CN1485928A - 全固态纳米晶太阳能电池及其制法 - Google Patents

全固态纳米晶太阳能电池及其制法 Download PDF

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Abstract

本发明属于纳米晶太阳能电池领域，特别涉及到以导电聚合物材料或无机/导电聚合物协同体系作为p型半导体制备的全固态纳米晶太阳能电池及其制法。在具有导电薄膜的透明基片上涂布半导体纳米材料的浆状物，然后经过高温烧结，制备出宽禁带半导体纳米晶薄膜，浸入染料溶液中，得到染料敏化的纳米晶半导体电极并作为阳极；以导电聚合物或无机/导电聚合物协同体系作为p型材料涂覆在阳极上，将镀有铂或金的导电基片作为对电极，组装成全固态纳米晶太阳能电池。本发明的电池稳定性好，生产成本低，不存在电解液泄漏和封装等问题。

Description

全固态纳米晶太阳能电池及其制法
                       技术领域
本发明属于纳米晶太阳能电池领域，特别涉及到以导电聚合物或无机/导电聚合物协同体系作为p型材料制备的全固态纳米晶太阳能电池及其制法。
                       背景技术
自从1991年瑞士科学家Grayzel报道了染料敏化纳米晶太阳能电池的研究工作以来，它以其高效和廉价的特性成为最具潜力的新型太阳能电池。这种电池包括纳米多孔电极(烧结的TiO2半导体纳米粒子薄膜)、用于吸收光子的染料分子(常用的是钌的配合物)、用做还原介质的电解质和对电极。当电解质选为含I-/I3 -的乙腈或乙醇/丙醇溶液时，其光电转换效率可达到10-11％(AM1.5)。但是这种电池在应用中存在着稳定性差的缺陷，如电解质溶液的蒸发和降解、电解液的渗漏都影响了它的实用化。因此寻找固体材料代替液体电解质是非常有意义的。目前用做p型材料的主要是无机化合物，如CuI，CuSCN等，但无机p型材料易结晶，因此为了增加材料的电接触，其制备过程步骤繁琐。导电聚合物材料由于其价格低廉、稳定性高，电导率可调、便于通过化学方法裁剪等优点而成为取代液体电解质的材料之一。另外，无机/导电聚合物协同体系集无机和有机物之优点，也成为一种优良的固态p型材料。
染料敏化纳米晶太阳能电池及所使用的电解质的研究、制备，国内外均有专利报导，这些报导大部分是针对半导体纳晶电极和敏化剂的制备，而研究对象为液结型电池。申请号为CN01140225.3的专利申请公开了复合半导体纳米晶薄膜电极的制备方法。专利号为EP1096822的欧洲专利公开了以融盐作为电解质形成的太阳能电池。以导电聚合物或无机/导电聚合物协同体系作为p型半导体材料制备全固态染料敏化的太阳能电池还未见专利申请。
                       发明内容
本发明的目的之一是提供一种以导电聚合物材料或无机/导电聚合物协同体系作为p型半导体，代替通常染料敏化太阳能电池中的电解质溶液，制备出一种全固态纳米晶太阳能电池。
本发明的再一目的是提供一种以导电聚合物或无机/导电聚合物协同体系作为p型材料制备的全固态纳米晶太阳能电池的方法。
一种全固态纳米晶太阳能电池，包括电池的阳极、对电极和电解质；其特征是：所述的电池是以染料敏化的宽禁带半导体纳米晶电极作为阳极，以镀有铂或金的导电基片作为对电极，p型导电聚合物材料做电解质。
所述的染料是羧基多吡啶钌的配合物。
所述的阳极膜的厚度约为1-10μm。
本发明的全固态纳米晶太阳能电池的制备方法，该方法的步骤包括：
(1)将具有导电性的透明薄膜基片清洗干净；
(2)在步骤(1)的基片上涂布半导体纳米材料的浆状物，然后经过400℃-600℃高温烧结，制备出宽禁带半导体纳米晶薄膜；膜的厚度约为1-10μm；
(3)将步骤(2)的宽禁带半导体纳米晶薄膜浸入羧基多吡啶钌的配合物溶液中，放置或回流，取出后清洗干净，吹干，得到染料敏化的宽禁带纳米晶半导体电极；
(4)以染料敏化的宽禁带纳米晶半导体电极作为阳极，将镀有铂或金的导电基片作为对电极，以p型导电聚合物材料或无机/导电聚合物协同体系作为电解质，组装成全固态纳米晶太阳能电池；
所述的p型导电聚合物材料或无机/导电聚合物协同体系是以滴膜或旋涂的方式涂覆在步骤(3)的阳极上作为电解质。
所述的导电基片是导电玻璃或导电塑料薄膜等。
所述的半导体纳米材料是纳米氧化钛、纳米氧化锌或纳米氧化锡材料。
所述的染料是羧基多吡啶钌的配合物。
所述的导电聚合物材料是聚苯胺、聚噻吩或聚吡咯。
所述的无机物是LiI、CuI或CuSCN。
所述的无机/导电聚合物协同体系中导电聚合物和无机物质量比是1∶1～100∶1。
电池的所有制备过程均在通常环境中进行。无需在无水或无氧的条件下进行，并且电池性能稳定。
本发明的电池稳定性好，生产成本低，不存在电解液泄漏和封装等问题。对本发明的电池进行表征，测量其电流-电压曲线(I-V curve)，计算光电转换效率。
测试结果
根据以上方法组装的电池，目前达到的最高开路光电压为开521mV，短路光电流为1.62mA/cm2，光电转换效率为0.5％。
                       附图说明
图1.本发明的电池结构示意图。
图2.本发明实施例4的以LiI/聚苯胺协同体系为p型半导体的染料敏化纳米晶二氧化钛电池的I-V曲线。
附图标记
1.导电基底                  2.纳米半导体材料的致密层
3.纳米半导体材料的多孔层    4.羧酸多吡啶钌的配合物染料
5.无机物/导电聚合物协同体系或导电聚合物
6.金或铂层
                       具体实施方式
实施例1
将导电玻璃清洗干净，用旋转涂膜的方法制备TiO2致密层。然后将TiO2溶胶均匀涂布在该电极上，在450℃下烧结，形成TiO2纳米晶电极，膜厚为1-10μm。将该电极浸入钌配合物的乙醇溶液中，放置2天，取出后用乙醇反复淋洗，吹干。将导电率为300S/cm的聚苯胺以滴膜的方式涂到染料敏化后的电极上，作为固体电解质。最后用镀铂的导电玻璃为对电极，组成太阳能电池。其开路光电压为173mV，短路光电流为0.37mA/cm2，光电转换效率为0.02％。
实施例2
将导电玻璃清洗干净，用旋转涂膜的方法制备TiO2致密层。然后将TiO2溶胶均匀涂布在该电极上，在450℃下烧结，形成TiO2纳米晶电极，膜厚为1-10μm。将该电极浸入钌配合物的乙醇溶液中，放置2天，取出后用乙醇反复淋洗，吹干。将导电率为100S/cm的聚苯胺以滴膜的方式涂到染料敏化后的电极上，作为固体电解质。最后用镀铂的导电玻璃为对电极，组成太阳能电池。其开路光电压为319mV，短路光电流为0.51mA/cm2，光电转换效率为0.08％。
实施例3
将导电玻璃清洗干净，用旋转涂膜的方法制备TiO2致密层。然后将TiO2溶胶均匀涂布在该电极上，在450℃下烧结，形成TiO2纳米晶电极，膜厚为1-10μm。将该电极浸入钌配合物的乙醇溶液中，放置2天，取出后用乙醇反复淋洗，吹干。将导电率为10S/cm的聚苯胺以滴膜的方式涂到染料敏化后的电极上，作为固体电解质。最后用镀铂的导电玻璃为对电极，组成太阳能电池。其开路光电压为332mV，短路光电流为0.72mA/cm2，光电转换效率为0.1％。
实施例4
将导电玻璃清洗干净，用旋转涂膜的方法制备TiO2致密层。然后将TiO2溶胶均匀涂布在该电极上，在450℃下烧结，形成TiO2纳米晶电极，膜厚为1-10μm。将该电极浸入钌配合物的乙醇溶液中，放置2天，取出后用乙醇反复淋洗，吹干。将导电率为10S/cm的聚苯胺与LiI以1∶1的质量比混合后，旋涂到染料敏化后的电极上，作为固体电解质。最后用镀铂的导电玻璃为对电极，组成太阳能电池。其开路光电压为521mV，短路光电流为1.62mA/cm2，光电转换效率为0.5％。
实施例5
将导电玻璃清洗干净，用旋转涂膜的方法制备TiO2致密层。然后将ZnO包覆TiO2溶胶均匀涂布在该电极上，在500℃下烧结，形成ZnO包覆TiO2纳米晶电极，膜厚为1-10μm。将该电极浸入钌配合物的乙醇溶液中，放置1天半，取出后用乙醇反复淋洗，吹干。将聚噻吩旋涂到染料敏化后的电极上，作为固体电解质。最后用镀铂的导电玻璃为对电极，组成太阳能电池。其开路光电压为650mV，短路光电流为0.45mA/cm2，光电转换效率为0.16％。
实施例6
将导电玻璃清洗干净，用旋转涂膜的方法制备TiO2致密层。然后将SnO2包覆TiO2溶胶均匀涂布在该电极上，在600℃下烧结，形成SnO2包覆TiO2纳米晶电极，膜厚为1-10μm。将该电极浸入钌配合物的乙醇溶液中，放置1天，取出后用乙醇反复淋洗，吹干。将聚吡咯旋涂到染料敏化后的电极上，作为固体电解质。最后用镀铂的导电玻璃为对电极，组成太阳能电池。其开路光电压为670mV，短路光电流为0.08mA/cm2，光电转换效率为0.1％。
实施例7
将导电玻璃清洗干净，用旋转涂膜的方法制备TiO2致密层。然后将TiO2溶胶均匀涂布在该电极上，在450℃下烧结，形成TiO2纳米晶电极，膜厚为1-10μm。将该电极浸入钌配合物的乙醇溶液中，回流两小时，取出后用乙醇反复淋洗，吹干。将导电率为10S/cm的聚苯胺旋涂到染料敏化后的电极上(5层)，作为固体电解质。最后用镀铂的导电玻璃为对电极，组成太阳能电池。其开路光电压为263mV，短路光电流为0.58mA/cm2，光电转换效率为0.069％。
实施例8
将导电玻璃清洗干净，用旋转涂膜的方法制备TiO2致密层。然后将TiO2溶胶均匀涂布在该电极上，在450℃下烧结，形成TiO2纳米晶电极，膜厚为1-10μm。将该电极浸入钌配合物的乙醇溶液中，回流两小时，取出后用乙醇反复淋洗，吹干。将导电率为10S/cm的聚苯胺旋涂到染料敏化后的电极上(10层)，作为固体电解质。最后用镀铂的导电玻璃为对电极，组成太阳能电池。其开路光电压为285mV，短路光电流为0.67mA/cm2，光电转换效率为0.07％。
实施例9
将导电玻璃清洗干净，用旋转涂膜的方法制备TiO2致密层。然后将TiO2溶胶均匀涂布在该电极上，在450℃下烧结，形成TiO2纳米晶电极，膜厚为1-10μm。将该电极浸入钌配合物的乙醇溶液中，回流两小时，取出后用乙醇反复淋洗，吹干。将导电率为10S/cm的聚苯胺旋涂到染料敏化后的电极上(14层)，作为固体电解质。最后用镀铂的导电玻璃为对电极，组成太阳能电池。其开路光电压为0.40mV，短路光电流为0.87mA/cm2，光电转换效率为0.14％。
实施例10
将导电玻璃清洗干净，用旋转涂膜的方法制备TiO2致密层。然后将TiO2溶胶均匀涂布在该电极上，在450℃下烧结，形成TiO2纳米晶电极，膜厚为1-10μm。将该电极浸入钌配合物的乙醇溶液中，回流两小时，取出后用乙醇反复淋洗，吹干。将导电率为10S/cm聚苯胺旋涂到染料敏化后的电极上(17层)，作为固体电解质。最后用镀铂的导电玻璃为对电极，组成太阳能电池。其开路光电压为301mV，短路光电流为0.7mA/cm2，光电转换效率为0.09％。
实施例11
将导电塑料薄膜清洗干净，用旋转涂膜的方法制备TiO2致密层。然后将TiO2溶胶均匀涂布在该电极上，在400℃下烧结，形成TiO2纳米晶电极，膜厚为1-10μm。将该电极浸入钌配合物的乙醇溶液中，回流3小时，取出后用乙醇反复淋洗，吹干。将导电率为10S/cm的聚苯胺与CuI以1∶1的质量比混合后，旋涂到染料敏化后的电极上，作为固体电解质。最后用镀铂的导电塑料薄膜为对电极，组成太阳能电池。其开路光电压为500mV，短路光电流为1.4mA/cm2，光电转换效率为0.45％。

Claims (12)

1.一种全固态纳米晶太阳能电池，包括电池的阳极、对电极和电解质；其特征是：所述的电池是以染料敏化的宽禁带半导体纳米晶电极作为阳极，以镀有铂或金的导电基片作为对电极，p型导电聚合物材料或无机/导电聚合物协同体系做电解质；
所述的染料是羧基多吡啶钌的配合物；
所述的无机/导电聚合物协同体系中导电聚合物与无机物的质量比是1∶1～100∶1。
2.如权利要求1所述的电池，其特征是：所述的阳极膜厚为1-10μm。
3.如权利要求1所述的电池，其特征是：所述的导电基片是导电玻璃或导电塑料薄膜。
4.如权利要求1所述的电池，其特征是：所述的半导体纳米材料是纳米氧化钛、纳米氧化锌或纳米氧化锡材料。
5.如权利要求1所述的电池，其特征是：所述的导电聚合物材料是聚苯胺、聚噻吩或聚吡咯。
6.如权利要求1所述的电池，其特征是：所述的无机物是LiI、CuI或CuSCN。
7.一种如权利要求1-6任意一项所述的全固态纳米晶太阳能电池的制备方法，其特征是：所述的方法步骤包括：
(1)将具有导电性的透明薄膜基片清洗干净；
(2)在步骤(1)的基片上涂布半导体纳米材料的浆状物，然后经过400℃-600℃高温烧结，制备出宽禁带半导体纳米晶薄膜；
(3)将步骤(2)的宽禁带半导体纳米晶薄膜浸入羧基多吡啶钌的配合物溶液中，放置或回流，取出后清洗干净，吹干，得到染料敏化的宽禁带纳米晶半导体电极；
(4)以染料敏化的宽禁带纳米晶半导体电极作为阳极，将镀有铂或金的导电基片作为对电极，以p型导电聚合物材料或无机/导电聚合物协同体系作为电解质，组装成全固态纳米晶太阳能电池；
所述的无机/导电聚合物协同体系中导电聚合物与无机物的质量比是1∶1～100∶1；
所述的p型导电聚合物材料或无机/导电聚合物协同体系是以滴膜或旋涂的方式涂覆在步骤(3)的阳极上作为电解质。
8.如权利要求7所述的方法，其特征是：所述的宽禁带半导体纳米晶薄膜的厚度为1-10μm。
9.如权利要求7所述的方法，其特征是：所述的导电基片是导电玻璃或导电塑料薄膜。
10.如权利要求7所述的方法，其特征是：所述的半导体纳米材料是纳米氧化钛、纳米氧化锌或纳米氧化锡材料。
11.如权利要求7所述的方法，其特征是：所述的导电聚合物材料是聚苯胺、聚噻吩或聚吡咯。
12.如权利要求7所述的方法，其特征是：所述的无机物是LiI、CuI或CuSCN。
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