CN101814376A - 染料敏化太阳能电池ZnO复合电极及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种染料敏化太阳能电池ZnO复合电极及其制备方法。复合电极由透明导电基板，基板上沉积的ZnO层以及ZnO层表面的二氧化钛纳米晶薄膜所构成。可以有效地减少发生在电极各层界面处的电荷复合，显著地提高染料敏化太阳能电池的开路电压、填充因子以及光电转化效率。其成本低廉，工艺简单，重复性好，适合工业化应用。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，特别涉及一种染料敏化太阳能电池复合电极。
背景技术
染料敏化太阳能电池目前所报道的最高效率在11％左右，与其理论光电转化效率尚有较大差距。其原因是电池中各组成部分之间界面较多，存在大量的电荷复合，限制了光电装换效率的提高。
染料敏化太阳能电池在光照条件下，由染料吸收光能，产生光生电子，通过二氧化钛纳米晶薄膜的传输被透明导电基板收集。由于电解质的渗透作用使其与透明导电基板接触，使得透明导电基板收集到的电子被电解质中的I3 -所俘获，发生电荷的复合，降低了电子的收集率以及光电转换效率。国内外研究者为了减小透明导电基板与二氧化钛纳米晶薄膜界面处的电荷复合，进行了大量的研究，并取得了一定的成效。在传统工艺中，主要是采用物理方法引入一层致密的二氧化钛、Nb掺杂的二氧化钛和Nb2O5，避免透明导电基板与电解质直接接触，从而在一定程度上阻止了此界面处的电荷复合。但是，上述材料比较昂贵，制作工艺也比较复杂。
发明内容
本发明的目的就是针对上述现有技术的状况而提供一种染料敏化太阳能ZnO复合电极，该复合电极不仅制作简单，而且能显著提高电池的开路电压、填充因子以及光电转化效率。
本发明技术方案是：在透明导电基板与二氧化钛纳米晶薄膜之间沉积一层ZnO层，其厚度为20~400nm。其制备方法如下：
1)配制浓度为0.05~0.5M的Zn(CH3COO)2溶胶；
2)利用旋涂法，将Zn(CH3COO)2溶胶在透明导电基板表面沉积一层厚度为20~400nm的薄膜；
3)将表面沉积有Zn(CH3COO)2溶胶的透明导电基板放入马弗炉中，升温至450~500℃后保温至少30min，以获取具有ZnO层的透明导电基板；
4)在具有ZnO层的透明导电极板上，制备二氧化钛纳米晶薄膜。
为保证ZnO层的厚度，应控制旋涂转速在1600~2600转/min之间。
本发明复合电极，通过旋涂法在透明导电基板表面沉积一层ZnO层，由ZnO和透明导电基板组成的复合基板具有良好的透光性。在复合基板上覆盖一层二氧化钛纳米晶薄膜形成的复合电极，可以有效地减小发生在电极层级界面处的电荷复合。其制造工艺简单，成本低廉，重复性好。本发明提出了一种新的利用致密层改善电池光电性能的机制，即引入一种比二氧化钛具有更负导带能级的半导体材料做致密层，由于其对光生电子注入具有一定的阻挡作用，可以显著提高TiO2导带中的电子密度，从而提高电池的开路电压和填充因子，进而提高电池的光电转化效率。
具体实施方式
实施例1
1.配置溶度为0.05M的Zn(CH3COO)2溶胶。
2.利用旋涂法，将1所制得溶胶在FTO(F掺杂氧化锡透明导电玻璃)表面沉积一层薄膜，控制转速为2600转/min。
3.将2所制得薄膜放入马弗炉中，450℃的条件下保温30min以形成厚度为20nm左右的ZnO层。
4.在沉积有ZnO层的基板上利用二氧化钛胶体制备二氧化钛纳米晶薄膜，以得到复合电极。
用N719染料敏化上述复合电极，并滴加氧化还原电解质{配比为：0.1M1-propy-3-methylimidazolium iodide(1-丙基-3-甲基咪唑碘)，0.05M LiI，0.1M GNCS，0.03M I2，0.5M 4-tert-butylpridine(4-叔丁基吡啶)，溶剂为碳酸丙烯脂与乙腈的混合溶液(体积比为1∶1)}于该复合电极上，加盖对电极组装成染料敏化太阳能电池。在500W模拟太阳光光源氙灯(Oriel 91192，USA)，Keithly 2400 source meter，辐照强度为100W/cm2，电池受光照面积为0.25cm2的测试条件下测得：开路电压Voc为657.79mV，短路电流密度Jsc为14.70mA/cm2，填充因子FF为0.61，光电转化效率为6.08％。
实施例2
1.配置溶度为0.2M的Zn(CH3COO)2溶胶。
2.利用旋涂法，将1所制得溶胶在FTO(F掺杂氧化锡透明导电玻璃)表面沉积一层薄膜，控制转速为2600转/min。
3.将2所制得薄膜放入马弗炉中，500℃的条件下保温60min以形成厚度为150nm左右的ZnO层。
4.在3所制得的FTO/ZnO基板上利用二氧化钛胶体制备二氧化钛纳米晶薄膜，以得到FTO/ZnO/TiO2复合电极。
用N719染料敏化上述复合电极，并滴加氧化还原电解质{配比为：0.1M1-propy-3-methylimidazolium iodide(1-丙基-3-甲基咪唑碘)，0.05M LiI，0.1M GNCS，0.03M I2，0.5M 4-tert-butylpridine(4-叔丁基吡啶)，溶剂为碳酸丙烯脂与乙腈的混合溶液(体积比为1∶1)}于该复合电极上，加盖对电极组装成染料敏化太阳能电池。在500W模拟太阳光光源氙灯(Oriel 91192，USA)，Keithly 2400 source meter，辐照强度为100W/cm2，电池受光照面积为0.25cm2的测试条件下测得：开路电压Voc为690.05mV，短路电流密度Jsc为14.57mA/cm2，填充因子FF为0.65，光电转化效率为6.7％。
实施例3
1.配置溶度为0.5M的Zn(CH3COO)2溶胶。
2.利用旋涂法，将1所制得溶胶在FTO(F掺杂氧化锡透明导电玻璃)表面沉积一层薄膜，控制转速为1600转/min。
3.将2所制得薄膜放入马弗炉中，550℃的条件下保温60min以形成厚度为400nm左右的ZnO层。
4.在3所制得的FTO/ZnO基板上利用二氧化钛胶体制备二氧化钛纳米晶薄膜，以得到FTO/ZnO/TiO2复合电极。
用N719染料敏化上述复合电极，并滴加氧化还原电解质{配比为：0.1M1-propy-3-methylimidazolium iodide(1-丙基-3-甲基咪唑碘)，0.05M LiI，0.1M GNCS，0.03M I2，0.5M 4-tert-butylpridine(4-叔丁基吡啶)，溶剂为碳酸丙烯脂与乙腈的混合溶液(体积比为1∶1)}于该复合电极上，加盖对电极组装成染料敏化太阳能电池。在500W模拟太阳光光源氙灯(Oriel 91192，USA)，Keithly 2400 source meter，辐照强度为100W/cm2，电池受光照面积为0.25cm2的测试条件下测得：开路电压Voc为690.51mV，短路电流密度Jsc为13.36mA/cm2，填充因子FF为0.67，光电转化效率为6.38％。
Claims (4)
1.一种染料敏化太阳能电池ZnO复合电极，由透明导电基板与二氧化钛纳米晶薄膜所组成，其特征在于：在所述的透明导电基板与二氧化钛纳米晶薄膜之间沉积有ZnO层。
2.如权利要求1所述的一种染料敏化太阳能电池ZnO复合电极，其特征在于：所述的ZnO层的厚度为20~400nm。
3.如权利要求1所述的染料敏化太阳能电池ZnO复合电极的制备方法，其特征在于：所述的方法由下述步骤所组成：
1)配制浓度为0.05~0.5M的Zn(CH3COO)2溶胶；
2)利用旋涂法，将Zn(CH3COO)2溶胶在透明导电基板表面沉积一层厚度为20~400nm的薄膜；
3)将表面沉积有Zn(CH3COO)2溶胶的透明导电基板放入马弗炉中，升温至450~500℃后保温至少30min，以获取具有ZnO层的透明导电基板；
4)在具有ZnO层的透明导电基板上，制备二氧化钛纳米晶薄膜。
4.如权利要求3所述的染料敏化太阳能电池ZnO复合电极的制备方法，其特征在于：所述旋涂法的转速为1600~2600转/min之间。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20100825 |