專利名稱：基于樹枝狀化合物的染料敏化納米晶太陽能電池及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于太陽能電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種染料敏化納米晶太陽能電池及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的飛速發(fā)展，能源與環(huán)境已經(jīng)成為21世紀迫切需要解決的關(guān)鍵問題之一。太陽能是取之不盡的綠色資源，是解決這個問題的最佳途徑，因此世界各國紛紛競相開展如何利用太陽能的研究，其中太陽能電池是其中重要的分支之一。目前太陽能電池的應(yīng)用主要集中在基于半導體光伏效應(yīng)的單晶硅和非硅太陽能電池，它雖然光電轉(zhuǎn)換效率高，但是工藝復雜、價格昂貴、材料要求苛刻，因而難于普及。二十世紀九十年代，瑞士洛桑大學的M.Grtzel教授研究出了染料敏化納米晶太陽能電池(參見國際專利申請WO91/16719)，該染料敏化納米晶太陽能電池可以克服硅太陽能電池的缺點，具有制作工藝簡單、材料純度要求不高、價格低廉等優(yōu)點，已經(jīng)成為該領(lǐng)域的研究熱點。
染料敏化納米晶太陽能電池采用表面吸附光敏劑的寬禁帶半導體的納米晶膜為工作電極，由于納米晶膜具有非常大的比表面積，可以吸附大量的光敏劑，從而可以有效的吸收太陽光。染料敏化納米晶太陽能電池的工作原理當染料吸收太陽光時，電子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)的電子迅速轉(zhuǎn)移到半導體的導帶中，而空穴留在染料中，電子隨后經(jīng)納米半導體網(wǎng)絡(luò)擴散至導電基底，經(jīng)過外電路轉(zhuǎn)移至對電極，而氧化態(tài)的染料被還原態(tài)的電解質(zhì)還原，氧化態(tài)的電解質(zhì)在對電極接受電子被還原，從而完成電子的運輸過程。
目前，染料敏化納米晶太陽能電池的電解質(zhì)主要采用含有I3-/I2氧化還原電對的乙腈溶液，但是液體電解質(zhì)存在溶劑揮發(fā)和泄漏的問題。為了克服這些缺點，逐漸發(fā)展成為含有某些凝膠化試劑的準固態(tài)電解質(zhì)，在一定程度上改善了電池的穩(wěn)定性。
為了完全解決太陽能電池的穩(wěn)定性，全固態(tài)電解質(zhì)是最佳的選擇。目前固態(tài)電解質(zhì)主要采用固態(tài)聚合物、p-型無機半導體、有機空穴傳輸材料等，但是全固態(tài)電解質(zhì)的離子傳導性急劇下降，效果并不理想，因此，如何提高固態(tài)電解質(zhì)的染料敏化納米晶太陽能電池的效率成為染料敏化納米晶太陽能電池的重要發(fā)展方向。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種電池效率高、使用壽命長的染料敏化納米晶太陽能電池及其制備方法。
本發(fā)明提出的染料敏化納米晶太陽能電池，其全固態(tài)電解質(zhì)組裝在吸附有光敏化劑的寬禁帶半導體納米晶膜的表面上，代替常規(guī)的液體電解質(zhì)，并與鍍有鉑層的導電玻璃組成夾心形狀，其中染料敏化納米晶膜為工作電極，鍍鉑層的導電玻璃為對電極，并用熱封膠進行簡單封裝，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其中，全固態(tài)電解質(zhì)中加入有樹枝狀化合物，樹枝狀化合物在全固態(tài)電解質(zhì)中的質(zhì)量含量為1-10％。
本發(fā)明中，所述的樹枝狀化合物可以選用1-3代聚芐基型、聚酰胺型、聚丙烯亞胺型等之一種，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。
本發(fā)明的寬禁帶半導體納米晶膜采用二氧化鈦納米晶膜，光敏化劑采用順式-二硫氰酸根-二(4，4’-二羧酸-2，2’聯(lián)吡啶)合釕cis-dithiocyanato bis(4，4’dicarboxy-2，2’-bipyridine)ruthenium(簡稱N3染料)和順式-二硫氰酸根-4，4’-二羧酸-2，2’聯(lián)吡啶-4，4’-二壬基-2，2’聯(lián)吡啶合釕cis-dithiocyanato 4，4’-dicarboxy-2，2’-bipyridine-4，4’-dinonyl-2，2’-bipyridineruthenium(簡稱Z907染料)本發(fā)明中，離子液體選自1，2-二烷基咪唑的碘鹽，烷基選自甲基、乙基一直到十八烷基。
本發(fā)明中，上述導電玻璃可以采用摻氟的二氧化錫導電玻璃。
本發(fā)明還提出了染料敏化納米晶太陽能電池的制備方法，其步驟如下在經(jīng)過染料敏化的寬禁帶半導體納米晶膜的表面上組裝全固態(tài)電解質(zhì)，然后將鍍鉑的導電玻璃放在染料敏化的半導體納米晶膜上，即構(gòu)成夾心型染料敏化納米晶太陽能電池，并用熱封膠進行封裝。
上述方法中，寬禁帶半導體納米晶膜采用納米二氧化鈦晶膜。
上述方法中，半導體納米晶膜的制備方法如下將粒度為10-100納米的二氧化鈦膠體涂布在透明的導電基片上形成寬禁帶納米二氧化鈦晶膜，在200-600℃下焙燒15分鐘至12小時，冷卻后重復操作直至得到1-50微米的寬禁帶納米二氧化鈦晶膜。其中透明的導電基片采用摻氟的二氧化錫導電玻璃。
上述方法中，染料敏化如下將寬禁帶納米二氧化鈦晶膜放入烘箱中于100-250℃下加熱10-120分鐘，當冷卻到25-100℃時浸入到濃度為在10-5-10-3摩爾/升的N3或者Z907染料中2-48小時敏化。
上述方法中，組裝全固態(tài)電解質(zhì)的步驟如下將電解質(zhì)組成成分I2、LiI、4-叔丁基吡啶分別溶解到1，3-二烷基咪唑碘鹽中，其濃度分別為I2的濃度為0.05-0.5摩爾/升，LiI的濃度為0.05-0.5摩爾/升，4-叔丁基吡啶的濃度為0.1-1.0摩爾/升，待混合均勻后，加入樹枝狀化合物，電解質(zhì)迅速固化，其中樹枝狀化合物的質(zhì)量含量為1-10％。
上述方法中，所述1，3-二烷基咪唑碘鹽的烷基為甲基、乙基一直到十八烷基等。
上述方法中，所述樹枝狀化合物選自1-3代聚芐基醚型、聚酰胺型，聚丙烯亞胺型等。
本發(fā)明的染料敏化納米晶太陽能電池的光電化學測量按照傳統(tǒng)的三電極體系測量，照射光源為1000W太陽能模擬器(1.5AM)(Oriel，USA)。光電流和光電壓輸出通過Keithley2400數(shù)字源表(美國Keithley公司)測量。
本發(fā)明提出的染料敏化納米晶太陽能電池，其全固態(tài)電解質(zhì)用樹枝狀化合物作為填充材料，可避免液體電解質(zhì)中溶劑的泄漏與揮發(fā)，明顯提高染料敏化納米晶太陽能電池的的轉(zhuǎn)換效率，延長使用壽命。
圖1本發(fā)明的染料敏化納米晶太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2樹枝狀化合物的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3基于10％的一代聚丙烯亞胺型樹枝狀化合物的全固態(tài)電解質(zhì)的染料敏化納米晶太陽能電池的光電流-光電壓曲線。
圖4基于3％的二代聚丙烯亞胺型樹枝狀化合物的全固態(tài)電解質(zhì)的染料敏化納米晶太陽能電池的光電流-光電壓曲線。
圖5基于1％的三代聚丙烯亞胺型樹枝狀化合物的全固態(tài)電解質(zhì)的染料敏化納米晶太陽能電池的光電流-光電壓曲線。
圖6基于10％的一代聚酰胺型的固態(tài)電解質(zhì)樹枝狀化合物的染料敏化納米晶太陽能電池的光電流-光電壓曲線。
圖7基于3％的二代聚酰胺型樹枝狀化合物的全固態(tài)電解質(zhì)的染料敏化納米晶太陽能電池的光電流-光電壓曲線。
圖8基于1％的三代聚酰胺型樹枝狀化合物的全固態(tài)電解質(zhì)的染料敏化納米晶太陽能電池的光電流-光電壓曲線。
圖9基于3％的二代聚芐基醚型樹枝狀化合物的全固態(tài)電解質(zhì)的染料敏化納米晶太陽能電池的光電流-光電壓曲線。
圖中標號1為導電玻璃，2為半導體納米晶膜，3為光敏化劑，4為固體電解質(zhì)，5為鉑層，6為導電玻璃。
具體實施例方式
實施例1將一個二氧化鈦納米晶膜電極在5×10-4摩爾/升N3染料的乙醇溶液中浸泡24小時敏化。滴加0.1毫升含有0.05摩爾/升I2，0.5摩爾/升4-叔丁基吡啶，0.5摩爾/升LiI，10％的一代聚丙烯亞胺型樹枝狀化合物的1-甲基-3-丙基-咪唑碘鹽固態(tài)電解質(zhì)，然后將一片鍍鉑的ITO玻璃放在染料敏化的的納米二氧化鈦晶膜上，用夾子夾緊進行測量。在100mW/cm2的白光照射下測得電極的開路光電壓569mV、短路光電流2.8mA/cm2、填充因子0.64、能量轉(zhuǎn)換效率1.0％。
實施例2將一個二氧化鈦納米晶膜電極在5×10-4摩爾/升N3染料的乙醇溶液中浸泡24小時敏化。滴加0.1毫升含有0.5摩爾/升I2，0.5摩爾/升4-叔丁基吡啶，0.05摩爾/升LiI，3％的二代聚丙烯亞胺型樹枝狀化合物的1-甲基-3-丙基-咪唑碘鹽固態(tài)電解質(zhì)，然后將一片鍍鉑的ITO玻璃放在染料敏化的的納米二氧化鈦晶膜上，用熱封膠進行封裝后進行測量。在100mW/cm2的白光照射下測得電極的開路光電壓589mV、短路光電流4.6mA/cm2、填充因子0.51、能量轉(zhuǎn)換效率1.8％。
實施例3將一個二氧化鈦納米晶膜電極在5×10-4摩爾/升N3染料的乙醇溶液中浸泡24小時敏化。滴加0.1毫升含有0.1摩爾/升I2，1.0摩爾/升4-叔丁基吡啶，0.2摩爾/升LiI，1％的三代聚丙烯亞胺型樹枝狀化合物的1-甲基-3-丙基-咪唑碘鹽固態(tài)電解質(zhì)，然后將一片鍍鉑的ITO玻璃放在染料敏化的的納米二氧化鈦晶膜上，用熱封膠進行封裝后進行測量。在100mW/cm2的白光照射下測得電極的開路光電壓468mV、短路光電流3.0mA/cm2、填充因子0.42、能量轉(zhuǎn)換效率0.59％。
實施例4將一個二氧化鈦納米晶膜電極在5×10-4摩爾/升Z907染料的乙醇溶液中浸泡24小時敏化。滴加0.1毫升含有0.1摩爾/升I2，0.1摩爾/升4-叔丁基吡啶，0.1摩爾/升LiI，1％的一代聚酰胺型樹枝狀化合物的1-甲基-3-己基-咪唑碘鹽固態(tài)電解質(zhì)，然后將一片鍍鉑的ITO玻璃放在染料敏化的的納米二氧化鈦晶膜上，用熱封膠進行封裝后進行測量。在100mW/cm2的白光照射下測得電極的開路光電壓569mV、短路光電流2.5mA/cm2、填充因子0.59、能量轉(zhuǎn)換效率0.83％。
實施例5將一個二氧化鈦納米晶膜電極在5×10-4摩爾/升Z907染料的乙醇溶液中浸泡24小時敏化。滴加0.1毫升含有0.1摩爾/升I2，0.5摩爾/升4-叔丁基吡啶，0.4摩爾/升LiI，3％的二代聚酰胺型樹枝狀化合物的1-甲基-3-己基-咪唑碘鹽固態(tài)電解質(zhì)，然后將一片鍍鉑的ITO玻璃放在染料敏化的的納米二氧化鈦晶膜上，用熱封膠進行封裝后進行測量。在100mW/cm2的白光照射下測得電極的開路光電壓618mV、短路光電流3.4mA/cm2、填充因子0.65、能量轉(zhuǎn)換效率1.35％。
實施例6將一個二氧化鈦納米晶膜電極在5×10-4摩爾/升Z907染料的乙醇溶液中浸泡24小時敏化。滴加0.1毫升含有0.1摩爾/升I2，0.5摩爾/升4-叔丁基吡啶，0.5摩爾/升LiI，1％的三代聚酰胺型樹枝狀化合物的1-甲基-3-十八烷基-咪唑碘鹽固態(tài)電解質(zhì)，然后將一片鍍鉑的ITO玻璃放在染料敏化的的納米二氧化鈦晶膜上，用熱封膠進行封裝后進行測量。在100mW/cm2的白光照射下測得電極的開路光電壓483mV、短路光電流3.0mA/cm2、填充因子0.41、能量轉(zhuǎn)換效率0.59％。
實施例7將一個二氧化鈦納米晶膜電極在5×10-4摩爾/升N3染料的乙醇溶液中浸泡24小時敏化。滴加0.1毫升含有0.1摩爾/升I2，0.5摩爾/升4-叔丁基吡啶，0.08摩爾/升LiI，3％的二代聚芐基醚型樹枝狀化合物的1-甲基-3-丙基-咪唑碘鹽固態(tài)電解質(zhì)，然后將一片鍍鉑的ITO玻璃放在染料敏化的的納米二氧化鈦晶膜上，用熱封膠進行封裝后進行測量。在100mW/cm2的白光照射下，開路光電壓429mV、短路光電流1.1mA/cm2、填充因子0.55、能量轉(zhuǎn)換效率0.20％。
上述實施例1-7的太陽能電池的光電流-光電壓曲線分別見圖3-圖9所示。
權(quán)利要求
1.一種染料敏化納米晶太陽能電池，其特征在于在吸附光敏化劑的寬禁帶半導體納米晶膜的表面上組裝全固態(tài)電解質(zhì)，并與鍍有鉑層的導電玻璃組成夾心形狀；其中，染料敏化納米晶膜為工作電極，鍍鉑層的導電玻璃為對電極；全固態(tài)電解質(zhì)以樹枝狀化合物為填充材料，填充材料的質(zhì)量含量為全固態(tài)電解質(zhì)的1-10％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的染料敏化納米晶太陽能電池，其特征在于樹枝狀化合物選自1-3代的聚芐基醚型、聚酰胺型、聚丙烯亞胺型之一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的染料敏化納米晶太陽能電池，其特征在于寬禁帶半導體納米晶膜為二氧化鈦納米晶膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的染料敏化納米晶太陽能電池，其特征在于所說的光敏化劑為N3或者Z907染料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的染料敏化納米晶太陽能電池，其特征在于離子液體選自1，2-二烷基咪唑的碘鹽，烷基選自甲基、乙基一直到十八烷基。
6.一種如權(quán)利要求1-5之一所述的染料敏化納米晶太陽能電池的制備方法，其特征在于在經(jīng)過染料敏化的寬禁帶半導體納米晶膜的表面上組裝全固態(tài)電解質(zhì)，然后將鍍鉑的導電玻璃放在染料敏化的半導體納米晶膜上，即構(gòu)成夾心型染料敏化納米晶太陽能電池，并用熱封膠進行封裝。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的染料敏化納米晶太陽能電池的制備方法，其特征在于組裝全固態(tài)電解質(zhì)的電解質(zhì)組成成分為I2的濃度為0.05-0.5摩爾/升，LiI的濃度為0.1-2.0摩爾/升，4-叔丁基吡啶的濃度為0.1-1.0摩爾/升，溶劑為1，3-二烷基咪唑碘鹽，待混合均勻后，加入樹枝狀化合物，電解質(zhì)迅速固化，其中樹枝狀化合物的質(zhì)量含量為1-10％。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的染料敏化納米晶太陽能電池的制備方法，其特征在于半導體納米晶膜的制備步驟如下將粒度為1-50納米的二氧化鈦膠體涂布在透明的導電基片上，形成寬禁帶納米二氧化鈦晶膜，在200-600℃下焙燒15分鐘至12小時，冷卻后重復操作直至得到1-50微米的寬禁帶納米二氧化鈦晶膜。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的染料敏化納米晶太陽能電池的制備方法，其特征在于納米晶膜的敏化步驟為將寬禁帶納米二氧化鈦晶膜放入烘箱中于100-250℃下加熱10-120分鐘，當冷卻到25-100℃時浸入到濃度為在10-5-10-3摩爾/升的N3或者Z907染料中2-48小時敏化。
全文摘要
本發(fā)明屬于太陽能電池技術(shù)領(lǐng)域，具體為一類全固態(tài)電解質(zhì)以樹枝狀化合物為填充材料的染料敏化納米晶太陽能電池及其制備方法。該太陽能電池中，在吸附光敏化劑的寬禁帶半導體納米晶膜的表面組裝全固態(tài)電解質(zhì)來代替液體電解質(zhì)，該電解質(zhì)以樹枝狀化合物為填充材料，解決了溶劑的泄漏與揮發(fā)，能夠明顯延長太陽能電池的使用壽命。
文檔編號H01L51/40GK1738072SQ200510029330
公開日2006年2月22日 申請日期2005年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月1日
發(fā)明者楊紅, 李富友, 黃春輝 申請人:復旦大學