CN1307728C - 太阳能电池及其电极 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种太阳能电池负极，该负极包括一导电基板，一半导体材料层及一光敏染料层，其特征在于导电基板包括一多孔表面，多个纳米级孔形成于该多孔表面；半导体材料层形成于导电基板的多孔表面上，其中半导体材料为纳米级半导体微粒，纳米级半导体微粒分散于导电基板的纳米级孔中；光敏染料层形成于半导体材料层上。本发明还涉及一种含有该负极的染料敏化太阳能电池。该电极导电基板的多孔设计，利用孔隙间隔，使得纳米级半导体电极材料沉积时部分分散，防止纳米级半导体电极材料异常堆积，从而增大太阳能电池电极表面积，提高电池光电转化效率。

Description

太阳能电池及其电极
【技术领域】
本发明涉及太阳能电池，特别涉及一种染料敏化太阳能电池及其电极。
【背景技术】
因石油即将在本世纪内消耗殆尽的处境下，人类不断寻找新能源来取代石化燃料能源，其中取之不尽的太阳能成为重要方向。为降低成本及提高光电转换效率，应用纳米量子点开发的染料敏化太阳能电池可望取代传统的硅基电极太阳能电池，成为二十一世纪新能源技术。
染料敏化太阳能电池是二十世纪九十年代发展起来的、采用表面吸附一层光敏染料的宽禁带半导体材料作电极，将太阳光直接转换为电能的装置。上述载有光敏染料的宽禁带半导体电极称为染料敏化半导体电极，光敏染料主要完成光的捕获，半导体材料除了负载光敏染料之外，主要功能为电子的收集及传导。
染料敏化太阳能电池的工作原理是当染料吸收太阳光时，电子从基态跃迁到激发态，激发态上的电子迅速转移到半导体导带，而空穴则留在染料中，电子随后扩散至导电基底，经外电路转移至对电极，而氧化态的染料被还原态的电解质还原，氧化态的电解质在对电极接受电子被还原，从而完成了电子的整个输运过程。
实验证明，在平板半导体电极上进行多层吸附可以增大光的捕获效率，但在外层染料的电子转移过程中内层染料起到了阻碍作用，降低电池光电转化效率，所以半导体电极在吸附单分子层染料后才能达到最佳的电子转移效率。
但是，平板半导体电极表面积相对较小，其表面上单分子层染料的光捕获能力较差，使电池总能量效率在0.1％以下。
所以，提供具有大比表面积的电极非常必要。2002年5月22日公开的中国发明专利申请第01140225号揭露一种染料敏化太阳能电池纳米晶膜电极，将半导体电极材料设计成纳米材料，使电极表面积显著增大，从而使太阳能电池光电转化效率显著提高。
但是，实际电极制备过程中，纳米级半导体电极材料易产生异常堆积，致使电极表面积增大受到限制，从而限制电池光电转化效率的提高。
所以，提供一种防止纳米级半导体电极材料异常堆积、表面积大、光电转换效率高的染料敏化太阳能电池电极实为必要。
【发明内容】
为解决现有技术中纳米级半导体电极材料容易产生异常堆积，致使电极表面积小、光电转换效率低的问题，本发明目的在于提供一种防止纳米级半导体电极材料异常堆积、表面积大、光电转换效率高的染料敏化太阳能电池负极。
本发明另一目的在于提供一种包括上述负极的染料敏化太阳能电池。
本发明提供一种太阳能电池负极，该负极包括一导电基板，一半导体材料层及一光敏染料层，其特征在于导电基板包括一多孔表面，多个纳米级孔形成于该多孔表面；半导体材料层形成于导电基板的多孔表面上，其中该半导体材料为纳米级半导体微粒，纳米级半导体微粒分散于导电基板多孔表面的纳米级孔中；光敏染料层形成于半导体材料层上。
本发明还提供一种染料敏化太阳能电池，该太阳能电池包括正极，电解质以及上述负极。
与现有技术相比，本发明提供的染料敏化半导体电极具有以下优点：导电基板上具有孔隙，利用孔隙间隔，使得纳米级半导体电极材料沉积时部分分散，防止纳米级半导体电极材料异常堆积，从而增大太阳能电池电极表面积，提高电池光电转化效率。
【附图说明】
图1是本发明染料敏化太阳能电池负极结构示意图。
图2是本发明染料敏化太阳能电池内部结构示意图。
【具体实施方式】
如图1所示，本发明的染料敏化太阳能电池负极1包括导电基板2、半导体材料层3以及光敏染料层4，导电基板2包括多孔表面，多个纳米级孔形成于该多孔表面，半导体材料层3沉积于该多孔表面上，光敏染料层4形成于半导体材料层3的表面。
导电基板2材质为导电玻璃。该导电基板2的多孔表面之纳米级孔通过蚀刻或电化学方法(如铝阳极处理)形成，孔隙率大于50％。该纳米级孔孔径小于60纳米，孔深度一般小于导电基板2厚度的1/10，并根据导电基板2的机械强度作适当调整。孔隙以规则排列为佳，以利于半导体材料层3的均匀沉积。
半导体材料层3的半导体材料为纳米级半导体微粒，该半导体材料包括氧化锌或二氧化钛等具有光电转换功能的宽禁带半导体材料，本实施例采用二氧化钛微粒。二氧化钛粒径需小于20纳米，优选小于5纳米。该二氧化钛层沉积于上述导电基板2的多孔表面，二氧化钛微粒部分分散于纳米级孔中。该半导体材料层3的主要功能为负载光敏染料层4以及工作过程中电子的收集及传导。
光敏染料层4形成于上述半导体材料层3的表面，该层的主要功能为吸收太阳光，与半导体材料层3共同完成光电转换。其中光敏染料包括酞菁类化合物、方酸类染料、部花菁类染料、罗丹明类染料、偶氮苯类染料、半菁类染料以及金属配合物。因不同染料对不同频率的光吸收能力不同，可采用多种染料的组合，以提高光的吸收率。
本实施例光敏染料采用金属钌的配合物，如Ruthenium-535，即Ru(4，4’-dicarboxy-2，2’-bipyridine)2(NCS)2。将其配制成一定浓度的溶液或凝胶，通过浸泡的方式使其吸附于半导体材料层3上。
如图2所示，本发明还提供一染料敏化太阳能电池5，该太阳能电池5包括正极6、电解质7以及本发明所提供的负极1。其中，电解质7为碘/碘化锂电解质，正极6可为一多孔碳电极或镀有铂或金层的导电基板。
与现有技术相比，本发明提供的染料敏化半导体电极具有以下优点：导电基板上具有纳米级孔，利用孔隙间隔，使得纳米级半导体电极材料沉积时部分分散，防止纳米级半导体电极材料异常堆积，从而增大太阳能电池电极表面积，提高电池光电转化效率。

Claims (9)

1.一种太阳能电池负极包括一导电基板，一半导体材料层及一光敏染料层；其特征在于导电基板包括一多孔表面，多个纳米级孔形成于该多孔表面；半导体材料层形成于该导电基板的多孔表面上；光敏染料层形成于半导体材料层上。
2.如权利要求1所述的太阳能电池负极，其特征在于导电基板孔隙率大于50％。
3.如权利要求1所述的太阳能电池负极，其特征在于导电基板的纳米级孔孔径小于60纳米。
4.如权利要求1所述的太阳能电池负极，其特征在于导电基板的纳米级孔深度小于导电基板厚度的1/10。
5.如权利要求1所述的太阳能电池负极，其特征在于导电基板的纳米级孔通过蚀刻或电化学方法形成。
6.如权利要求1所述的太阳能电池负极，其特征在于半导体材料层由纳米级半导体微粒构成。
7.如权利要求6所述的太阳能电池负极，其特征在于半导体微粒粒径小于20纳米。
8.如权利要求1所述的太阳能电池负极，其特征在于该光敏染料层包括酞菁类化合物、方酸类染料、部花菁类染料、罗丹明类染料、偶氮苯类染料、半菁类染料或金属配合物中一种或其组合。
9.一种染料敏化太阳能电池，包括：正极，负极，及介于正极与负极之间的电解质；其特征在于负极包括一导电基板，一半导体材料层及一光敏染料层，导电基板包括一多孔表面，多个纳米级孔形成于该多孔表面，半导体材料层形成于该导电基板的多孔表面上，光敏染料层形成于半导体材料层上。
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