专利名称：太阳能电池的复合电极及其制备方法
技术领域：
本发明涉及太阳能电池领域，特别是涉及一种染料敏化太阳能电池的复合电极
及其制备方法。
背景技术：
染料敏化太阳能电池是一种模仿光合作用原理的新型电池。1991年瑞士科学家
Grfflzel等人首次利用Ti02纳米晶电极技术成功演示了转化效率达7%的染料敏化太阳能
电池。由于染料敏化太阳能电池具有制作工艺简单，制造过程绿色环保，制造成本低廉 等优点，因此受到人们的重视并得以迅速的发展。 传统的染料敏化纳米晶太阳能电池的工作电极的制备工艺为在导电基底(有透 明导电膜的玻璃)上，涂覆适当厚度的TiC^纳米颗粒并经过烧结而形成。TiC^纳米颗粒
具有相对比较大的比表面积，而且颗粒越小，比表面积越大。这样的结构可以提高其吸 附染料的有效性，从而大幅度地提高电池的效率。 然而采用传统方法制备染料敏化太阳能电池的工作电极也存在诸多问题首 先，通过涂覆Ti02纳米颗粒然后烧结而成的纳米薄膜与导电玻璃基底上的透明导电膜不 易形成良好的接触，这样导致一部分光生电子在导电基底的界面损失掉，使光生电子的 传输受到影响，从而使电池的光电转换效率降低。其次，TiC^纳米晶颗粒与导电基底 的界面接触不完全，导致局部的导电基底表面与电解质直接接触，电子与电解质中的氧 化剂发生反应，从而造成光生电子的损失。另一方面，当光照射在染料敏化太阳能电 池上，通过导电玻璃照进电池内部，照到对电极上透过导电玻璃射出去，导致一部分入 射光没有被有效利用(即被染料吸收)，降低了光的有效利用率，不利于提高光电转换效 率。
发明内容
本发明的目的是提供一种克服现有技术缺陷、能够提高太阳能电池光电转换效 率的染料敏化太阳能电池的复合电极及其制备方法。 为达到上述目的，提供一种依照本发明实施方式的染料敏化太阳能电池的复合 电极，其包括导电基片、形成于所述导电基片上的多孔状半导体电极层，以及吸附于所 述半导体电极层上的半导体纳米颗粒膜层。 优选地，所述多孔状半导体电极层为TiC^纳米孔电极层，所述半导体纳米颗粒 膜层为TiC^纳米晶颗粒膜层。 优选地，所述Ti02纳米晶颗粒膜层的厚度为50-500nm。 优选地，所述Ti02纳米孔电极层利用阳极氧化法在Ti薄膜上进行腐蚀氧化形 成。 优选地，所述Ti薄膜由沉积或溅射方法沉积而成。
优选地，半导体纳米颗粒膜层采用涂覆烧结的方法制备。
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本发明实施例还提供了一种染料敏化太阳能电池复合电极的制备方法，其包括 步骤 在导电基片上制备Ti金属膜； 利用阳极氧化法在所述Ti金属膜上形成Ti02纳米孔结构；
在所述Ti02纳米孔结构表面涂覆Ti02纳米颗粒的分散溶液；
通过烧结将所述Ti02纳米颗粒与所述Ti02纳米孔结构结合。 本发明实施例还提供了一种染料敏化太阳能电池，包括正电极、与所述正电极 相对设置的负电极、以及位于所述正电极和所述负电极之间的电解液，其中，所述正电 极包括导电基片、形成于所述导电基片上的多孔状半导体电极层，以及吸附于所述半导 体电极层上的半导体纳米颗粒膜层，其中所述半导体材料为Ti02。
优选地，所述负电极包括导电基片、以及形成于所述导电基片上的Pt薄膜。
优选地，所述导电基片包括但不限于导电玻璃或导电塑料。 上述技术方案具有如下优点通过蒸发或溅射形成的Ti薄膜可以与透明导电 波膜形成良好的界面接触，因此通过阳极氧化法制备的TiC^纳米孔结构后，在透明导电 基底与纳米TiC^层形成了良好的界面接触，有效地避免了光电子在透明导电基底与纳米 Ti02层界面的输运损失。整个工作电极是由Ti02纳米孔结构以及Ti02纳米颗粒组成的， 它们之间的接触良好，利于电子更好地传输，从而可以提高光电转换效率。同时，Ti02 纳米孔结构可以对入射光起到漫反射层的作用。当光入射进入电池结构中被漫反射，因 此在电池中的传播时间更长，从而增大了光被染料吸收的概率，提高入射光的利用率。
图1是本发明实施例的染料敏化太阳能电池的复合电极结构示意图； 图2是本发明实施例的染料敏化太阳能电池的复合电极在不同制备阶段的结构
示意图； 图3是本发明实施例的染料敏化太阳能电池的结构示意图。
其中，1 :导电基片；2a : Ti薄膜；2 : Ti02薄膜；3 : Ti02纳米孔结构；4 : Ti02纳米晶颗粒膜层；5 :电解液；6 : Pt薄膜；7 :导电基片。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式
作进一步详细描述。以下实 施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。 如图l所示，依照本发明实施方式提供了一种染料敏化太阳能电池的复合电 极，其包括导电基片l、形成于所述导电基片l上的Ti薄膜2a、形成于所述Ti薄膜2a上 的Ti02纳米孔结构3、以及吸附于所述Ti02纳米孔结构3上的Ti02纳米晶颗粒膜层4。 优选地，所述TiC^纳米晶颗粒膜层4的厚度为50-500nm。所述Ti薄膜2a由沉积或溅射 方法形成，利用阳极氧化法在Ti薄膜2a上进行腐蚀氧化形成所述Ti02纳米孔结构3，在 该Ti02纳米孔结构3上涂覆Ti02纳米晶颗粒形成所述Ti02纳米晶颗粒膜层4。所述导 电基片1可以是导电玻璃或导电塑料或者其他透明的导电性材料。该实施例选择透明导 电玻璃。
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如图2(a)-(d)所示为本发明实施例的染料敏化太阳能电池的复合电极在不同制备 阶段的结构示意图。首先在导电基片l上形成Ti薄膜2a，可以选择通过蒸发或者溅射来 形成。透明导电基片1采用日本Nippon Sheet Glass公司的FTO导电玻璃。导电基片1 先后经过在乙醇和丙酮中超声清洗，然后用W气使之干燥。将其放入磁控溅射腔中，在 Ar气气氛中进行，溅射Ti薄膜2a，溅射功率IOOOW，衬底温度为室温，溅射的沉积速 率为10nm/min。最终在导电基片1的表面沉积了厚度为400nm的致密Ti薄膜2a，如图 2(a)所示。 然后进行阳极氧化工艺制备Ti02纳米孔结构3。将溅射了 Ti薄膜2a的导电基片 l接直流恒压电源源正极，铂片接负极，放入腐蚀溶液中进行阳极氧化操作。腐蚀溶液为 0.5wt^的HF溶液，正负电极间电压为20V，加电压时间为30min。 保证溅射了Ti薄膜 2a的导电基片1和铂片之间距离大约为2cm。实验结束取出溅射了 Ti薄膜2a的导电基 片l，迅速放入去离子水中清洗，并用N2气枪使之干燥。经过扫描电子显微镜观测，纳 米孔径约100nm，深度约200nm，在纳米孔底与导电基片1之间留存约100nm厚的Ti薄 膜2a，形成TiC^纳米孔结构3，如图2(b)所示。 接着制备Ti02浆料。本实施例中，将德国Degussa公司生产的TiO2P25颗粒0.2g 放入10ml去离子水中，并将其置于O.lml曲拉通X-100溶液中充分搅拌至溶液呈现半透 明状态形成TiC^浆料。然后在Ti02纳米孔结构3上涂布TiC^纳米晶颗粒。将经过阳极 氧化法腐蚀之后放入去离子水中的溅射了 Ti薄膜2a的导电基片1从去离子水中取出，干 燥后使用丝网印刷机丝印Ti02纳米颗粒，丝网印刷机的丝网为300目。将溅射了Ti薄 膜2a的导电基片1放置于丝网印刷机的载台上，对准丝网上事先制好的可通过浆料的图 形，盖上丝网，用刮刀沾Ti02浆料用力在丝网的图形上均匀刮涂TiC^浆料。TiOj内米 孔结构3上丝印了 Ti02纳米颗粒分散溶液后如图2(c)所示。 丝网印刷操作后取下导电基片1，将导电基片1置于马弗炉中45(TC下灼烧一个 小时，控制升降温速度为1°C/min。灼烧后的结构如图2(d)所示，TiC^纳米颗粒吸附于 TiC^纳米孔结构3上，并且纳米孔与导电基片之间的Ti薄膜2a也氧化为TiC^薄膜2。这 样，染料敏化太阳能电池的复合电极的制备完成。 如图3所述为本发明实施例的染料敏化太阳能电池的结构示意图。所述染料敏 化太阳能电池包括正电极、与所述正电极相对设置的负电极、以及位于所述正电极和所 述负电极之间的电解液5。所述正电极采用以上述方法制备的复合电极，所述负电极包括 导电基片7、以及形成于所述导电基片7上的Pt薄膜。所述Pt膜可以通过溅射或蒸镀形 成于所述导电基片7上，或者通过旋涂H^tCle的溶液经过灼烧形成透明的Pt电极。其 中所述导电基片7可以采取和所述导电基片1同样的材料。 由以上实施例可以看出，本发明实施例通过蒸发或溅射形成的Ti薄膜可以与 FTO导电玻璃形成良好的界面接触，因此通过阳极氧化法制备TiC^纳米孔结构后，在透 明导电基底与纳米TiC^层形成了良好的界面接触，有效地避免了光电子在透明导电基底 与纳米Ti02层界面的输运损失。整个工作电极是由Ti02纳米孔结构以及Ti02纳米颗粒 组成的，它们之间的接触良好，利于电子更好地传输，从而可以提高光电转换效率。同 时，Ti02纳米孔结构可以对入射光起到漫反射层的作用。当光入射进入电池结构中被漫 反射，因此在电池中的传播时间更长，从而增大了光被染料吸收的概率，提高入射光的利用率。 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术 人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进 和变型也应视为本发明的保护范围。
权利要求
一种染料敏化太阳能电池的复合电极，其特征在于，所述复合电极包括导电基片、形成于所述导电基片上的多孔状半导体电极层，以及吸附于所述半导体电极层上的半导体纳米颗粒膜层。
2. 如权利要求1所述的染料敏化太阳能电池的复合电极，其特征在于，所述多孔状半 导体电极层为Ti02纳米孔电极层，所述半导体纳米颗粒膜层为Ti02纳米晶颗粒膜层。
3. 如权利要求2所述的染料敏化太阳能电池的复合电极，其特征在于，所述Ti03内 米晶颗粒膜层的厚度为50-500nm。
4. 如权利要求2所述的染料敏化太阳能电池的复合电极，其特征在于，所述Ti03内 米孔电极层利用阳极氧化法在Ti薄膜上进行腐蚀氧化形成。
5. 如权利要求4所述的染料敏化太阳能电池的复合电极，其特征在于，所述Ti薄膜 由沉积或溅射方法形成。
6. 如权利要求l-5任一项所述的染料敏化太阳能电池的复合电极，其特征在于，半导 体纳米颗粒膜层采用涂覆烧结的方法制备。
7. —种染料敏化太阳能电池复合电极的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括 步骤在导电基片上制备Ti金属膜；利用阳极氧化法在所述Ti金属膜上形成Ti02纳米孔结构； 在所述Ti02纳米孔结构表面涂覆Ti02纳米颗粒的分散溶液； 通过烧结将所述Ti02纳米颗粒与所述Ti02纳米孔结构结合。
8. —种染料敏化太阳能电池，包括正电极、与所述正电极相对设置的负电极、以及 位于所述正电极和所述负电极之间的电解液，其特征在于，所述正电极所述正电极为权 利要求1-5任一项所述的复合电极。
9. 如权利要求8所述的染料敏化太阳能电池，其特征在于，所述负电极包括导电玻璃 基片、以及形成于所述导电玻璃基片上的Pt薄膜。
10. 如权利要求8或9所述的染料敏化太阳能电池，其特征在于，所述导电基片包括 导电玻璃或导电塑料。
全文摘要
本发明公开了一种染料敏化太阳能电池的复合电极，其包括导电基片、形成于所述导电基片上的多孔状半导体电极层，以及吸附于所述半导体电极层上的半导体纳米颗粒膜层。本发明的技术方案通过蒸发或溅射形成的Ti薄膜可以与透明导电波膜形成良好的界面接触，因此通过阳极氧化法制备的TiO2纳米孔结构后，在透明导电基底与纳米TiO2层形成了良好的界面接触，有效地避免了光电子在透明导电基底与纳米TiO2层界面的输运损失。整个工作电极是由TiO2纳米孔结构以及TiO2纳米颗粒组成的，它们之间的接触良好，利于电子更好地传输，从而可以提高光电转换效率。
文档编号H01G9/042GK101692411SQ200910093999
公开日2010年4月7日 申请日期2009年10月9日 优先权日2009年10月9日
发明者刘力锋, 印海友, 康晋锋, 张天舒, 王旭, 王漪 申请人:北京大学