CN102097218B - 一种量子点敏化太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种量子点敏化太阳能电池，包括对电极和电解液，该对电极又包括催化活性材料，其中所述催化活性材料为碳材料，所述电解液为多硫化物氧化还原电对电解液。本发明采用碳材料为对电极价格便宜，并且适宜大面积制作，更有利于提高量子点敏化太阳能电池的光电转化效率。

Description

一种量子点敏化太阳能电池
技术领域
本发明属于太阳能电池制造领域，具体涉及到一种以碳材料为对电极的量子点敏化太阳能电池。
背景技术
面对全球化石能源日益枯竭，取之不尽用之不竭的太阳能可以替代化石能源解决日益严重的能源危机问题。在各类新型太阳能电池中，染料敏化太阳能电池(DSCs)以成本低廉、制作工艺简单、相对较高的光电转换效率而成为研究热点(O’Regan，B.，
Figure G2009102424267D00011
M.，Nature，1991，353，737)。但是它们的缺点也不容忽视：一方面染料的稳定性还有待进一步提高，另一方面价格相对较高，限制了染料敏化太阳能电池成本的进一步降低。而采用价格便宜的窄禁带无机半导体纳米晶即量子点，作为敏化剂，可以进一步降低电池成本。并且，与一般染料吸收一个光子最多产生1个电子不同，量子点可以由1个高能光子产生多个电子，使量子产率将大大提高(Nozik，A.J.，PhysicaE，2002，14，115)。
通常用于量子点敏化太阳能电池的对电极主要包括导电玻璃上载铂电极(Lin，S.C.，Lee，Y.L.，etc，Appl.Phys.Lett.2007，90，143517)、金电极(Lee，Y.L.，Lo，Y.S.，Adv.Funct.Mater.2009，19，604)和硫化亚铜电极(Toyoda，T.，Bisquert，J.，etc，Nanotechnology 2009，20，295204)三种。这些对电极都存在一定的缺点，如铂电极和金电极价格昂贵，而硫化亚铜电极稳定性差，这几种电极都很难应用于大面积量子点敏化太阳能电池中。
发明内容
因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种以碳材料为对电极的量子点敏化太阳能电池。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
根据本发明，提供一种量子点敏化太阳能电池，包括对电极和电解液，该对电极又包括催化活性材料，其中：
所述催化活性材料为碳材料；
所述电解液为多硫化物氧化还原电对电解液。
在上述技术方案中，所述碳材料包括活性炭、碳黑、鳞片状石墨、石墨烯、球形石墨、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、碳纤维或硬碳材料中的一种或多种。优选为活性炭或单壁碳纳米管。
在上述技术方案中，所述多硫化物氧化还原电对电解液为二硫化物氧化还原电对电解液。
在上述技术方案中，所述多硫化物氧化还原电对电解液的浓度在0.1～5M之间。
在上述技术方案中，所述量子点为无机窄禁带半导体纳米晶。
在上述技术方案中，所述无机窄禁带半导体纳米晶包括硫化镉、硒化镉、碲化镉、硫化铅、硒化铅、磷化铟或砷化铟中的一种或多种。优选为硫化镉、硒化镉或硫化铅中的一种或多种。
在上述技术方案中，还包括光阳极，所述光阳极包括量子点敏化的多孔层，所述多孔层材料包括TiO2、Nb2O5、ZnO、SrO、SiO2、ZrO2、Al2O3中的一种或多种。
与现有的量子点敏化染料敏化太阳能电池相比，本发明的优点在于：
1、成本低，适于制作大面积量子点敏化太阳能电池；
2、提高了量子点敏化太阳能电池光电转化效率。
具体实施方式
根据本发明的一个实施例，提供一种以活性炭为对电极的量子点敏化太阳能电池。该电池包括对电极、光阳极和电解质溶液，其中对电极包括导电玻璃及在其上用颗粒尺寸为100nm的活性炭材料制成的厚度为10μm的薄膜(以下将这种包括碳材料的对电极简称为碳对电极)，电解质溶液为2MNa2S2，光阳极为硫化镉量子点敏化的TiO2多孔膜。
将上述硫化镉量子点敏化太阳能电池在室温下用计算机控制的恒电位/恒电流仪(Princeton Applied Research，Model 263A)测量其光电性能。光源使用500W氙灯，入射光强为100mw/cm2，光照面积为0.15cm2，测得光电转换效率为3.2％，其远远高于普通量子点敏化太阳能电池大约1％的光电性能。
表1示出了根据本发明的量子点敏化太阳能电池的上述及其他实施例1～49，以及它们的光电转换效率。在这些电池的光阳极中量子点所敏化的载体均为TiO2多孔膜，对电极的基底均为导电玻璃，并且这些电池的光电转换效率均在与上述实施例相同的测试条件下测量。
表1
Figure G2009102424267D00031
Figure G2009102424267D00041
Figure G2009102424267D00051
从以上内容可以看出，在本发明的量子点敏化太阳能电池中，可以采用碳材料作为对电极，例如碳黑、鳞片状石墨、石墨烯、球形石墨、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、碳纤维或硬碳材料中的一种或多种，优选为活性炭、单壁碳纳米管，这是因为活性炭比表面积大，有利于氧化态电解液的还原，并且性质稳定，而单壁碳纳米管电子传输性能更好；所述碳材料的颗粒尺寸可以在10～500nm之间，所制成的碳薄膜的厚度可以在0.5μm～50μm之间，优选为3μm～20μm，更优选为8-12μm，从而得到更好的光电转换效率。在本发明中可以采用多硫化物氧化还原电对溶液作为电解质溶液(除非另外说明，本文中的“多硫化物”指的是M2SX，其中X＝2、3、4，M＝Na+，K+，NH4 +)，但因为二硫化物的稳定性比三硫化物或四硫化物高，所以优选为二硫化物氧化还原电对电解质溶液，该电解液的浓度可以在0.1～5M之间。另外，本发明可以采用本领域公知的无机窄禁带半导体纳米晶作为量子点，例如硫化镉、硒化镉、碲化镉、硫化铅、硒化铅、磷化铟或砷化铟中的一种或多种，优选为硫化镉、硒化镉和硫化铅中的一种或多种。对于本领域不同技术人员应该理解，多硫化物氧化还原电对电解液的溶剂可以为水、乙醇、甲醇、乙腈、甲氧基丙腈、丙酮中的一种或多种。尽管在实施例中仅列举TiO2作为量子点敏化太阳能电池的光阳极中多孔层的材料，但本发明并不局限于此，所述多孔层的材料还可以是TiO2、Nb2O5、ZnO、SrO、SiO2、ZrO2、Al2O3中的一种或多种；另外，所采用的导电玻璃基底仅为一种优选，还可以采用其他无机非金属材料作为碳对电极的基底。
在本发明中，由于碳对电极对于量子点敏化太阳能电池所采用的多硫化物氧化还原电对表现出高催化活性，能够降低电池器件中的串联电阻与界面电阻，从而有利于提高量子点敏化太阳能电池的光电转化效率，并且采用碳材料为对电极成本低，更适于大面积生产。
尽管参照上述的实施例已对本发明作出具体描述，但是对于本领域的普通技术人员来说应该理解，以上实施例仅出于示意目的而非限制性的，可以在不脱离本发明的精神以及范围之内基于本发明公开的内容进行修改或改进，这些修改或改进都包含在本发明当中。

Claims (10)

1.一种量子点敏化太阳能电池，包括对电极和电解液，该对电极又包括催化活性材料，其特征在于：
所述催化活性材料为碳材料；
所述电解液为多硫化物氧化还原电对电解液。
2.根据权利要求1所述的量子点敏化太阳能电池，其特征在于，所述碳材料包括活性炭、碳黑、鳞片状石墨、石墨烯、球形石墨、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、碳纤维或硬碳材料中的一种或多种。
3.根据权利要求2所述的量子点敏化太阳能电池，其特征在于，所述碳材料优选为活性炭或单壁碳纳米管。
4.根据权利要求1所述的量子点敏化太阳能电池，其特征在于，由所述碳材料制成厚度在0.5μm～50μm的薄膜。
5.根据权利要求1所述的量子点敏化太阳能电池，其特征在于，所述多硫化物氧化还原电对电解液为二硫化物氧化还原电对电解液。
6.根据权利要求1所述的量子点敏化太阳能电池，其特征在于，所述多硫化物氧化还原电对电解液的浓度在0.1～5M之间。
7.根据权利要求1所述的量子点敏化太阳能电池，还包括光阳极，所述光阳极包括量子点，其特征在于，所述量子点为无机窄禁带半导体纳米晶。
8.根据权利要求7所述的量子点敏化太阳能电池，其特征在于，所述无机窄禁带半导体纳米晶包括硫化镉、硒化镉、碲化镉、硫化铅、硒化铅、磷化铟或砷化铟中的一种或多种。
9.根据权利要求8所述的量子点敏化太阳能电池，其特征在于，所述无机窄禁带半导体纳米晶优选为硫化镉、硒化镉或硫化铅中的一种或多种。
10.根据权利要求1至9之一所述的量子点敏化太阳能电池，还包括光阳极，所述光阳极包括量子点敏化的多孔层，其特征在于，所述多孔层材料包括TiO2、Nb2O5、ZnO、SrO、SiO2、ZrO2、Al2O3中的一种或多种。
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