CN103714977B

CN103714977B - 一种提高染料敏化太阳能电池光电转换效率的方法

Info

Publication number: CN103714977B
Application number: CN201310751824.8A
Authority: CN
Inventors: 何云龙; 杨松旺; 胡乔舒; 李于利; 沈沪江; 李勇明; 刘岩
Original assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Current assignee: Jiangsu Institute Of Advanced Inorganic Materials
Priority date: 2013-12-31
Filing date: 2013-12-31
Publication date: 2016-09-07
Anticipated expiration: 2033-12-31
Also published as: CN103714977A

Abstract

本发明涉及一种提高染料敏化太阳能电池光电转换效率的方法，在将用于制备染料敏化太阳能电池的光阳极浸入染料溶液中之前，将纳米多孔物浸入所述染料溶液中1～5小时以对所述染料溶液进行预处理，其中所述纳米多孔物包括由金属氧化物和/或金属硫化物组成的纳米多孔薄膜和纳米多孔颗粒。本发明通过将纳米多孔物浸入到染料溶液中对其进行预处理，可以有效提高染料敏化太阳能电池的短路电流及光电转换效率。应用了根据本发明的方法预处理的染料溶液的染料敏化太阳能电池相较于未经所述预处理的情况，短路电流提高了约2%以上，光电转换效率提高了约2.3%以上。

Description

一种提高染料敏化太阳能电池光电转换效率的方法

技术领域

本发明属于染料敏化太阳能电池领域，涉及一种提高染料敏化太阳能电池光电转换效率的方法。

背景技术

作为代替化石燃料的能源，利用了太阳光的太阳能电池受到关注，人们对其进行了各种研究。太阳能电池是一种将光能转换为电能的光电转换装置，由于以太阳光作为能源，所以对地球环境的影响极小，可以得到更广泛的普及。

近年来将太阳能转化为光能的研究发展很快。应用了由染料敏化的光感应电子移动的染料敏化型太阳能电池（Dye-Sensitized Solar Cell，DSSC），近年来作为代替硅（Si）类太阳能电池等的下一代太阳能电池受到关注，并被广泛地研究。染料敏化太阳能电池（DSSC）的优点十分突出：1、制作简单，成本低；2、所使用的染料敏化剂可以在很低的光能量下达到饱和，因此可在各种光照条件下使用；3、可以在很宽的温度范围内正常工作；4、可以制成透明的产品，应用于门窗、屋顶以及汽车顶。因此它迅速成为世界各国的研究重点和热点，取得了丰富的成果，掀起了各国研究DSSC太阳能电池的热潮。

染料敏化太阳能电池作为第三代太阳能电池，是目前最有潜力的硅太阳能电池廉价替代物，它以廉价的宽带隙氧化物半导体制备成具有多孔结构、高比表面积的纳米晶薄膜，纳米晶结构的半导体薄膜是工作电极的核心，其多孔的特点和巨大的比表面积保证了对染料分子足够的吸附，同时，被吸附的染料分子跟二氧化钛纳米粒子之间形成的界面可以使电子高效的迁移，并选用适当的氧化还原电解质，利用染料来俘获太阳光。

在染料敏化电池的光阳极上，光敏染料分子吸收太阳光跃迁至激发态，处于激发态的染料向半导体氧化物的导带内注入电子借以实现电荷分离。目前，为了提高染料敏化太阳能电池光电转换效率，主要通过研发新染料、拓宽染料吸收波长范围来实现。而对于染料本身的处理，探索很少。

发明内容

面对现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种通过对染料进行处理以提高染料敏化太阳能电池光电转换效率的方法。

在此，本发明提供一种提高染料敏化太阳能电池光电转换效率的方法，所述方法是在将用于制备染料敏化太阳能电池的光阳极浸入染料溶液中之前，将纳米多孔物浸入所述染料溶液中1～5小时以对所述染料溶液进行预处理，其中所述纳米多孔物包括由金属氧化物和/或金属硫化物组成的纳米多孔薄膜和纳米多孔颗粒。

本发明通过将纳米多孔物浸入到染料溶液中对其进行预处理，可以有效提高染料敏化太阳能电池的短路电流及光电转换效率。应用了根据本发明的方法预处理的染料溶液的染料敏化太阳能电池相较于未经所述预处理的情况，短路电流提高了约2%以上，光电转换效率提高了约2.3%以上。而且，本发明工艺简单，成本低廉，重复性好，易于实现大规模应用。

较佳地，所述金属氧化物包括ZnO、SnO₂、ZrO、Fe₂O₃、Nb₂O₅、Al₂O₃、和MgO等。

较佳地，所述金属硫化物包括PbS、CdS、ZnS、MnS、SnS、AgS、和CuS等。

在一个尤其优选的实施方式中，所述纳米多孔物为纳米二氧化钛多孔薄膜。通过使用薄膜，可以在浸入之后将其直接取出，简化处理步骤。

较佳地，所述纳米二氧化钛多孔薄膜可以通过将含有纳米二氧化钛的浆料丝网印刷于玻璃基板上并烧结而制得。

较佳地，将二氧化钛纳米颗粒加至质量浓度为5～20%乙基纤维素松节油透醇溶液中，搅拌制得所述浆料。

较佳地，所述二氧化钛纳米颗粒和所述乙基纤维素松节油透醇溶液的质量比可为1∶1～1∶10。

附图说明

图1为使用纳米二氧化钛薄膜处理后的染料制作成的电池以及使用未经纳米二氧化钛薄膜处理的染料制作成的电池的I-V曲线图。

具体实施方式

以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

本发明提供一种提高染料敏化太阳能电池光电转换效率的方法，即以纳米多孔物对用于制备染料敏化太阳能电池的染料溶液进行预处理，以提高光电性能。以下，作为示例，对本发明的方法以及将本发明的方法应用于染料敏化太阳能电池的制备进行说明。

（1）光阳极

本发明中，对光阳极及其制备方法没有限制，例如可以参见现有技术。在一个示例中，可以是在导电玻璃上涂覆含有宽带隙半导体的浆料并烧结以制备光阳极。其中，宽带隙半导体例如可以采用TiO₂、ZnO、SnO₂、ZrO、Fe₂O₃、Nb₂O₅、Al₂O₃、MgO、TiO₂/PbS、TiO₂/PbS/CdS、SiO₂/TiO₂中的一种或几种。

（2）染料溶液

本发明中，对染料溶液及其制备方法没有限制，例如可以参见现有技术。在一个示例中，可以是将染料、溶剂和共吸附剂混合以配制染料溶液。其中，染料例如可以采用N3、N719、black dye、Z907、K8、K19、N945、Z910、K73、K51、Z955、花青、香豆素、卟啉、吲哚、二萘嵌苯花菁、半花菁中的一种或几种。溶剂例如可以采用乙腈、叔丁醇、二甲基甲酰胺、二甲基亚砜等。共吸附剂例如可以采用DPA。

（3）纳米多孔物

本发明中，纳米多孔物可以包括金属氧化物纳米多孔物和/或金属硫化物纳米多孔物。金属氧化物可包括ZnO、SnO₂、ZrO、Fe₂O₃、Nb₂O₅、Al₂O₃、和MgO等。金属硫化物可包括PbS、CdS、ZnS、MnS、SnS、AgS、和CuS等。其形貌可以为多孔颗粒、和/或多孔薄膜，优选为薄膜，这样可以在将其浸入染料溶液后方便地取出。在一个示例中，纳米多孔物为纳米二氧化钛多孔薄膜。该纳米二氧化钛多孔薄膜的制备方法例如可以是将二氧化钛纳米颗粒加至质量浓度为5～20%乙基纤维素松节油透醇溶液中，搅拌制得含有纳米二氧化钛的浆料，然后将该浆料丝网印刷于玻璃基板上并烧结而制得。二氧化钛纳米颗粒和乙基纤维素松节油透醇溶液的质量比可为1∶1～1∶10。在一个具体的示例实施例中，将4g纳米二氧化钛加在16g质量浓度为10%乙基纤维素的松节油透醇溶液中，充分搅拌制得浆料，用丝网印刷将其印在玻璃上并于500℃焙烧2小时，得到纳米二氧化钛薄膜，其膜厚为10～20μm。

（4）染料溶液的预处理

将纳米多孔物浸入染料溶液中1～5小时后取出。当纳米多孔物为多孔颗粒状等时，在浸入完成后可以通过过滤等方法将其除去。当纳米多孔物为多孔薄膜时，在浸入完成后可以直接将其取出。可以采用一种或多种纳米多孔物进行一次或多次浸入。此外，该预处理还可以与其它预处理方法进行组合。

（5）光阳极的敏化

将光阳极浸入经预处理的染料溶液中，得到敏化后的光阳极。

（6）染料敏化太阳能电池的组装

将敏化后的光阳极、对电极组装在一起，在它们之间注入电解液，形成染料敏化太阳能电池。其中对电极及其制备方法，电解液及其制备方法、以及染料敏化太阳能电池的组装方法等均可以参见现有技术，在此不进行详细说明。

（7）染料敏化太阳能电池的光电性能表征

染料敏化太阳能电池的光电性能例如可以在AM1.5的标准光源下进行测试，经测试可知，应用了本发明的方法对染料溶液进行预处理后制备的染料敏化太阳能电池与未经根据本发明的预处理的情况相比，短路电流提高了约2%以上，光电转换效率提高了约2.3%以上。图1示出根据本发明一个示例的使用纳米二氧化钛薄膜处理后的染料制作成的电池以及使用未经本发明预处理的染料制作成的电池的I-V曲线图，由图可知，在经过预处理的情况下，短路电流和光电转换效率等均有所提高。

本发明具有以下优点和有益效果：

1、本发明可有效提高染料敏化太阳能电池的短路电流及光电转换效率；

2、本发明工艺简单，重复性好。

下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。

实施例1

1）将4g纳米二氧化钛加在16g质量浓度为10%乙基纤维素的松节油透醇溶液中，充分搅拌制得浆料，用丝网印刷将其印在玻璃上并于500℃焙烧2h，得到纳米二氧化钛薄膜，其膜厚为10-20μm；

2）将带有二氧化钛薄膜的玻璃浸入待处理的染料溶液中，10h后取出；

3）将待敏化的电极材料浸入该处理过的染料溶液中，得到敏化后的电极材料；

4）将敏化后的电极材料、对电极组装在一起，在它们之间注入电解液，形成染料敏化太阳能电池。

对比例1

不经过实施例1的步骤1）和2）处理而直接采用与实施例1的步骤3）和4）相同的方法使用未经处理的染料溶液制作染料敏化太阳能电池。

图1示出实施例1的使用纳米二氧化钛薄膜处理后的染料制作成的电池以及对比例1的使用未经本发明预处理的染料制作成的电池的I-V曲线图，表1示出实施例1和对比例1的光电性能对比，参见图1和表1可知，实施例1所制作的染料敏化太阳能电池与对比例1所制作的染料敏化太阳能电池相比，短路电流提高了约2%，光电转换效率提高了约2.3%；

表1：实施例1和实施例2的光电性能对比

以上所述实施例1仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

产业应用性：本发明可有效提高染料敏化太阳能电池的短路电流及光电转换效率，且工艺简单，重复性好，可应用于染料敏化太阳能电池的制备领域。

Claims

1.一种提高染料敏化太阳能电池光电转化效率的方法，其特征在于，在将用于制备染料敏化太阳能电池的光阳极浸入染料溶液中之前，将纳米多孔物浸入所述染料溶液中1～5小时以对所述染料溶液进行预处理，其中所述纳米多孔物包括由金属氧化物和/或金属硫化物组成的纳米多孔薄膜和纳米多孔颗粒。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属氧化物包括ZnO、SnO₂、ZrO、Fe₂O₃、Nb₂O₅、Al₂O₃、和MgO。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属硫化物包括PbS、CdS、ZnS、MnS、SnS、AgS、和CuS。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述纳米多孔物为纳米二氧化钛多孔薄膜。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述纳米二氧化钛多孔薄膜通过将含有纳米二氧化钛的浆料丝网印刷于玻璃基板上并烧结而制得。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，将二氧化钛纳米颗粒加至质量浓度为5～20%乙基纤维素松节油透醇溶液中，搅拌制得所述浆料。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述二氧化钛纳米颗粒和所述乙基纤维素松节油透醇溶液的质量比为1：1～1：10。