Ag、Pt、Cu、Zn、Sn、Ni、Fe、Ir、Ru和In中的一种或几种的合金。

7.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池，其中，所述边框胶为环氧边框胶，所述衬垫料为塑料粒子、硅球、玻璃微珠中的一种或几种刚性粒子。

8.根据权利要求7所述的染料敏化太阳能电池，其中，所述塑料粒子为丙烯酸树脂粒子、苯乙烯树脂粒子、聚烯烃树脂粒子中的一种或几种。

9.根据权利要求1或7所述的染料敏化太阳能电池，其中，所述衬垫料的粒子的平均粒子直径为2-50微米。

10.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池，其中，以封装材料的总重量为基准，所述衬垫料的含量为1-15重量％，所述边框胶的含量为85-99重量％。

11.一种染料敏化太阳能电池的制备方法，该方法包括将电解质容纳于由封装材料将半导体电极和对电极密封形成的空间内，所述封装材料包括边框胶，其特征在于，所述封装材料还包括衬垫料，所述半导体电极包括导电底层、形成于该导电底层上的半导体纳晶薄膜和形成于该半导体纳晶薄膜上的染料层，所述半导体纳晶薄膜含有半导体颗粒和导电颗粒，所述半导体颗粒为大粒径二氧化钛和小粒径二氧化钛的混合颗粒，所述导电颗粒为含有碳颗粒和金属颗粒的复合导电颗粒，金属颗粒负载在碳颗粒的表面，所述碳颗粒为活性炭颗粒和/或碳黑颗粒。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述封装材料的制备方法包括将衬垫料与边框胶均匀混合，以封装材料的总重量为基准，所述衬垫料的加入量为1-15重量％，所述边框胶的加入量为85-99重量％。

13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，所述边框胶为环氧边框胶，所述衬垫料为塑料粒子、硅球、玻璃微珠中的一种或几种刚性粒子。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述塑料粒子为丙烯酸树脂粒子、苯乙烯树脂粒子、聚烯烃树脂粒子中的一种或几种。

15.根据权利要求11所述的方法，其中，所述衬垫料的粒子直径为2-50微米。

16.根据权利要求11所述的方法，其中，所述大粒径二氧化钛的粒子直径为60-95纳米，小粒径二氧化钛的粒子直径为不超过40纳米。

17.根据权利要求11所述的方法，其中，所述复合导电颗粒的粒子直径为2-60纳米，碳颗粒与金属颗粒的重量比为1∶0.01至1∶1.5。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述复合导电颗粒的粒子直径为4.5-50纳米，碳颗粒与金属颗粒的重量比为1∶0.05至1∶1。

19.根据权利要求17或18所述的方法，其中，所述碳颗粒的粒子直径为5-30纳米，所述金属颗粒的粒子直径为2-6纳米。

20.根据权利要求17或18所述的方法，其中，所述金属颗粒中的金属为Au、Ag、Pt、Cu、Zn、Sn、Ni、Fe、Ir、Ru和In中的一种或几种的合金。

21.根据权利要求11所述的方法，其中，所述将电解质容纳于由封装材料将半导体电极和对电极密封形成的空间内的方法包括将表面涂覆有封装材料的半导体电极和对电极合膜后施压整平再固化成盒，之后将电解质注入盒内。

22.根据权利要求21所述的方法，其中，将封装材料涂覆在半导体电极和对电极表面上的方法包括丝网印刷法、刮刀刮涂法、滚涂法、旋转涂布法以及喷涂法中的一种或几种方法。