CN214099420U - 一种具有微纳陷光结构的染料敏化太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种具有微纳陷光结构的染料敏化太阳能电池。其包括微纳结构纳米多孔半导体薄膜电极、电解液和对电极；微纳结构纳米多孔半导体薄膜电极和对电极被封装成密封结构，微纳结构纳米多孔半导体薄膜电极和对电极之间注有电解液；微纳结构纳米多孔半导体薄膜电极包括透明导电基底，透明导电基底上负载基于染料光敏化剂的多孔半导体薄膜层，多孔半导体薄膜层的表面构筑有微纳结构。本实用新型利用在纳米多孔半导体薄膜电极上形成的陷光结构，使染料敏化太阳能电池具备广角度光吸收性能，实现在太阳光斜入射条件下电池表面反射率的降低，从而达到提高染料敏化太阳能电池光电转换效率的目的。
Description
技术领域
本实用新型属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种具有微纳陷光结构的染料敏化太阳能电池。
背景技术
提高染料敏化太阳能电池光电转换效率，关键在于如何实现对太阳光的高效吸收以及提升电池内部电荷分离效率和电子-空穴的传输效率。提高光敏化剂的吸光率、增加其电子的激发数量是染料敏化太阳能电池中的关键技术，对电池的光电特性起到决定性的作用。
近年来，通过微纳陷光结构减少光反射进而提高太阳能电池的转化效率受到了国内外学者的广泛的观注。如W. Wei等人（W. R. Wei.et al. Nano Letters, 2013, 13(8):3658-3663）等人制备了微米量级金字塔上结合纳米量级SiNWs的双重结构，实现了11.48%的光电转化效率，反射率表征结果证实该结构具有较好的入射光角度响应；J. He等人（J.He.et al.Advanced Energy Materials, 2016, 6(8): 1501793.1一1501793.8）在厚度为20μm的c-Si上制备了一种周期性纳米锥-纳米柱(NC-NPs)双重结构阵列，实现了出色的光吸收，最终光电转化效率为12.2%；Green等人（GREEN M A. Prog Photovolt: Res Appl,2009, 17(3): 183-189.）在硅电池上制备了具有陷光效果的凹形倒置金字塔结构，并创下了当时晶硅电池的世界纪录。因此，以微纳陷光结构提高太阳能电池的光电特性是理论成熟的方法。然而，由于染料敏化太阳能电池的光阳极由流动态的浆料制备而成，陷光染料敏化太阳能电池的结构尚未被提出。
实用新型内容
针对上述技术问题，本实用新型的目的在于提供一种结构简单、能提高光电转化效率的具有理想陷光效果的染料敏化太阳能电池。
本实用新型的技术方案具体介绍如下。
一种具有微纳陷光结构的染料敏化太阳能电池，其包括微纳结构纳米多孔半导体薄膜电极、电解液和对电极；微纳结构纳米多孔半导体薄膜电极和对电极被封装成密封结构，微纳结构纳米多孔半导体薄膜电极和对电极之间注有电解液；所述微纳结构纳米多孔半导体薄膜电极包括透明导电基底，透明导电基底上负载基于染料光敏化剂的多孔半导体薄膜层，多孔半导体薄膜层的表面构筑有微纳结构，微纳结构呈金字塔形、倒金字塔形、圆柱形或锥台形中的一种或几种。
本实用新型中，透明导电基底是FTO导电玻璃。
本实用新型中，多孔半导体薄膜层所用材料为二氧化钛、氧化锌、五氧化二铌或三氧化钨。
本实用新型中，染料光敏化剂为钌基多吡啶络合物、金属卟啉、金属酞菁、吲哚以及无机量子点染料中的至少一种。
本实用新型中，对电极为铂对电极。
和现有技术相比，本实用新型有以下明显优点：
本实用新型的染料敏化太阳能电池结构简单，其采用微纳陷光薄膜电极结构，可以大大提高染料敏化太阳能电池在太阳光斜入射时其对光的吸收率，使染料敏化太阳能电池的光电转换效率得以提高。
附图说明
图1是微纳陷光结构的染料敏化太阳能电池示意图。
图中标号：1-透明导电基底、2-多孔半导体薄膜层、3-电解液、4-对电极。
图2是本实用新型实施例中UV固化胶SEM图。图2(a)-(c)是不同放大倍数的倒金字塔型结构的SEM图；图2(d)是倒金字塔型微纳结构的SEM截面图。
图3是本实用新型普通染料敏化太阳能电池、具有微纳陷光结构的染料敏化太阳能电池的光反射的示意图。图3(a)是普通染料敏化太阳能电池光反射的示意图；图3 (b)是具有微纳陷光结构的染料敏化太阳能电池光反射的示意图。
图4是普通染料敏化太阳能电池（FTO）及本实用新型具有微纳结构的染料敏化太阳能电池(FTO-PDMS)在不同光入射角下的光电转换效率图。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
如图1所示 ，一种具有微纳陷光结构的染料敏化太阳能电池，其包括微纳结构纳米多孔半导体薄膜电极、电解液3和对电极4；微纳结构纳米多孔半导体薄膜电极和对电极4被封装成密封结构，微纳结构纳米多孔半导体薄膜电极和对电极4之间注有电解液3；微纳结构纳米多孔半导体薄膜电极包括透明导电基底1，透明导电基底1上负载染料光敏化剂的多孔半导体薄膜层2，多孔半导体薄膜层2的表面构筑有微纳结构，微纳结构呈金字塔形、倒金字塔形、圆柱形或锥台形中的一种或几种。
实施例中，具有微纳陷光结构的染料敏化太阳能电池的制备方法如下：
（1）陷光结构的仿真设计。首先，使用FDTD软件构建陷光结构的物理模型。对所设计的物理模型设置光源类型为平面波，在不同的入射角， TE和TM模式下分别计算其反射率。仿真结果表明，具有倒金字塔形微纳结构在不同角度的入射光下，其都有着较低的反射率。
（2）微纳结构的制备。以激光直写进行加工为例。本实施例通过调整曝光能量、焦距、滤镜、曝光灰度，在光阻上进行曝光，通过显影，定影后得到与设计结构相同的母模具A。
将购置的FTO导电玻璃切割为合适的大小后，分别经洗洁精、去离子水、丙酮、乙醇超声清洗并烘干，将烘干的FTO导电玻璃浸入到40 mM的四氯化钛水溶液中，并在70℃下密闭保温30 min后取出，用蒸馏水及无水乙醇各冲洗一次，烘干，制取阻挡层薄膜。在UV固化胶上复制出与设计结构A凹凸相反的子模具B。测定表面结构如图2所示。采用刮涂法将TiO2浆料制备到具有模具B的玻璃基底上，随后放入马弗炉中，在450℃下，烧结60min，使UV固化胶模具分解，得到所需具有微纳结构的多孔半导体薄膜电极。
铂对电极通过热解法制得，将事先打好洞的FTO上均匀滴上5 mM的氯铂酸乙醇溶液，烘干后经400℃锻烧15 min即获得铂对电极。
（3）最后，将负载染料分子的陷光多孔半导体薄膜电极和铂对电极通过Surlyn膜隔开，真空注入电解液，封住洞口，再通过热封机密封后完成陷光染料敏化太阳能电池的组装。
图3是本实用新型普通染料敏化太阳能电池、具有微纳陷光结构的染料敏化太阳能电池的光反射的示意图。图3(a)是普通染料敏化太阳能电池光反射的示意图；图3 (b)是具有微纳陷光结构的染料敏化太阳能电池光反射的示意图。在不同角度的入射光下，对附有微纳陷光薄膜的染料敏化太阳能电池(FTO-PDMS)和普通染料敏化太阳能电池(FTO)的光电转换效率进行测试，结果如图4所示。结果表明，在不同入射光角度下，具有微纳陷光结构的染料敏化太阳能电池的光电效率得到显著提升。
Claims (4)
1.一种具有微纳陷光结构的染料敏化太阳能电池，其特征在于，其包括微纳结构纳米多孔半导体薄膜电极、电解液和对电极；微纳结构纳米多孔半导体薄膜电极和对电极被封装成密封结构，微纳结构纳米多孔半导体薄膜电极和对电极之间注有电解液；所述微纳结构纳米多孔半导体薄膜电极包括透明导电基底，透明导电基底上负载基于染料光敏化剂的多孔半导体薄膜层，多孔半导体薄膜层的表面构筑有微纳结构，微纳结构呈金字塔形、倒金字塔形、圆柱形或锥台形中的一种或几种。
2.根据权利要求1所述的具有微纳陷光结构的染料敏化太阳能电池，其特征在于，透明导电基底是FTO导电玻璃。
3.根据权利要求1所述的具有微纳陷光结构的染料敏化太阳能电池，其特征在于，多孔半导体薄膜层所用材料为二氧化钛、氧化锌、五氧化二铌或三氧化钨。
4.根据权利要求1所述的具有微纳陷光结构的染料敏化太阳能电池，其特征在于，对电极为铂对电极。
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