CN104882289A - 基于TiO2-ZnS光阳极的染料敏化太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供基于TiO2-ZnS光阳极的染料敏化太阳能电池，其结构从下至上依次包括导电玻璃层FTO、TiO2-ZnS多孔复合薄膜、染料N719、电解质、铂对电极。本发明采用TiO2-ZnS多孔复合薄膜结构作为染料敏化太阳能电池光阳极，可以提高载流子的分离，减小载流子的复合减小暗反应的进行以提高染料敏化太阳能电池的转化效率。同时TiO2-ZnS复合结构可以用于净化污染物，用于环境净化。

Description

基于TiO2-ZnS光阳极的染料敏化太阳能电池
技术领域
本发明涉及钙钛矿染料敏化太阳能电池技术领域，具体涉及基于TiO2-ZnS光阳极的染料敏化太阳能电池。
背景技术
近年来，太阳能电池朝着转化效率高、成本低、工艺简单、稳定性好、对环境友好的方向发展。而太阳能电池为什么没有很好的得到利用，其中主要的原因就是成本太高，转化效率还偏低。然而1991年，瑞士洛桑高等工业学院的Gratzel教授首次将染料敏化纳米晶太阳能电池的光电转化效率突破7%，染料敏化太阳能电池具备工艺简单、成本低的特点将成为未来的发展潮流；染料敏化太阳能电池的缺点是在反应过程中，由于 TiO2导带中的电子与氧化态染料、I3-复合，使外电路中的电子减少，即产生所谓的暗电流。是由于暗反应及其半导体本身复合效应造成器件转化效率低，且器件不稳定。而基于复合薄膜的TiO2-CdS中CdS会对环境产生污染，不是绿色能源。而ZnO的光生电子分离的几率相对ZnS减低，复合概率相对较大，不是理想的染料敏化太阳能光阳极材料。然而相对于TiO2-ZnO、TiO2-CdS复合薄膜光阳极太阳能电池，TiO2-ZnS的ZnS室温下激子束缚能40meV，纤锌矿结构，良好的压电、载流子传输和光催化特性。ZnS光生电子分离的几率越高，电子-空穴的复合率越小，相应的光催化活性就越强且相对于CdS不会对环境造成污染。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术，提供基于TiO2-ZnS光阳极的染料敏化太阳能电池，该染料敏化太阳能可以提高转化效率，工艺简单，节约成本，使得太阳能电池更加普及化，具体技术方案如下。
基于TiO2-ZnS光阳极的染料敏化太阳能电池，结构从下至上依次包括导电玻璃层FTO、光阳极、染料N719、电解质、铂对电极，其特点是所述光阳极为TiO2-ZnS多孔复合薄膜。
进一步优化地，所述TiO2-ZnS多孔复合薄膜为TiO2层与ZnS层复合的叠层结构，或由TiO2材料与ZnS材料混合形成的复合结构，或ZnS层包覆TiO2层的包覆结构。
进一步优化地，所述TiO2-ZnS多孔复合薄膜为在表面连续且具有凹凸结构的TiO2层上覆盖ZnS层， ZnS层表面也具有与TiO2层表面凹凸方向相同的凹凸结构。
与现有技术相比较，本发明的优点如下：
1.本发明采用的是TiO2-ZnS复合薄膜光阳极结构，ZnS与TiO2复合，能够扩展能带范围，吸收更多的太阳光，改变 TiO2薄膜中电子的分布，降低载流子在传导过程中的复合机率，从而提高电子的传输效率，同时还可减少暗电流的产生，多孔结构又能很好的与染料接触，提高与染料的接触面积，从而提高电池的光电转换效率。
2.本发明采用的是ZnS与TiO2复合，ZnS室温下激子束缚能40meV。纤锌矿结构。良好的压电、载流子传输和光催化特性。ZnS光生电子分离的几率越高，电子-空穴的复合率越小，进而能提高染料敏化太阳能电池的转化效率；同时ZnS无毒无害，是一种绿色材料。
3. 结构设计巧妙，特别是采用非常规的特殊结构，即TiO2-ZnS多孔复合薄膜为在表面连续且具有凹凸结构的TiO2层上覆盖ZnS层， ZnS层表面也具有与TiO2层表面凹凸方向相同的凹凸结构，染料中产生的电子由于导带能级高低从ZnS导带转移到TiO2导带，空穴从TiO2价带转移到ZnS价带，电子相比核壳结构能有效分离，且能通过TiO2转移到外电路中。
附图说明
图1是TiO2/ZnS叠层结构图；
图2是TiO2/ZnS混合结构图；
图3是 TiO2/ZnS包覆结构图；
图4是TiO2/ZnS包覆叠层结构图；
图5是TiO2-ZnS复合薄膜载流子转移图。
具体实施方式     为了更好地理解本发明的内容，下面结合附图对本发明作进一步说明，需指出的是以下若有未特别详细说明的过程，均是本领域技术人员可参照现有技术实现或理解的。
如图1，为本发明的一种实例示意图，基于TiO2-ZnS光阳极的染料敏化太阳能电池，结构从下至上依次包括导电玻璃层FTO、光阳极、染料N719、电解质、铂对电极，其特点是所述光阳极为TiO2-ZnS多孔复合薄膜。所述TiO2-ZnS多孔复合薄膜为TiO2层与ZnS层复合的叠层结构。
如图2，为本发明的另一种实例示意图，所述TiO2-ZnS多孔复合薄膜为由TiO2材料与ZnS材料混合形成的复合结构，图中符号虚圆为TiO2层1，符号实圆为ZnS层2。
如图3为本发明的再另一种实例示意图，所述TiO2-ZnS多孔复合薄膜为ZnS层包覆TiO2层的包覆结构（核结构），图中小圆为TiO2层1，大圆为ZnS层2。
如图4，进一步优化地，所述TiO2-ZnS多孔复合薄膜为在表面连续且具有凹凸结构的TiO2层上覆盖ZnS层， ZnS层表面也具有与TiO2层表面凹凸方向相同的凹凸结构。由于核壳结构的复合薄膜具有一定的缺点，即如果当制备的外层ZnS壳的薄膜厚度大于TiO2核的半径时,就会导致只有TiO2核中的空穴转移到外部ZnS层是有效的,而ZnS层内的电子却不能有效的迁移到内部TiO2层上,因此这种结构的复合薄膜不能实现电子迁移到外电路。因此无法产生光电流，本实例提出一种新型的核壳加叠层结构的复合薄膜，结构图如图4。制备方法，首先在FTO玻璃上制备一层TiO2薄膜，然后在TiO2薄膜上制备TiO2ZnS核壳结构。采用新型结构的特点是比表面积大；染料中产生的电子由于导带能级高低从ZnS导带转移到TiO2导带，空穴从TiO2价带转移到ZnS价带，电子相比核壳结构能有效分离，且能通过TiO2转移到外电路中，外电路能检测到电流。
本实例提出基于TiO2-ZnS多孔光阳极的新型染料敏化太阳能。该染料敏化太阳能充分利用了ZnS的优点。ZnS属于第三代半导体材料，是II-VI族宽禁带半导体化合物中禁带宽度最大的直接带隙材料，禁带宽度为3.6eV，室温下激子束缚能40meV，纤锌矿结构。具有良好的压电、载流子传输和光催化特性。ZnS光生电子分离几率高于ZnO，而分离几率越高，电子-空穴的复合率越小，相应的光催化活性就越强。同时ZnS无毒无害，是一种绿色材料。另一方面ZnS与TiO2复合，能够扩展能带范围，吸收更大波长范围的太阳光；能改变TiO2薄膜中电子的分布，降低载流子在传导过程中的复合机率，从而提高电子的传输效率，同时还可减少暗电流的产生；多孔结构又能很好的与染料接触，提高与染料的接触面积，从而对电池的光电转换效率有很大的改善在太阳能电池、发光材料、光催化性上有很好的应用前景。
所述的TiO2-ZnS多孔复合薄膜光阳极,其作用是吸附染料光敏化剂，并将激发态燃料注入的电子传输到导电基底。一般的染料敏化太阳能采用TiO2光阳极，本发明光阳极是采用ZnS与TiO2复合，能够扩展能带范围，吸收更多的太阳光，改变 TiO2薄膜中电子的分布，降低载流子在传导过程中的复合机率，从而提高电子的传输效率，同时还可减少暗电流的产生，多孔结构又能很好的与染料接触，提高与染料的接触面积，从而提高电池的光电转换效率。
所述的TiO2是一种宽禁带半导体材料，禁带宽度为3.2eV，有锐钦矿、金红石和板钦矿三种晶型，其中板钦矿是自然存在相，由于其不吸收可见光，透光率高，与燃料能很好的接触，因此是作为染料敏化太阳能光阳极的基本材料。
所述的ZnS属于第三代半导体材料，是II-VI族宽禁带半导体化合物中禁带宽度最大的直接带隙材料，禁带宽度为3.6eV，室温下激子束缚能40meV，纤锌矿结构，具有良好的压电、载流子传输和光催化特性。ZnS光生电子分离的几率越高，电子-空穴的复合率越小，相应的光催化活性就越强。
所述的复合薄膜即制备成基于不同半导体材料的多层结构，半导体复合本质上是一种颗粒对另一种颗粒的修饰。通过半导体的复合可提高系统的电荷分离效果，扩展光谱响应范围。
所述的多孔结构即在光阳极薄膜表面做成多孔的结构，是为了增加光阳极材料与染料的接触面积，提高效率。
所述的染料即一种光敏化剂，能对可见光很好的吸收，吸收可见光并产生电子，需要染料能吸收更宽的可见光谱，具有很好的稳定性，激发态反应活性高、寿命长、光致发光性好。
所述的电解质在染料敏化太阳能电池中起着传输电子和再生染料的作用，它的选择随着敏化剂不同而不同。目前常用的氧化还原对是I-和I3 -化合物。
所述的对电极目前常用的是镀铂的导电玻璃。镀铂的好处一是降低了电解质中的氧化还原对的氧化还原电位，提高电池的开路电压，二是使光经过多次反射，增加光的利用率。
复合薄膜的工作原理如图5所示，TiO2-ZnS复合薄膜载流子转移图，染料受光激发由基态跃迁到激发态。激发态染料分子将电子注入到半导体TiO2的导带中，由于ZnS的导带电位比TiO2的低，光生电子就从TiO2的导带转移到ZnS的导带上，而空穴则从ZnS的价带转移到TiO2的价带，从而有效地抑制了光生载流子的复合；同时光阳极的暗电流产生原因如下：主要有以下三方面产生的暗电流影响着电流的输出：
（1）、激发态燃料分子不能有效地将电子注入到TiO2导带中，而是通过内部转换回基态；
（2）、氧化态染料分子不是被电解质中的I离子还原，而是与TiO2导带电子直接复合；
（3）、电解质中I3离子不是被对电极上的电子还原成I离子，而是被TiO2导带电子还原。因此复合薄膜可以减小了暗反应的进行，进而提高了染料敏化的转化效率。
染料敏化太阳能电池结构如图1所示，其光阳极制备方法如下首先在导电玻璃FTO上生长一层TiO2多孔结构薄膜，厚度在10μm左右最为理想，采用此10μmTiO2多孔薄膜结构作为染料敏化太阳能电池的光阳极。然后在TiO2多孔薄膜上制备一层ZnS薄膜，对多孔TiO2薄膜进行修饰，厚度100~200nm，形成TiO2/ZnS多孔结构的复合薄膜。染料敏化太阳能电池由TiO2-ZnS多孔复合薄膜、染料N719、电解质、铂对电极构成。其工作原理为：当光线入射时，染料敏化剂吸收可见光，进入激发态，将电子注入TiO2-ZnS多孔复合薄膜的导带，载流子能在复合薄膜中很好的分离且减小暗反应的进行；同时电解质可以将激发态的染料还原再生， I3 -离子扩散到对电极上得到电子使I-离子再生，导带中的电子在复合薄膜结构中传输到后接触面后而流入到外电路中：这样，开路时两极产生光电势，经负载闭路则在外电路产生相应的光电流。

Claims (3)

1.基于TiO2-ZnS光阳极的染料敏化太阳能电池，结构从下至上依次包括导电玻璃层FTO、光阳极、染料N719、电解质、铂对电极，其特征在于所述光阳极为TiO2-ZnS多孔复合薄膜。
2.根据权利要求1所述的基于TiO2-ZnS光阳极的染料敏化太阳能电池，其特征在于所述TiO2-ZnS多孔复合薄膜为TiO2层与ZnS层复合的叠层结构，或由TiO2材料与ZnS材料混合形成的复合结构，或ZnS层包覆TiO2层的包覆结构。
3.根据权利要求2所述的基于TiO2-ZnS光阳极的染料敏化太阳能电池，其特征在于所述TiO2-ZnS多孔复合薄膜为在表面连续且具有凹凸结构的TiO2层上覆盖ZnS层， ZnS层表面也具有与TiO2层表面凹凸方向相同的凹凸结构。
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