CN102509622A - 一种染料敏化太阳能电池微结构工作电极及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种染料敏化太阳能电池微结构工作电极及其制备方法，该微结构工作电极由导电衬底、半导体纳米晶薄膜、纳米晶薄膜表面的锥形孔组成，锥形孔的锥尖朝下；锥形孔垂直于纳米晶薄膜，其直径为100nm-30μm，深度为100nm-30μm。其制备方法包括以下步骤：在导电衬底表面涂覆一层500nm-30μm厚度的半导体纳米晶薄膜；利用锥形微针在半导体纳米晶薄膜表面制备锥形孔；合适温度煅烧，使得半导体纳米晶颗粒相互粘结，即形成带有锥形孔的染料敏化太阳能电池微结构工作电极。本发明结构新颖，制备简单，可在光学、光电、能源等领域获得应用。

Description

一种染料敏化太阳能电池微结构工作电极及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种染料敏化太阳能电池微结构工作电极及其制备方法，属于材料微结构及其制备技术领域。
背景技术
自从1991年瑞士科学家Gr?tzel等人发明低成本的染料敏化纳米晶太阳能电池(即Gr?tzel电池)以来，染料敏化太阳能电池得以快速发展。染料敏化太阳能电池的优点在于廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。其制作成本仅为硅太阳电池的1/5～1/10，并且环保。然而，光电效率相对较低是其一大弱点，目前染料敏化太阳能电池仍然没有达到商业应用的要求。
染料敏化太阳能电池主要由工作电极、电解质和对电极三部分组成。其工作原理为：染料分子吸收太阳光能跃迁到激发态，激发态不稳定，电子快速注入到紧邻的半导体的导带，染料中失去的电子很快从电解质中得到补偿，进入半导体导带中的电于最终进入导电膜,然后通过外回路产生光电流。目前，半导体纳米晶工作电极中由于晶界等的散射作用及势垒，导致电子在纳米晶工作电极中的扩散距离很短（小于光的穿透深度），从而有大量电子在未到达外电极前被复合湮灭，这极大限制了染料敏化太阳能电池效率的进一步提高。因此，在电极中引入光的散射或者散射因子，可以大大提高光的利用效率，并且通常采用在半导体纳米晶薄膜中引入大的散射颗粒、加入强反射层等途径来实现。我们采用一种新的途径，即在纳米晶薄膜中引入锥形微结构，实现光的散射，从而提高光的利用率。
发明内容
本发明的目的是提供一种染料敏化太阳能电池微结构工作电极，使该微结构材料可以在光学、光电、能源等领域获得广泛应用。本发明的另一目的是提供该微结构材料的制备方法。
为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
一种染料敏化太阳能电池微结构工作电极，由导电衬底、半导体纳米晶薄膜、纳米晶薄膜表面的锥形孔组成，锥形孔的锥尖朝下；所述半导体纳米晶薄膜成分为TiO2、SnO2和ZnO等半导体纳米颗粒中的任意一种或几种的任意组合，其厚度为500nm-30μm。
所述锥形孔垂直于纳米晶薄膜，其直径为100nm-30μm，深度为100nm-30μm。
本发明所述的染料敏化太阳能电池微结构工作电极的制备方法，包括以下步骤：
（1）在导电衬底表面通过喷涂、浸渍、刮膜、旋涂方法中的一种或几种的组合涂覆一层500nm-30μm厚度的半导体纳米晶薄膜；
（2）利用锥形微针在半导体纳米晶薄膜表面压印形成锥形孔；
（3）高于纳米晶熔点温度0℃-200℃煅烧，使得半导体纳米晶颗粒相互粘结，形成带有锥形孔的染料敏化太阳能电池微结构工作电极。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：（1）可获得新型的染料敏化太阳能电池微结构工作电极；（2）成本低廉，无需大型仪器，工艺简单可靠。
附图说明
图1是本发明染料敏化太阳能电池微结构工作电极的示意图。其中，1为锥形孔；2为半导体纳米晶薄膜；3为导电衬底。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。
本实施例中使用的石英微针阵列是利用专利ZL20071 0134575.2中描述的方法制得的。
实施例1：在ITO玻璃表面旋涂一层500nm厚度的氧化钛纳米晶薄膜，利用锥形石英微针阵列在纳米晶薄膜表面压印直径为100nm深度为100nm的锥形孔，在400℃的温度下煅烧30min，使得半导体纳米晶颗粒相互粘结，既得带有锥形孔的染料敏化太阳能电池微结构工作电极。
实施例2：在ITO玻璃表面喷涂一层30μm厚度的氧化钛纳米晶薄膜，利用锥形石英微针阵列在纳米晶薄膜表面压印直径为30μm深度为30μm的锥形孔，在550℃的温度下煅烧60min，使得半导体纳米晶颗粒相互粘结，既得带有锥形孔的染料敏化太阳能电池微结构工作电极。
实施例3：在FTO玻璃表面刮膜涂覆一层10μm厚度的氧化锌纳米晶薄膜，利用锥形石英微针阵列在纳米晶薄膜表面压印直径为10μm深度为5μm的锥形孔，在400℃的温度下煅烧30min，使得半导体纳米晶颗粒相互粘结，既得带有锥形孔的染料敏化太阳能电池微结构工作电极。
实施例4：在FTO玻璃表面浸渍涂覆一层5μm厚度的氧化钛纳米晶薄膜，利用锥形石英微针阵列在纳米晶薄膜表面压印直径为5μm深度为5μm的锥形孔，在450℃的温度下煅烧30min，使得半导体纳米晶颗粒相互粘结，既得带有锥形孔的染料敏化太阳能电池微结构工作电极。
实施例5：在不锈钢衬底表面旋涂一层5μm厚度的氧化锡纳米晶薄膜，利用锥形石英微针阵列在纳米晶薄膜表面压印直径为3μm深度为5μm的锥形孔，在300℃的温度下煅烧30min，使得半导体纳米晶颗粒相互粘结，既得带有锥形孔的染料敏化太阳能电池微结构工作电极。
实施例6：在ITO玻璃表面旋涂一层20μm厚度的氧化钛纳米晶薄膜，利用锥形石英微针阵列在纳米晶薄膜表面压印直径为10μm深度为20μm的锥形孔，在550℃的温度下煅烧30min，使得半导体纳米晶颗粒相互粘结，既得带有锥形孔的染料敏化太阳能电池微结构工作电极。

Claims (6)

1.一种染料敏化太阳能电池微结构工作电极，其特征在于，所述微结构工作电极由导电衬底、半导体纳米晶薄膜以及纳米晶薄膜表面的锥形孔组成，锥形孔的锥尖朝下；所述半导体纳米晶薄膜成分为TiO2、SnO2和ZnO等半导体纳米颗粒中的任意一种或几种的任意组合，其厚度为500nm-30μm。
2.根据权利要求1所述的一种染料敏化太阳能电池微结构工作电极，其特征是，所述的锥形孔垂直于纳米晶薄膜，其直径为100nm-30μm，深度为100nm-30μm。
3.一种如权利要求1所述的染料敏化太阳能电池微结构工作电极的制备方法，其特征是，所述方法包括以下步骤：
（1）在导电衬底表面涂覆一层500nm-30μm厚度的半导体纳米晶薄膜；
（2）利用锥形微针在半导体纳米晶薄膜表面制备锥形孔；
（3）合适温度煅烧，使得半导体纳米晶颗粒相互粘结，形成带有锥形孔的染料敏化太阳能电池微结构工作电极。
4.根据权利要求3所述的染料敏化太阳能电池微结构工作电极的制备方法，其特征是步骤（1）中所述的涂覆为喷涂、浸渍、刮膜、旋涂方法中的一种或几种的组合。
5.根据权利要求3所述的染料敏化太阳能电池微结构工作电极的制备方法，其特征是步骤（2）中所述的锥形孔的制备方法为压印。
6.根据权利要求3所述的染料敏化太阳能电池微结构工作电极的制备方法，其特征是步骤（3）中所述的合适温度为高于纳米晶熔点温度0℃-200℃。
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