CN101373669A - 染料敏化太阳电池用有上转换功能的纳米多孔半导体薄膜 - Google Patents

染料敏化太阳电池用有上转换功能的纳米多孔半导体薄膜 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种染料敏化太阳电池用有上转换功能的纳米多孔半导体薄膜，纳米多孔半导体薄膜，是由染料敏化纳米太阳电池用的常规纳米多孔半导体薄膜和具有上转换功能的上转换材料的组合，或是采用化学的或物理的方法直接合成具有上转换功能的纳米多孔半导体薄膜。常规纳米多孔半导体薄膜和上转换材料的组合，是通过机械搅拌或超声混合的方式组合成纳米多孔半导体薄膜，或是直接将稀土离子掺入到常规的纳米多孔半导体薄膜中，形成具有上转换功能的纳米多孔半导体薄膜。上转换材料和常规纳米多孔半导体薄膜之间的比例为0.01－1之间。本发明它可将红外光上转换为染料敏化纳米材料易于吸收的可见光，可以有利于增强染料分子吸收更宽谱域的太阳光，这样将进一步提高电池的光电转换效率。

Description

染料敏化太阳电池用有上转换功能的纳米多孔半导体薄膜
技术领域
本发明涉及一种太阳电池用材料。特别是涉及一种可以有利于增强染料分子吸收更宽谱域的太阳光，进一步提高电池的光电转换效率的染料敏化太阳电池用有上转换功能的纳米多孔半导体薄膜。
背景技术
光伏发电是国际公认的解决能源短缺与环境污染问题的有效途径之一。为使光伏发电能够成为未来能源的重要组成部分，其关键是要将光伏发电成本降到与常规能源相当。因此，低成本、高效率太阳电池的研究则非常重要。
染料敏化纳米太阳电池是最近20年基于纳米技术发展起来的一种新型太阳电池门类，这种电池成本低，制备工艺简单，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有应用前景的一类太阳电池，特别是对于光伏产业发展比较晚的国家来说，对这种新型电池进行开发研究，显得尤为重要。
染料敏化纳米太阳电池主要由纳米多孔半导体薄膜(如TiO2纳米薄膜)、染料敏化剂、氧化还原电解质、对电极和导电基底等几部分组成。其工作原理可概括为：染料分子吸收太阳光后从基态跃迁到激发态；激发态的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。处于氧化态的染料被还原态的电解质还原再生；氧化态的电解质在对电极接受电子被还原，从而完成了电子输运的一个循环过程。
目前现有的染料敏化纳米太阳电池，其对太阳光谱的吸收仅限于可见光部分很窄的一个区域，很大一部分近红外太阳光不能很好的被利用，也就是说，就目前现有的染料敏化纳米太阳电池太阳电池，其太阳光的利用率仅能达到约50％左右，近一半的太阳光被浪费。
在染料敏化纳米薄膜太阳电池中，纳米多孔半导体薄膜主要起到的作用是光阳极作用，染料要进入到纳米多孔半导体薄膜中。常规的纳米多孔半导体薄膜有TiO2或ZnO纳米薄膜。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够将红外光上转换为染料敏化纳米材料易于吸收的可见光，可以有利于增强染料分子吸收更宽谱域的太阳光，进一步提高电池光电转换效率的染料敏化太阳电池用有上转换功能的纳米多孔半导体薄膜。
本发明所采用的技术方案是：一种染料敏化太阳电池用有上转换功能的纳米多孔半导体薄膜，所述的纳米多孔半导体薄膜，是由染料敏化纳米太阳电池用的常规纳米多孔半导体薄膜和具有上转换功能的上转换材料的组合，或是采用化学的或物理的方法直接合成具有上转换功能的纳米多孔半导体薄膜。
所述的常规纳米多孔半导体薄膜和上转换材料的组合，是通过机械搅拌或超声混合的方式组合成纳米多孔半导体薄膜。
所述的常规纳米多孔半导体薄膜和上转换材料的组合，是直接将稀土离子掺入到常规的纳米多孔半导体薄膜中，形成具有上转换功能的纳米多孔半导体薄膜。
所述的上转换材料和常规纳米多孔半导体薄膜之间的比例为0.01-1之间。
所述的染料敏化纳米太阳电池用的常规纳米多孔半导体薄膜的材料为二氧化钛或氧化锌。
所述的上转换材料是可实现将近红外光谱转换为可见光的氧化物、或卤化物、或硫化物。
所述的上转换材料可以是纳米材料也可以是微米晶材料或薄膜材料。
所述的上转换材料的获得是采用化学合成或物理合成的方法获得。
本发明的染料敏化太阳电池用有上转换功能的纳米多孔半导体薄膜，在不破坏原电池结构的基础上，并针对太阳光谱的充分利用，在现有薄膜太阳电池已经利用了一定范围的太阳光谱基础上，通过混合的方法将常规染料敏化纳米薄膜太阳电池用的纳米多孔半导体薄膜和具有上转换功能的上转换材料混合，组成具有上转换功能的纳米多孔半导体薄膜；或者直接通过化学或物理方法直接将具有上转换能力的稀土离子直接加入到常规染料敏化纳米太阳电池用纳米多孔半导体薄膜中。它可将红外光上转换为染料敏化纳米材料易于吸收的可见光，可以有利于增强染料分子吸收更宽谱域的太阳光，这样将进一步提高电池的光电转换效率。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的染料敏化太阳电池用有上转换功能的纳米多孔半导体薄膜做出详细说明。
本发明的染料敏化太阳电池用有上转换功能的纳米多孔半导体薄膜，是由染料敏化纳米太阳电池用的常规纳米多孔半导体薄膜和具有上转换功能的上转换材料的组合；或是采用化学的或物理的方法直接合成具有上转换功能的纳米多孔半导体薄膜。
所述的常规纳米多孔半导体薄膜和上转换材料的组合，是通过机械搅拌或超声等混合的方式组合成纳米多孔半导体薄膜。所述的上转换材料和常规纳米多孔半导体薄膜之间的比例为0.01-1之间。其中，染料敏化纳米太阳电池用的常规纳米多孔半导体薄膜的材料为二氧化钛(TiO2)或氧化锌(ZnO)；所述的上转换材料是可实现将近红外光谱转换为可见光的氧化物、或卤化物、或硫化物，可以是纳米材料也可以是微米晶材料或薄膜材料。所述的上转换材料的获得是采用化学合成或物理合成的方法获得。
所述的常规纳米多孔半导体薄膜和上转换材料的组合，还可以采用化学的或物理的方法直接将稀土离子掺入到常规的纳米多孔半导体薄膜中，形成具有上转换功能的纳米多孔半导体薄膜。
本发明的染料敏化太阳电池用有上转换功能的纳米多孔半导体薄膜的制作过程：
首先分别制作常规的纳米多孔半导体薄膜和上转换材料。其中，常规的纳米多孔半导体薄膜是采用常规的制作方式获得；上转换材料，可以采用商业用粉末上转换材料(比如NaYF4或CaS等)，或采用化学和物理等方法自制可将不同波段的红外光转换为可见光的宽谱域上转换材料。
然后，将常规的纳米多孔半导体薄膜和上转换材料(两者之间的比例为0.01-1之间)通过机械搅拌(搅拌时间0.5-30分钟)混合成新型纳米多孔半导体粉体，再经丝网印刷法获得薄膜。
实例1：
首先采用常规的制作方式以二氧化钛(TiO2)为材料获得常规的纳米多孔半导体薄膜。
NaYF4：Er/Yb上转换材料的制备，将YCl3·6H2O和NaCl分别加去离子水溶解，配置成0.2mol/L的YCl3和NaCl溶液。分别将Yb2O3和Er2O3溶于盐酸，配置成0.2mol/L的YbCl3和ErCl3溶液。将上述储备液按实验需要以一定比例混合(n(Na)：[n(Y)+n(Yb)+n(Er)]＝1:1)后倒入100ml反应釜中。比如取20ml的NaCl，16ml的YCl3，3.6ml的YbCl30.4mlErCl3，20ml的酒精以及18ml的乙二胺四乙酸二钠，再称取0.59264g的NH4F倒入反应釜中搅拌，并封闭反应釜。放入高温试验箱中200℃反应24小时后取出。所得沉淀经反复离心过滤、超声清洗后，放入干燥箱中100℃以下温度真空干燥，得白色粉末即为上转换材料。
然后，将常规的纳米多孔半导体薄膜和上转换材料(两者之间的比例为5：95)通过机械搅拌(搅拌时间20分钟)混合成新型纳米多孔半导体粉体，再经丝网印刷法获得薄膜。
实例2：
首先采用常规的制作方式以氧化锌(ZnO)为材料获得常规的纳米多孔半导体薄膜。
NaYF4:Er/Tm上转换材料的制备，将YCl3·6H2O和NaCl分别加适量去离子水溶解，配置成0.2mol/L的YCl3和NaCl溶液。分别将Tm2O3和Er2O3溶于盐酸配置成0.2mol/L的TmCl3和ErCl3溶液。将上述储备液按实验需要以一定比例混合(n(Na)：[n(Y)+n(Tm)+n(Er)]＝1:1)后倒入100ml反应釜中。比如取20ml的NaCl，16ml的YCl3，3.6ml的YbCl30.4mlTmCl3，20ml的酒精以及18ml的乙二胺四乙酸二钠，再称取0.59264g的NH4F倒入反应釜中搅拌，并封闭反应釜。放入高温试验箱中200℃反应24小时后取出。所得沉淀经反复离心过滤、超声清洗后，放入干燥箱中100℃以下温度真空干燥，得白色粉末即为上转换材料。
然后，将常规的纳米多孔半导体薄膜和上转换材料(两者之间的比例为3：97)通过机械搅拌(搅拌时间15分钟)混合成新型纳米多孔半导体粉体，再经丝网印刷法获得薄膜。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种染料敏化太阳电池用有上转换功能的纳米多孔半导体薄膜，其特征在于，所述的纳米多孔半导体薄膜，是由染料敏化纳米太阳电池用的常规纳米多孔半导体薄膜和具有上转换功能的上转换材料的组合，或是采用化学的或物理的方法直接合成具有上转换功能的纳米多孔半导体薄膜。
2.根据权利要求1所述的染料敏化太阳电池用有上转换功能的纳米多孔半导体薄膜，其特征在于，所述的常规纳米多孔半导体薄膜和上转换材料的组合，是通过机械搅拌或超声混合的方式组合成纳米多孔半导体薄膜。
3.根据权利要求1所述的染料敏化太阳电池用有上转换功能的纳米多孔半导体薄膜，其特征在于，所述的常规纳米多孔半导体薄膜和上转换材料的组合，是直接将稀土离子掺入到常规的纳米多孔半导体薄膜中，形成具有上转换功能的纳米多孔半导体薄膜。
4.根据权利要求1所述的染料敏化太阳电池用有上转换功能的纳米多孔半导体薄膜，其特征在于，所述的上转换材料和常规纳米多孔半导体薄膜之间的比例为0.01-1之间。
5.根据权利要求1所述的染料敏化太阳电池用有上转换功能的纳米多孔半导体薄膜，其特征在于，所述的染料敏化纳米太阳电池用的常规纳米多孔半导体薄膜的材料为二氧化钛或氧化锌。
6.根据权利要求1所述的染料敏化太阳电池用有上转换功能的纳米多孔半导体薄膜，其特征在于，所述的上转换材料是可实现将近红外光谱转换为可见光的氧化物、或卤化物、或硫化物。
7.根据权利要求1所述的染料敏化太阳电池用有上转换功能的纳米多孔半导体薄膜，其特征在于，所述的上转换材料可以是纳米材料也可以是微米晶材料或薄膜材料。
8.根据权利要求1所述的染料敏化太阳电池用有上转换功能的纳米多孔半导体薄膜，其特征在于，所述的上转换材料的获得是采用化学合成或物理合成的方法获得。
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