CN101320629A - 一种用于染料敏化太阳电池的对电极及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种用于染料敏化太阳电池的对电极，由基片、金属层、阻隔层和催化层构成，其制备方法是金属层、阻隔层和催化层依次沉积于基片上；当染料敏化太阳电池所采用的电解质对金属层无腐蚀性时，在金属层与催化层之间不设阻隔层，即催化层直接镀敷在金属层表面。本发明的优点是：可将染料没有完全吸收的太阳光反射回来，增加光程、提高太阳光的利用率和染料的吸收率；可显著降低电池串联电阻和电池内耗，改善欧姆接触，提高电池的填充因子和输出功率；基底材料的选择范围广，制备方法简单且成本低；金属层的制备简单，沉积温度选择范围宽，易于实现大规模、高速率沉积；可显著提高染料敏化太阳电池的光电转换效率，具有广泛的应用前景。

Description

一种用于染料敏化太阳电池的对电极及其制备方法

(一)技术领域

本发明涉及太阳电池技术领域，尤其是涉及一种用于染料敏化太阳电池的对电极及其制备方法。

(二)背景技术

能源和环境是确保人类持续稳定发展的关键因素，特别是能源目前已经成为全人类生存与发展面临的严峻挑战，发展新能源、开发新门类能源材料，是人类进入21世纪必须解决的重大课题，其中开发清洁能源尤为重要。太阳能作为一种可再生能源，具有较大的优势，与化石燃料相比，太阳能取之不尽、用之不竭；与核能相比，太阳能更为安全；与风能相比，太阳能成本相对较低。近些年太阳电池受到了全世界的广泛关注。1991年瑞士洛桑高等工业学院Gratzel教授小组提出了一种新太阳电池---染料敏化太阳电池(Dye-Sensitized Solar Cell，即DSC)，这种光电化学太阳电池成本低，制造工艺简单，对环境污染小，虽然其转化效率和稳定性在现阶段还有待提高，但是该电池仍被认为是最有应用前景的一类太阳电池。

染料敏化太阳电池的结构主要由工作电极、液态电解质和对电极组成，其工作电极就是在导电玻璃上刷一层纳米TiO₂膜，经过温度烧结，然后再浸渍一定厚度的染料；液态电解质一般采用I₂/XI^-/有机溶剂或离子液体电解质；对电极通常采用在导电玻璃上镀Pt、C。染料敏化太阳电池的工作原理为：当太阳光照射时，染料分子吸收光子从基态跃迁到激发态；激发态的染料分子不稳定，释放出电子，然后电子迅速注入到纳米半导体的导带中，随后扩散至导电基底，经外回路转移至对电极；失去电子的染料被还原态的电解质(I^-)还原再生；氧化态的电解质(I₃ ^-)在对电极接受电子被还原，从而完成了电子传输的整个循环过程。

对电极在光化学反应过程中，决定电解质的还原速度、影响电池的串联电阻以及生产成本。目前染料敏化太阳电池常用的对电极主要有以下几种：1)在氟掺杂二氧化锡导电玻璃上通过溅射法、热分解法、电沉积法镀上一层Pt；2)如专利200410037799.8所述的在衬底的一侧面上固接一镍基合金层，在镍基合金层的外侧面上再固接一超薄金属层；3)如专利200510105677.2所述的将纳米结构的、大比表面积的介孔金属材料用非离子表面活性剂电沉积法、阳离子表面活性剂电沉积法，或化学法沉积于基底材料上制备介孔金属电极，并将介孔金属电极应用作为染料敏化太阳能电池的对电极；4)如专利200610135370.1所述的高性能金属/石墨复合对电极，其以石墨为基本材料，与小尺寸无机固体微粒相混合，在一定压力下将混合物压入多孔金属网格中，形成高比表面积的多孔电极材料为对电极；5)如专利200710009239.5所述的导电聚合物对电极；6)如专利200710133450.8、200710177810.4、200610114581.7所述的介孔碳对电极。以上几种染料敏化太阳电池的对电极一般采用导电玻璃为基底，其中导电玻璃的成本大约占染料敏化太阳电池成本的1/3，而且通常使用制备温度高、成本较高的氟掺杂二氧化锡导电玻璃为衬底，而这种导电玻璃的获得目前主要靠进口。此外，为了减少沉积时间、缩短生产周期和降低生产成本，二氧化锡薄膜的厚度一般较薄，因此方块电阻较高，一般为10～15Ω，这样必然导致电池的串联电阻增大，电池的填充因子和输出功率减小，电池内耗增加，光电转换效率相应降低。目前染料敏化太阳电池常用的上述对电极的缺点是电阻大、成本高并且所用氟掺杂二氧化锡导电玻璃需要靠进口。

(三)发明内容

本发明的目的是针对上述存在问题，提供一种结构新颖、制备方法简单且成本低、反射率高、电导率高和光电转换效率高的用于染料敏化太阳电池的对电极及其制造方法。

本发明的技术方案：

一种用于染料敏化太阳电池的对电极，其特征在于：由基片、金属层、阻隔层和催化层构成，金属层、阻隔层和催化层依次沉积于基片上，金属层用于反射可见光且降低电极电阻，阻挡层位于金属层与催化层之间且具有耐腐蚀、导电和透光性能；当染料敏化太阳电池所采用的电解质对金属层无腐蚀性时，不设阻隔层，即催化层直接镀敷在金属层表面。

所述基片的材料为玻璃、不锈钢或塑料。

所述金属层的材料为铝、银、锡、铁、钛或镍；金属层的厚度不小于100nm。

所述催化层的材料为铂或碳；催化层的厚度大于1nm。

所述阻隔层的材料为氧化锌、氟掺杂二氧化锡、铟锡氧化物或聚二氧乙基噻吩；阻隔材料层的厚度为0～100nm。

一种用于染料敏化太阳电池的对电极的制备方法，其特征在于步骤包括：

1)基片的清洗：将基片用电子清洗剂洗净，然后用去离子水将基片冲洗干净，再依次用乙醇、石油醚、乙醇分别超声清洗各15分钟，干燥后待用；

2)金属层的制备：在清洗干净的基片上沉积金属层的方法为蒸发法、溅射法或电子束蒸发法；

3)阻隔层的制备：在金属层表面沉积阻隔层的方法因阻隔层的材料不同而异，氧化锌的制备采用金属有机化学气相沉积法、溅射法或超声喷雾法，铟锡氧化物的制备采用溅射法或蒸发法，氟掺杂二氧化锡的制备采用金属有机化学气相沉积法、溅射法或超声喷雾法，聚二氧乙基噻吩的制备采用旋涂法或浸渍提拉法；当染料敏化太阳电池所采用的电解质对金属层无腐蚀性时，该步骤3)省略。

4)催化层的制备：在阻隔层或金属层表面镀敷催化层的方法为电镀法、丝网印刷法、热分解法或溅射法。

本发明的优点是：1)对可见光具有高的反射率，它可以将染料没有完全吸收的太阳光反射回来，增加光程、提高太阳光的利用率和染料的吸收率；2)高的电导率，可以显著降低电池串联电阻和电池内耗，改善欧姆接触，提高电池的填充因子和输出功率；3)基底材料的选择范围广，制备方法简单且成本低；4)金属层的制备简单，沉积温度选择范围宽，易于实现大规模、高速率沉积；5)可以显著提高染料敏化太阳电池的光电转换效率，具有广泛的应用前景。

(四)具体实施方式

实施例1：

以普通玻璃为基片，首先用电子清洗剂(华星牌电子清洗剂，山东长城电子清洗科技有限公司生产)擦洗10分钟，然后用去离子水将基片冲洗干净，再依次用乙醇、石油醚、乙醇分别超声清洗各15分钟，吹干；用蒸发法在玻璃上蒸出厚度为400nm的铝层；在铝层上用匀胶机甩制(旋涂法)20nm的聚二氧乙基噻吩有机导电材料；然后再在其上溅射100nm的铂层即可获得所需的对电极。由于该太阳电池所用的电解质(组成为：乙腈、I₂、、LiI、、四叔丁基吡啶)对铝金属层有腐蚀性，故设有阻隔层。将该法制备的对电极应用于染料敏化太阳电池中，经检测显示：其反射率约为采用二氧化锡导电玻璃的4倍，其方块电阻的阻值仅为二氧化锡的千分之四。

实施例2：

以PET塑料为基片，首先用电子清洗剂(同上)擦洗20分钟，然后用去离子水将基片冲洗干净，再依次用乙醇、石油醚、乙醇分别超声清洗各15分钟，吹干；用蒸发法在PET上蒸发厚度为200nm的银层；在银层上用溅射法在其上制备厚度为200nm的氧化锌；再用丝网印刷法在其上制备50nm的碳层即可获得所需的对电极。由于该太阳电池所用的电解质(组成为：3甲氧基丙腈、I₂、1丙基-3甲基咪唑碘、四叔丁基吡啶、聚偏氟乙烯)对银金属层有腐蚀性，故设阻隔层。将该法制备的对电极应用于染料敏化太阳电池中，经检测显示：其反射率约为采用二氧化锡导电玻璃的4倍，其方块电阻的阻值仅为二氧化锡千分之四。

实施例3：

以不锈钢为基片，首先用电子清洗剂(同上)擦洗30分钟，然后用去离子水将基片冲洗干净，再依次用乙醇、石油醚、乙醇分别超声清洗各15分钟，晾干；用溅射法在基底上制备厚度为200nm的钛层；再在其上用热分解法制备20nm的铂层即可获得所需的对电极。由于该太阳电池所用的电解质(组成为：1，2二甲基-3丙基咪唑碘、I₂、LiI、四叔丁基吡啶)对钛金属无腐蚀性，故未设阻隔层。将该法制备的对电极应用于染料敏化太阳电池中，经检测显示：其反射率约为采用二氧化锡导电玻璃的3倍，其方块电阻的阻值仅为二氧化锡的百分之一。

Claims (6)

1.一种用于染料敏化太阳电池的对电极，其特征在于：由基片、金属层、阻隔层和催化层构成，金属层、阻隔层和催化层依次沉积于基片上，金属层用于反射可见光且降低电极电阻，阻挡层位于金属层与催化层之间且具有耐腐蚀、导电和透光性能；当染料敏化太阳电池所采用的电解质对金属层无腐蚀性时，不设阻隔层，即催化层直接镀敷在金属层表面。

2.根据权利要求1所述的用于染料敏化太阳电池的对电极，其特征在于：基片的材料为玻璃、不锈钢或塑料。

3.根据权利要求1所述的用于染料敏化太阳电池的对电极，其特征在于：金属层的材料为铝、银、锡、铁、钛或镍；金属层的厚度不小于100nm。

4.根据权利要求1所述的用于染料敏化太阳电池的对电极，其特征在于：催化层的材料为铂或碳；催化层的厚度大于1nm。

5.根据权利要求1所述的用于染料敏化太阳电池的对电极，其特征在于：阻隔层的材料为氧化锌、氟掺杂二氧化锡、铟锡氧化物或聚二氧乙基噻吩；阻隔材料层的厚度为0～100nm。

6.根据权利要求1所述的用于染料敏化太阳电池的对电极的制备方法，其特征在于步骤包括：

1)基片的清洗：将基片用电子清洗剂洗净，然后用去离子水将基片冲洗干净，再依次用乙醇、石油醚、乙醇分别超声清洗各15分钟，干燥后待用；

2)金属层的制备：在清洗干净的基片上沉积金属层的方法为蒸发法、溅射法或电子束蒸发法；

3)阻隔层的制备：在金属层表面沉积阻隔层的方法因阻隔层的材料不同而异，氧化锌的制备采用金属有机化学气相沉积法、溅射法或超声喷雾法，铟锡氧化物的制备采用溅射法或蒸发法，氟掺杂二氧化锡的制备采用金属有机化学气相沉积法、溅射法或超声喷雾法，聚二氧乙基噻吩的制备采用旋涂法或浸渍提拉法；当染料敏化太阳电池所采用的电解质对金属层无腐蚀性时，该步骤3)省略。

4)催化层的制备：在阻隔层或金属层表面镀敷催化层的方法为电镀法、丝网印刷法、热分解法或溅射法。