CN101320631A - 分层吸附协同敏化的宽光谱染料敏化太阳电池 - Google Patents

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Abstract

一种分层吸附协同敏化的宽光谱染料敏化太阳电池，由光阳极、阴极、电解质以及封装部件构成，光阳极内部分层吸附具有光谱范围互补特征的多种染料。这些分层吸附的染料，不仅实现了更宽的光谱吸收和光电转换，而且可以避免染料混合吸附时造成的染料之间的不利影响及其所带来的电压降低的问题。还可实现更宽范围的光吸收因而具有更高的输出输出电流和能量转换效率。本发明不仅可以用于导电玻璃基底电池的高效化和低成本化，还可以用于柔性电池的高效化和低成本化。这些特征，均利于提高电池的输出电流和能量转换效率并降低电池成本。

Description

分层吸附协同敏化的宽光谱染料敏化太阳电池
技术领域
本发明属于太阳电池尤其是染料敏化太阳电池技术领域，具体涉及一种分层吸附协同敏化的宽光谱染料敏化太阳电池。
背景技术
太阳电池能够直接将太阳能转化成电能，是太阳能的主要利用形式之一。自1991年
Figure A20081015027800031
等在Nature上报道了染料敏化纳米晶太阳电池(dye-sensitized solar cell，DSC)的太阳能转化效率＞7％以来，DSC便受到了广泛的关注。与硅太阳电池、化合物半导体电池等其他种类相比而言，染料敏化太阳电池具有低成本等突出优势。
染料敏化太阳电池主要由光阳极、阴极、电解质以及封装部件组成。在透明导电玻璃基底(或透明导电柔性基底、导线、筛网等基底)上沉积的多孔TiO2(或ZnO、SnO2、SrTiO3、Nb2O5、CeO2等材料)膜吸附染料后构成光阳极。在电池的光电转换机理中，染料吸收光子激发出光电子并注入到TiO2导带中，随后经由阳极导出到达外电路。因此，染料的光吸收和光电转换效果是电池实现光电转换输出的根源，提高染料的光吸收和光电转换效果是提高电池性能的根本。
所以，对于拓宽染料吸收光谱范围的研究一直是该技术领域的基础性重要课题，然而通过分子设计提高单一染料的光响应特性长期以来没有得到跨越发展。自从1993年报道了10.5％的效率以来，2001年达到了11.04％的效率，最近达到了11.3％的新高。此外，从分子设计角度而言，随着光谱响应向长波长的拓宽，电池开路电压下降的现象难以避免，因此，尽管输出电流得到提高，但电压降低的现象会限制输出效率的有效提高。
与上述思路相比，采用多种染料共同吸附在阳极内提高光响应是一条捷径。然而，若采用染料混合吸附的方式，由于染料之间会产生相互抑制的效果，使得共同敏化后的效率提高经常受到限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采用染料分层吸附的方式可实现多种染料协同敏化，以达到提高电池效率和降低电池成本目的的染分层吸附协同敏化的宽光谱染料敏化太阳电池。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：由光阳极、阴极、电解质以及封装部件构成，其特征在于：光阳极内部两个或两个以上的纳晶多孔半导体薄膜分层吸附有光吸收光谱范围互补的染料。
本发明的光阳极薄膜的构成材料为TiO2、ZnO、SnO2、SrTiO3、Nb2O5、CeO2或含有上述至少之一的复合物；光阳极多孔纳晶薄膜由颗粒状、针状、棒状、管状或上述两种或两种以上的构成单元构成；光阳极内依次分层吸附不同的染料，其光吸收光谱波长范围具有依次从太阳光谱的短波段逐段增加的吸收光谱互补特征。
得到以上染料敏化太阳电池的制备过程如下：首先在导电基底表面制备一层厚度为0.1～15μm的纳晶多孔半导体薄膜，然后吸附第一种染料或再经表面绝缘处理；在其表面继续制备一层一层厚度为0.1～15μm的纳晶多孔半导体薄膜，然后吸附第二种染料或再经表面绝缘处理；依次类推，直到制备得到所需的结构层数的光阳极为止，然后再将光阳极、阴极、电解质及封装部件封装得到太阳电池。
其中，所述的光吸收光谱范围互补是指染料中的一种仅在一定的范围内具有较好光电特性，而不同染料具有较好光电特性的的范围互相不完全相同，每种染料具有较好光电特性的光谱范围叠加起来后会覆盖更宽的范围。图1以三种染料为例进一步说明了这种互补特征，由图可以发现，A、B、C三种染料均在一定范围内具有较好的光电特性，此时A、B两种染料具有较好的光电特性的光谱范围或多或少地有所交叉，这样，三种染料具有较好光电特性的光谱范围的叠加就覆盖了比其中任何一种染料更宽的范围，从而实现了更宽范围的光吸收。若A、B两种染料没有交叉，那么三种染料的叠加还会在A、B未交叉的区域留有光电特性不好的少量区域，然而，三种染料配合使用仍然能够实现更宽范围的光响应。
附图说明
图1是具有光吸收光谱范围互补特征的多种染料的光响应图；
图2是内部分层吸附两种染料的光阳极的制备过程。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
以下是发明人给出的实施例，但本发明并不局限于这些实施例。
实施例1：
JK2与SQ1两种染料具有一定的光响应互补性。参见图2，在第一层阳极TiO2薄膜上吸附JK2染料(或进行4-tBP绝缘处理)后构成了单层的初步的光阳极，在其表面采用真空冷喷涂法制备一层TiO2薄膜后再吸附SQ1染料(或再经绝缘处理)，构成了具有两种染料分两层吸附的光阳极，与阴极、电解质和封装部件封装后构成本发明所述的电池。
实施例2：
方酸菁染料在600-700nm具有较好的光吸收，与N719染料的光响应具有一定互补性。在第一层阳极TiO2薄膜上吸附N719染料(或进行4-tBP绝缘处理)后构成了单层的初步的光阳极，在其表面采用压膜法制备一层ZnO薄膜后吸附方酸菁染料(或在经绝缘处理)，构成了具有两种染料分两层吸附的光阳极，与阴极、电解质和封装部件封装后构成本发明所述的电池。
实施例3：
基于实施例2所述的光阳极，继续在其表面制备一层Nb2O5包覆的SnO2薄膜，再吸附具有更长波长范围光响应特性的第三种染料后，再组装的电池具有三种染料分层吸附的协同敏化效果。重复上述类似步骤，还可制作更多染料分层吸附的高效低成本太阳电池。
实施例4：
采用真空冷喷涂法制备10μm厚的TiO2薄膜经热处理与TiCl4处理后并吸附N719染料后组装电池，短路电流密度达到15mA/cm2，对上述阳极表面采用真空冷喷涂法制备5μm厚的TiO2薄膜并吸附黑染料后组装得到本发明所述的电池，由于黑染料在700nm以上具有更好的光响应特性，因此短路电流密度达到16.5mA/cm2，得到显著提高。
本发明所带来的积极技术效果是：
第一，采用光谱响应具有互补特征的多种染料实现更宽范围的光吸收，以此提高电池效率，属于提高电池性能的根本途径之一。
第二，与采用单一染料相比，采用多种染料可以降低对每种染料吸光特性的要求，从而利于大幅度降低染料的合成成本，有利于推进染料敏化太阳电池的继续低成本化。
第三，与目前公开的染料混合吸附(具体包括在同一光阳极多孔半导体膜中直接吸附两种染料的混合溶液或先后依次吸附几种染料)相比，可以克服染料之间的相互不利影响，从而为染料之间能够真正实现协同敏化提供了保证。
总之，该发明对推动DSC的进一步高效化和低成本化起到积极的促进作用。

Claims (4)

1、一种分层吸附协同敏化的宽光谱染料敏化太阳电池，由光阳极、阴极、电解质以及封装部件构成，其特征在于：光阳极内部两个或两个以上的纳晶多孔半导体薄膜分层吸附有光吸收光谱范围互补的染料。
2.根据权利要求1所述的分层吸附协同敏化的宽光谱染料敏化太阳电池，其特征在于，所述的光阳极薄膜的构成材料为TiO2、ZnO、SnO2、SrTiO3、Nb2O5、CeO2或含有上述至少之一的复合物。
3、根据权利要求1所述的分层吸附协同敏化的宽光谱染料敏化太阳电池，其特征在于，所述的光阳极多孔纳晶薄膜由颗粒状、针状、棒状、管状或上述两种或两种以上的构成单元构成。
4、根据权利要求1所述的分层吸附协同敏化的宽光谱染料敏化太阳电池，其特征在于，所述的光阳极内依次分层吸附不同的染料，其光吸收光谱波长范围具有依次从太阳光谱的短波段逐段增加的吸收光谱互补特征。
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