專利名稱:染料敏化太陽能電池及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及新能源領(lǐng)域,特別是涉及一種利用納米顆粒表面等離子效應(yīng)的染料敏化太陽能電池及其制作方法。
背景技術(shù):
隨著化石燃料的逐漸耗盡,以及伴隨化石燃料的使用所帶來的溫室效應(yīng)日漸加重,具環(huán)保價(jià)值的新能源的開發(fā)成為迫不容緩的事。由于太陽能為源源不絕和潔凈不產(chǎn)生環(huán)境污染的能源,各國科學(xué)家致力于開發(fā)各種不同材料的太陽能電池以用于生活中的各種電器或電子產(chǎn)品。1991年瑞士洛桑高等工業(yè)學(xué)院的研究小組將納米晶體多空薄膜引入染料敏化電池中,使其效率提升到了百分之一以上,逐漸成為最有希望得到應(yīng)用的新型太陽電池之一。長久以來轉(zhuǎn)換效率相對低下一直是染料敏化電池發(fā)展的主要瓶頸。為了進(jìn)一步加強(qiáng)染料敏化太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率,需要找到一種有效促進(jìn)光吸收的方法。采用Au/PVP核殼納米顆粒正是利用了表面等離子體效應(yīng)來增強(qiáng)光吸收效率和光電轉(zhuǎn)化效率。表面等離子體(Surface Plasmons, SPs)是指在金屬表面存在的自由振動(dòng)的電子與光子相互作用產(chǎn)生的沿著金屬表面?zhèn)鞑サ碾娮邮杳懿?。在兩種半無限大、各向同性介質(zhì)構(gòu)成的界面,介質(zhì)的介電常數(shù)是正的實(shí)數(shù),金屬的介電常數(shù)是實(shí)部為負(fù)的復(fù)數(shù)。根據(jù)maxwell方程,結(jié)合邊界條件和材料的特性,可以計(jì)算得出表面等離子體的場分布和色散特性。表面 等離子體是目前納米光電子學(xué)科的一個(gè)重要的研究方向,它受到了包括物理學(xué)家,化學(xué)家,材料學(xué)家,生物學(xué)家等多個(gè)領(lǐng)域人士的極大的關(guān)注。隨著納米技術(shù)的發(fā)展,表面等離子體被廣泛研究用于光子學(xué),數(shù)據(jù)存儲(chǔ),顯微鏡,太陽能電池和生物傳感等方面。
發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是如何提高燃料敏化太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率的問題。(二)技術(shù)方案為了解決上述技術(shù)問題,本發(fā)明提供一種染料敏化太陽能電池,包括透明電極和對電極及位于所述透明電極和對電極之間的電解質(zhì)層;所述透明電極的內(nèi)側(cè)表面設(shè)有納米多孔半導(dǎo)體薄膜,所述透明電極的外側(cè)設(shè)有透明襯底,所述對電極的外側(cè)設(shè)有對透明襯底;所述電解質(zhì)層包括電解液和染料敏化劑的混合液體;所述納米多孔半導(dǎo)體薄膜中吸附有具有表面等離子體效應(yīng)的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒。其中,所述核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒包括PVP有機(jī)物殼體和內(nèi)嵌于所述PVP有機(jī)物殼體內(nèi)部的金屬核體。其中,所述金屬核體的直徑為5 100nm,所述PVP有機(jī)物殼體的厚度為0.5 10nm。其中,所述金屬核體采用金屬金、銀、鋁或鉬材料制成。其中,所述納米多孔半導(dǎo)體薄膜采用二氧化鈦納米多孔材料制成。
其中,所述透明電極為FTO電極,所述對電極為Pt電極。本發(fā)明還提供一種染料敏化太陽能電池的制作方法,包括以下步驟:S1、制備核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒溶膠;S2、在透明襯底的表面整鍍一層透明導(dǎo)電材料形成透明電極;S3、以旋涂甩膠的方式將納米多孔半導(dǎo)體漿料旋涂至所述透明電極的表面,高溫加熱使納米多孔半導(dǎo)體漿料燒結(jié)為納米多孔半導(dǎo)體薄膜;S4、將透明襯底、透明電極和納米多孔半導(dǎo)體薄膜整體投入染料敏化劑中,并保證納米多孔半導(dǎo)體薄膜完全浸沒在染料敏化劑中足夠的時(shí)間,以使染料敏化劑的染料分子充分吸附于納米多孔半導(dǎo)體薄膜上;S5、再以滴定或旋涂的方式在納米多孔半導(dǎo)體薄膜上滴入上述SI中制得的核殼納米顆粒溶膠,即可得到吸附于納米多孔半導(dǎo)體薄膜中的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒的電池基坯;S6、再通過蒸鍍或?yàn)R射的方式在對透明襯底的表面覆蓋一層金屬鉬電極作為對電極,并采用熱封膠將所述對電極與所述電池基坯粘合,最后注入電解液,至此形成了染料敏化太陽電池。其中,所述步驟SI中制備核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒溶膠的方法,包括以下步驟:S1 '、將含有金屬元素溶液的氧化劑和還原劑溶液發(fā)生氧化還原反應(yīng),并在恒溫條件下以固定轉(zhuǎn)速頻率攪拌,充分反應(yīng)后保持?jǐn)嚢锠顟B(tài)下自然冷卻至室溫,得到金屬納米顆粒溶膠;S2 '、將PVP顆粒溶于水中形成PVP分子溶膠;S3 '、將上述的金屬納米顆粒溶膠和PVP分子溶膠混合后在常溫條件下連續(xù)攪拌十個(gè)小時(shí)以上,得到在PVP有機(jī)物殼體內(nèi)嵌金屬核體的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒溶膠。本發(fā)明還提供一種染料敏化太陽能電池的制作方法,包括以下步驟:S10、制備核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒溶膠;S20、在透明襯底的表面整鍍一層透明導(dǎo)電材料形成透明電極;S30、將將納米多孔半導(dǎo)體漿料和步驟SlO中制得的核殼納米顆粒溶膠混合均勻后,以旋涂甩膠的方式涂至所述透明電極的表面,并在紫外光下照射使其固化形成吸附有核殼納米顆粒的多孔半導(dǎo)體薄膜;S40、將透明襯底、透明電極和納米多孔半導(dǎo)體薄膜整體投入染料敏化劑中,并保證納米多孔半導(dǎo)體薄膜完全浸沒在染料敏化劑中足夠的時(shí)間,以使染料敏化劑的染料分子充分吸附于納米多孔半導(dǎo)體薄膜上,即可得到吸附于納米多孔半導(dǎo)體薄膜中的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒的電池基坯;S50、再通過蒸鍍或?yàn)R射的方式在對透明襯底表面覆蓋一層金屬鉬電極作為對電極,并采用 熱封膠將所述對電極與所述電池基坯粘合,最后注入電解液,至此形成了染料敏化太陽電池。其中,所述步驟SlO中的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒溶膠的制備方法,包括以下步驟:SlO '、將含有金屬元素溶液的氧化劑和還原劑溶液發(fā)生氧化還原反應(yīng),并在恒溫條件下以固定轉(zhuǎn)速頻率攪拌,充分反應(yīng)后保持?jǐn)嚢锠顟B(tài)下自然冷卻至室溫,得到金屬納米顆粒溶膠;S20 ,、將PVP顆粒溶于水中形成PVP分子溶膠;S30 ,、將上述的金屬納米顆粒溶膠和PVP分子溶膠混合后在常溫條件下連續(xù)攪拌十個(gè)小時(shí)以上,得到在PVP有機(jī)物殼體內(nèi)嵌金屬核體的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒溶膠。(三)有益效果上述技術(shù)方案提供的一種染料敏化太陽能電池及其制作方法,在納米多孔半導(dǎo)體薄膜中吸附有表面具有等離子體效應(yīng)的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒,在太陽光照射下,可激勵(lì)起局域表面等離子體振蕩,擴(kuò)寬吸收光譜,從而增強(qiáng)電池對可見光波段太陽光的吸收;同時(shí)核殼結(jié)構(gòu)顆??梢栽鰪?qiáng)對入射光的散射,降低入射光的透射與全反射,核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒的添加提聞了電池整體的光吸收效率,最終達(dá)到提聞染料敏化太陽電池的光電轉(zhuǎn)化效率的目的。進(jìn)一步地,核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒采用包裹于金屬核體外層的PVP有機(jī)物殼體,可有效減少金屬顆粒對電子-空穴對的復(fù)合,降低金屬損耗,并且通過設(shè)計(jì)、制備具有特定參數(shù)的核殼結(jié)構(gòu),例如調(diào)整介質(zhì)殼層厚度,可以獲得對不同波長具有表面等離子體諧振增強(qiáng)特性的納米顆粒,最終實(shí)現(xiàn)對既定波長吸收增強(qiáng)的高效率染料敏化太陽電池;且可對直徑為1-4納米的小分子,例如染料分子,有較強(qiáng)的吸附性和粘附性,從而大量的染料分子將被吸附在核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒表面,從而使盡可能多的染料分子處于局域表面等離子體(LSP)的光場增強(qiáng)的有效范圍內(nèi),達(dá)到LSP增強(qiáng)染料分子光吸收特性的最佳效果;可以增強(qiáng)所吸附的染料分子31處于激發(fā)態(tài)的壽命,進(jìn)而增強(qiáng)染料敏化電池中載流子的產(chǎn)生幾率,提高電池整體的光電特性;在特定的溶液環(huán)境下,如弱酸性溶液,可具有電活性特性,能夠傳輸負(fù)離子和電子,從而可以導(dǎo)出附著在PVP有機(jī)物殼體表面的染料分子所產(chǎn)生的自由電子至光陽極,達(dá)到增強(qiáng)染料敏化電池光電特性的目的。
圖1是本發(fā)明一種染料敏化太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖;圖2是本發(fā)明中核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒的結(jié)構(gòu)示意圖。其中:1、透明電極;2、對電極;3、電解質(zhì)層;31、染料分子;4、納米多孔半導(dǎo)體薄膜;5、透明襯底;6、對透明襯底;7、核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒;71、金屬核體;72、PVP有機(jī)物殼體。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例,對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明,但不用來限制本發(fā)明的范圍。如圖1,本發(fā)明的一種染料敏化太陽能電池,包括透明電極I和對電極2及位于該透明電極I和對電極2之間的電解質(zhì)層3 ;透明電極2的內(nèi)側(cè)表面設(shè)有納米多孔半導(dǎo)體薄膜4,透明電極I的外側(cè)設(shè)有透明襯底5,對電極2的外側(cè)設(shè)有對透明襯底6 ;電解質(zhì)層3包括電解液和染料敏化劑的混合液體;納米多孔半導(dǎo)體薄膜4中吸附有具有表面等離子體效應(yīng)的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒7。如圖2,核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒7包括PVP (聚乙烯基吡咯烷酮)有機(jī)物殼體72和內(nèi)嵌于PVP有機(jī)物殼體72內(nèi)部的金屬核體71。金屬核體71的直徑為5 100nm,PVP有機(jī)物殼體的厚度為0.5 10nm。金屬核體71采用金屬金、銀、鋁或鉬材料制成。納米多孔半導(dǎo)體薄膜4采用二氧化鈦納米多孔材料制成。透明電極I為FTO電極,對電極2為Pt電極。本發(fā)明還提供一種染料敏化太陽能電池的制作方法,包括以下步驟:S1、制備核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒溶膠;S2、在透明襯底5表面整鍍一層透明導(dǎo)電材料形成透明電極I ;S3、以旋涂甩膠的方式將納米多孔半導(dǎo)體漿料旋涂至透明電極I的表面,高溫加熱使納米多孔半導(dǎo)體漿料燒結(jié)為納米多孔半導(dǎo)體薄膜4 ;S4、將透明襯底5、透明電極I和納米多孔半導(dǎo)體薄膜4整體投入染料敏化劑中,并保證納米多孔半導(dǎo) 體薄膜4完全浸沒在染料敏化劑中足夠的時(shí)間,以使染料敏化劑中的染料分子31充分吸附于納米多孔半導(dǎo)體薄膜4上;
S5、再以滴定或旋涂的方式在納米多孔半導(dǎo)體薄膜4上滴入上述SI中制得的核殼納米顆粒溶膠,即可得到吸附于納米多孔半導(dǎo)體薄膜4中的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒7的電池基坯;S6、再通過蒸鍍或?yàn)R射的方式在對透明襯底6的表面覆蓋一層金屬鉬(Pt)電極作為對電極2,并采用熱封膠將對電極2與電池基坯粘合,最后注入電解液,至此形成了染料敏化太陽電池。其中,步驟SI中制備核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒溶膠的方法,包括以下步驟:SI '、將含有金屬元素溶液的氧化劑和還原劑溶液發(fā)生氧化還原反應(yīng),并在恒溫條件下以固定轉(zhuǎn)速頻率攪拌,充分反應(yīng)后保持?jǐn)嚢锠顟B(tài)下自然冷卻至室溫,得到金屬納米顆粒溶膠;S2 ,、PVP顆粒溶于水中形成PVP分子溶膠;S3 ,、將上述的金屬納米顆粒溶膠和PVP分子溶膠混合后在常溫條件下連續(xù)攪拌十個(gè)小時(shí)以上,得到在PVP有機(jī)物殼體72內(nèi)嵌金屬核體71的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒溶膠。本發(fā)明提供的另一種染料敏化太陽能電池的制作方法,包括以下步驟:S10、制備核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒溶膠;S20、在透明襯底5的表面整鍍一層透明導(dǎo)電材料形成透明電極I ;S30、將將納米多孔半導(dǎo)體漿料和步驟SlO中制得的核殼納米顆粒溶膠混合均勻后,以旋涂甩膠的方式涂至透明電極I的表面,并在紫外光下照射使其固化形成吸附有核殼納米顆粒7的多孔半導(dǎo)體薄膜3 ;
S40、將透明襯底5、透明電極I和納米多孔半導(dǎo)體薄膜4整體投入染料敏化劑中,并保證納米多孔半導(dǎo)體薄膜4完全浸沒在染料敏化劑中足夠的時(shí)間,以使染料敏化劑的染料分子31充分吸附于納米多孔半導(dǎo)體薄膜4上,即可得到吸附于納米多孔半導(dǎo)體薄膜4中的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒7的電池基坯;S50、再通過蒸鍍或?yàn)R射的方式在對透明襯底6的表面覆蓋一層金屬鉬電極作為對電極2,并采用熱封膠將對電極2與電池基坯粘合,最后注入電解液,至此形成了染料敏化太陽電池。其中,步驟SlO中的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒溶膠的制備方法,包括以下步驟:SlO '、將含有金屬元素溶液的氧化劑和還原劑溶液發(fā)生氧化還原反應(yīng),并在恒溫條件下以固定轉(zhuǎn)速頻率攪拌,充分反應(yīng)后保持?jǐn)嚢锠顟B(tài)下自然冷卻至室溫,得到金屬納米顆粒溶膠;S20 ,、PVP顆粒溶于水中形成PVP分子溶膠;S30 '、將上述的金屬納米顆粒溶膠和PVP分子溶膠混合后在常溫條件下連續(xù)攪拌十個(gè)小時(shí)以上,得到在PVP有機(jī)物殼體內(nèi)嵌金屬核體的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒溶膠。列舉幾個(gè)具體的實(shí)施例如下:實(shí)施例一:實(shí)施例一中選用以金為內(nèi)核、外層包裹PVP的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒(Au/PVP),并通過滴定旋涂法制備包含有Au/PVP的染料敏化電池。Au/PVP制備方法主要分為三步:1.制備金溶膠;2.制備PVP水溶液;3.將I與2混合反應(yīng)得到Au/Ti02。金納米顆粒制備方法采用氯金酸溶液與檸檬酸鈉溶液發(fā)生氧化還原反應(yīng),該實(shí)施例中選用10-4mol/L的氯金酸溶液200mL與4*10-2mol/L的檸檬酸鈉溶液2mL,在恒溫100攝氏度下以500轉(zhuǎn)/分鐘的頻率攪拌,充分反應(yīng)15-20分鐘后保持?jǐn)嚢锠顟B(tài)下自然冷卻至室溫,即得到金納米顆粒溶膠,其平均直徑約為15-100nm ;將分子量為10000-30000的PVP顆粒溶于水形成PVP水溶液;將得到的PVP水溶液和之前的金溶膠混合后并在常溫下以700轉(zhuǎn)/分鐘的速度攪拌24小時(shí),即可得到以金為內(nèi)核、外層包裹PVP的金-聚乙烯吡咯烷酮核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒溶膠,其金內(nèi)核約為15-100nm,PVP層厚度約0.5_5nm。制備含有Au/PVP核殼納米顆粒染料敏化太陽電池,首先需要在石英或玻璃基底表面蒸鍍一層透明導(dǎo)電材料,然后在400轉(zhuǎn)/分鐘-1000轉(zhuǎn)/分鐘的條件下以旋涂甩膠的方式將納米多孔半導(dǎo)體薄膜漿料,旋涂至透明導(dǎo)電材料表面上,高溫加熱使?jié){料燒結(jié)為薄膜,其厚度在500納米-10微米。而后整體投入染料敏化劑中,保證納米多孔半導(dǎo)體薄膜完全浸沒在染料敏化劑中足夠的時(shí)間,使染料分子充分吸附于納米多孔半導(dǎo)體薄膜結(jié)構(gòu)上,再以滴定或旋涂的方式在納米多孔半導(dǎo)體薄膜上滴入上述方法制得的Au/PVP核殼納米顆粒溶膠,Au/PVP的質(zhì)量濃度比為2%-15%,即可得到包含于納米多孔半導(dǎo)體薄膜中的Au/PVP核殼納米顆粒結(jié)構(gòu)電池基坯;再通過蒸鍍或?yàn)R射的方式在另一塊石英或玻璃基底表面覆蓋一層金屬鉬電極作為對電極,將對電極與已經(jīng)制備完成的電池基坯使用熱封膠粘合,再注入電解液,至此完成了含有Au/PVP核殼納米顆粒染料敏化太陽電池的制備。實(shí)施 例二:實(shí)施例二中選用以金為內(nèi)核、外層包裹PVP的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒(Au/PVP),并通過紫外固化法制備包含有Au/PVP的染料敏化電池。Au/PVP制備方法主要分為三步:1.制備金溶膠;2.制備PVP水溶液;3.將I與2混合反應(yīng)得到Au/Ti02。金納米顆粒制備方法采用氯金酸溶液與檸檬酸鈉溶液發(fā)生氧化還原反應(yīng),該實(shí)施例中選用10-4mol/L的氯金酸溶液200mL與4*10-2mol/L的檸檬酸鈉溶液2mL,在恒溫100攝氏度下以500轉(zhuǎn)/分鐘的頻率攪拌,充分反應(yīng)15-20分鐘后保持?jǐn)嚢锠顟B(tài)下自然冷卻至室溫,即得到金納米顆粒溶膠,其平均直徑約為15-100nm ;將分子量為10000-30000的PVP顆粒溶于水形成PVP水溶液;將得到的PVP水溶液和之前的金溶膠混合后并在常溫下以700轉(zhuǎn)/分鐘的速度攪拌24小時(shí),即可得到以金為內(nèi)核、外層包裹PVP的金-聚乙烯吡咯烷酮核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒溶膠,其金內(nèi)核約為15-100nm,PVP層厚度約0.5_5nm。制備含有Au/PVP核殼納米顆粒染料敏化太陽電池,首先需要在石英或玻璃基底表面蒸鍍一層透明導(dǎo)電材料,然后將上述制備好的Au/PVP納米顆粒溶膠與納米多孔半導(dǎo)體薄膜漿料混合均勻,Au/PVP的質(zhì)量濃度比為2%-15%,再在400轉(zhuǎn)/分鐘-1000轉(zhuǎn)/分鐘的條件下旋涂甩膠的方式將納米多孔半導(dǎo)體薄膜漿料,旋涂至透明導(dǎo)電材料表面上,接下來用紫外光照射12-24小時(shí),使納米多孔半導(dǎo)體漿料固化為納米多孔半導(dǎo)體薄膜,而后整體投入一定濃度的染料敏化劑中,保證納米多孔半導(dǎo)體薄膜完全浸沒在染料敏化劑中足夠的時(shí)間,使染料分子充分吸附于納米多孔半導(dǎo)體薄膜結(jié)構(gòu)上,即可得到包含于納米多孔半導(dǎo)體薄膜中的Au/PVP核殼納米顆粒結(jié)構(gòu)電池基坯;再通過蒸鍍或?yàn)R射的方式在另一塊石英或玻璃基底表面覆蓋一層金屬鉬電極作為對電極,使用熱封膠將對電極二者與電池基坯粘合,再注入電解液,至此完成了含有Au/PVP核殼納米顆粒染料敏化太陽電池的制備。實(shí)施例三:實(shí)施例三中選用以銀為內(nèi)核、外層包裹PVP的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒(Ag/PVP)并通過滴定旋涂法制備包含有Ag/PVP的染料敏化電池。Ag/PVP制備方法主要分為三步:1.制備銀溶膠;2.制備PVP水溶液;3.將I與2混合反應(yīng)得到Ag/Ti02。銀納米顆粒制備方法采用硝酸銀溶液與檸檬酸鈉溶液發(fā)生氧化還原反應(yīng),該實(shí)施例中選用10-4mol/L的硝酸銀溶液200mL與4*10-2mol/L的檸檬酸鈉溶液2mL,在恒溫100攝氏度下以500轉(zhuǎn)/分鐘的頻率攪拌,充分反應(yīng)15-20分鐘后保持?jǐn)嚢锠顟B(tài)下自然冷卻至室溫,即得到銀納米顆粒溶膠,其平均直徑約為15-100nm ;將分子量為10000-30000的PVP顆粒溶于水形成PVP水溶液;將得到的PVP水溶液和之前的銀溶膠混合后并在常溫下以700轉(zhuǎn)/分鐘的速度攪拌24小時(shí),即可得到以銀為內(nèi)核、外層包裹PVP的銀-聚乙烯吡咯烷酮核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒溶膠,其銀內(nèi)核約為 15-100nm,PVP 層厚度約 0.5_5nm。制備含有Ag/PVP核殼納米顆粒染料敏化太陽電池,首先需要在石英或玻璃基底表面蒸鍍一層透明導(dǎo)電材料,然后在400轉(zhuǎn)/分鐘-1000轉(zhuǎn)/分鐘的條件下以旋涂甩膠的方式將納米多孔半導(dǎo)體薄膜漿料旋涂至透明導(dǎo)電材料表面上,高溫加熱使?jié){料燒結(jié)為薄膜,而后整體投入染料敏化劑中,保證納米多孔半導(dǎo)體薄膜完全浸沒在染料敏化劑中足夠的時(shí)間,使染料分子充分吸附于納米多孔半導(dǎo)體薄膜結(jié)構(gòu)上,再以滴定或旋涂的方式在納米多孔半導(dǎo)體薄膜上滴入上述方法制得的Ag/PVP核殼納米顆粒溶膠,Ag/PVP的質(zhì)量濃度比為2%-15%,即可得到包含于納米多孔半導(dǎo)體薄膜中的Ag/PVP核殼納米顆粒結(jié)構(gòu)電池基坯;再通過蒸鍍或?yàn)R射的方式在另一塊石英或玻璃基底表面覆蓋一層金屬鉬電極作為對電極2,將對電極2與已經(jīng)制備完成的電池基坯使用熱封膠粘合,再注入電解液,至此完成了含有Ag/PVP核殼納米顆粒染料敏化太陽電池的制備。實(shí)施例四:實(shí)施例四中選用以銀為內(nèi)核、外層包裹PVP的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒(Ag/PVP)并通過紫外固化法制備包含有Ag/PVP的染料敏化電池。Ag/PVP制備方法主要分為三步:1.制備銀溶膠;2.制備PVP水溶液·;3.將I與2混合反應(yīng)得到Ag/Ti02。銀納米顆粒制備方法采用硝酸銀溶液與檸檬酸鈉溶液發(fā)生氧化還原反應(yīng),該實(shí)施例中選用10-4mol/L的硝酸銀溶液200mL與4*10-2mol/L的檸檬酸鈉溶液2mL,在恒溫100攝氏度下以500轉(zhuǎn)/分鐘的頻率攪拌,充分反應(yīng)15-20分鐘后保持?jǐn)嚢锠顟B(tài)下自然冷卻至室溫,即得到銀納米顆粒溶膠,其平均直徑約為15-100nm ;將分子量為10000-30000的PVP顆粒溶于水形成PVP水溶液;將得到的PVP水溶液和之前的銀溶膠混合后并在常溫下以700轉(zhuǎn)/分鐘的速度攪拌24小時(shí),即可得到以銀為內(nèi)核、外層包裹PVP的銀-聚乙烯吡咯烷酮核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒溶膠,其銀內(nèi)核約為 15-100nm,PVP 層厚度約 0.5_5nm。制備含有Ag/PVP核殼納米顆粒染料敏化太陽電池,首先需要在石英或玻璃基底表面蒸鍍一層透明導(dǎo)電材料,然后將上述制備好的Ag/PVP納米顆粒溶膠與納米多孔半導(dǎo)體薄膜漿料混合均勻,Ag/PVP的質(zhì)量濃度比為2%-15%,再以旋涂甩膠的方式在400轉(zhuǎn)/分鐘-1000轉(zhuǎn)/分鐘的條件下將納米多孔半導(dǎo)體薄膜漿料,旋涂至透明導(dǎo)電材料表面上,接下來用紫外光照射12-24小時(shí),使納米多孔半導(dǎo)體漿料固化為納米多孔半導(dǎo)體薄膜,而后整體投入一定濃度的染料敏化劑中,保證納米多孔半導(dǎo)體薄膜完全浸沒在染料敏化劑中足夠的時(shí)間,使染料分子充分吸附于納米多孔半導(dǎo)體薄膜結(jié)構(gòu)上,即可得到包含于納米多孔半導(dǎo)體薄膜中的Ag/PVP核殼納米顆粒結(jié)構(gòu)電池基坯;再通過蒸鍍或?yàn)R射的方式在另一塊石英或玻璃基底表面覆蓋一層金屬鉬電極作為對電極,使用熱封膠將對電極二者與電池基坯粘合,再注入電解液,至此完成了含有Ag/PVP核殼納米顆粒染料敏化太陽電池的制備。實(shí)施例五:實(shí)施例五中選用以金為內(nèi)核、外層包裹PVP的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒(Au/PVP)和以銀為內(nèi)核、外層包裹PVP的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒(Ag/PVP),并通過滴定旋涂法制備包含有Au/PVP和Ag/PVP兩種納米顆粒的染料敏化電池。Au/PVP制備方法與實(shí)施例一中的相同或相近,Ag/PVP制備方法與實(shí)施例三中的相同或相近。將兩種制備完成的納米顆粒溶膠混合并攪拌均勻后,即可得到Au/PVP和Ag/PVP的混合核殼納米顆粒溶膠。制備同時(shí)包含有Au/PVP核殼納米顆粒和Ag/PVP核殼納米顆粒染料敏化太陽電池,首先需要在石英或玻璃基底表面蒸鍍一層透明導(dǎo)電材料,然后在400轉(zhuǎn)/分鐘-1000轉(zhuǎn)/分鐘的條件下以旋涂甩膠的方式將納米多孔半導(dǎo)體薄膜漿料旋涂至透明導(dǎo)電材料表面上,高溫加熱使?jié){料燒結(jié)為薄膜,而后整體投入染料敏化劑中,保證納米多孔半導(dǎo)體薄膜完全浸沒在染料敏化劑中足夠的時(shí)間,使染料分子充分吸附于納米多孔半導(dǎo)體薄膜結(jié)構(gòu)上,再以滴定或旋涂的方式在納米多孔半導(dǎo)體薄膜上滴入上述方法制得的混合核殼納米顆粒溶膠,混合納米顆粒的質(zhì)量濃度比為2%-15%,即可得到包含于納米多孔半導(dǎo)體薄膜中的混合核殼納米顆粒結(jié)構(gòu)電 池基坯;再通過蒸鍍或?yàn)R射的方式在另一塊石英或玻璃基底表面覆蓋一層金屬鉬電極作為對電極,將對電極與已經(jīng)制備完成的電池基坯使用熱封膠粘合,再注入電解液,至此完成了同時(shí)包含Au/PVP和Ag/PVP核殼納米顆粒染料敏化太陽電池的制備。實(shí)施例六:實(shí)施例六中選用以金為內(nèi)核、外層包裹PVP的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒(Au/PVP)和以銀為內(nèi)核、外層包裹PVP的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒(Ag/PVP),并通過紫外固化法制備包含有Au/PVP和Ag/PVP兩種納米顆粒的染料敏化電池。Au/PVP制備方法與實(shí)施例一中的相同或相近,Ag/PVP制備方法與實(shí)施例三中的相同或相近。將兩種制備完成的納米顆粒溶膠混合并攪拌均勻后,即可得到Au/PVP和Ag/PVP的混合核殼納米顆粒溶膠。制備同時(shí)包含有Au/PVP核殼納米顆粒和Ag/PVP核殼納米顆粒染料敏化太陽電池,首先需要在石英或玻璃基底表面蒸鍍一層透明導(dǎo)電材料,然后將納米多孔半導(dǎo)體薄膜漿料與上述制得的Au/PVP和Ag/PVP混合核殼納米顆粒溶膠共混并攪拌均勻,混合納米顆粒的質(zhì)量濃度比為2%-15%,再以旋涂甩膠的方式在400轉(zhuǎn)/分鐘-1000轉(zhuǎn)/分鐘的條件下將納米多孔半導(dǎo)體薄膜漿料旋涂至透明導(dǎo)電材料表面上,接下來用紫外光照射12-24小時(shí),使納米多孔半導(dǎo)體漿料固化為納米多孔半導(dǎo)體薄膜,而后整體投入染料敏化劑中,保證納米多孔半導(dǎo)體薄膜完全浸沒在染料敏化劑中足夠的時(shí)間,使染料分子充分吸附于納米多孔半導(dǎo)體薄膜結(jié)構(gòu)上,即可得到包含于納米多孔半導(dǎo)體薄膜中的混合核殼納米顆粒結(jié)構(gòu)電池基坯;再通過蒸鍍或?yàn)R射的方式在另一塊石英或玻璃基底表面覆蓋一層金屬鉬電極作為對電極,將對電極與已經(jīng)制備完成的電池基坯使用熱封膠粘合,再注入電解液,至此完成了同時(shí)包含Au/PVP和Ag/PVP核殼納米顆粒染料敏化太陽電池的制備。上述四種染料敏化太陽能電池的制作方法中不限于金-PVP核殼顆粒與銀-PVP核殼顆粒,還可以是以Pt、Al、Cu等金屬為內(nèi)核,以其他聚乙烯系列的有機(jī)聚合物、環(huán)氧基樹脂材料、聚二甲基硅氧烷等為殼層的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒。上述技術(shù)方案所提供的染料敏化太陽能電池及其制作方法,具有以下優(yōu)點(diǎn):
1、利用核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒4表面等離子體效應(yīng)的染料敏化太陽電池,其核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒4位于納米多孔半導(dǎo)體薄膜處,在太陽光照射下,可激勵(lì)起局域表面等離子體振蕩,擴(kuò)寬吸收光譜,從而增強(qiáng)電池對可見光波段太陽光的吸收;同時(shí)核殼結(jié)構(gòu)顆粒可以增強(qiáng)對入射光的散射,降低入射光的透射與全反射。核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒的添加能提高電池整體的光吸收效率,最終達(dá)到提高染料敏化太陽電池的光電轉(zhuǎn)化效率的目的。2、包裹于金屬核體71外層的PVP有機(jī)物殼體72,可有效減少金屬顆粒對電子-空穴對的復(fù)合,降低金屬損耗,并且通過設(shè)計(jì)、制備具有特定參數(shù)的核殼結(jié)構(gòu),例如調(diào)整介質(zhì)殼層厚度,可以獲得對不同波長具有表面等離子體諧振增強(qiáng)特性的納米顆粒,最終實(shí)現(xiàn)對既定波長吸收增強(qiáng)的高效率染料敏化太陽電池。3、包裹于金屬核體71外層的PVP有機(jī)物殼體72,可對直徑為1_4納米的小分子,例如染料分子,有較強(qiáng)的吸附性和粘附性,從而大量的染料分子將被吸附在核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒表面,從而使盡可能多的染料分子處于局域表面等離子體(LSP)的光場增強(qiáng)的有效范圍內(nèi),達(dá)到LSP增強(qiáng)染料分子光吸收特性的最佳效果。4、包裹于金屬核體71外層的PVP有機(jī)物殼體72,可以增強(qiáng)所吸附的染料分子31處于激發(fā)態(tài)的壽命,進(jìn)而增強(qiáng)染料敏化電池中載流子的產(chǎn)生幾率,提高電池整體的光電特性。5、包裹于金屬核體71外層的PVP有機(jī)物殼體72,在特定的溶液環(huán)境下,如弱酸性溶液,可具有電活性特性,能夠傳輸負(fù)離子和電子,從而可以導(dǎo)出附著在PVP有機(jī)物殼體72表面的染料分子31所產(chǎn)生的自由電子至光陽極,達(dá)到增強(qiáng)染料敏化電池光電特性的目的。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式,應(yīng)當(dāng)指出,對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說,在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理 的前提下,還可以做出若干改進(jìn)和替換,這些改進(jìn)和替換也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種染料敏化太陽能電池,其特征在于,包括透明電極和對電極及位于所述透明電極和對電極之間的電解質(zhì)層;所述透明電極的內(nèi)側(cè)表面設(shè)有納米多孔半導(dǎo)體薄膜,所述透明電極的外側(cè)設(shè)有透明襯底,所述對電極的外側(cè)設(shè)有對透明襯底;所述電解質(zhì)層包括電解液和染料敏化劑的混合液體;所述納米多孔半導(dǎo)體薄膜中吸附有具有表面等離子體效應(yīng)的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒。
2.如權(quán)利要求1所述的染料敏化太陽能電池,其特征在于,所述核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒包括PVP有機(jī)物殼體和內(nèi)嵌于所述PVP有機(jī)物殼體內(nèi)部的金屬核體。
3.如權(quán)利要求2所述的染料敏化太陽能電池,其特征在于,所述金屬核體的直徑為5 lOOnm,所述PVP有機(jī)物殼體的厚度為0.5 10nm。
4.如權(quán)利要求2所述的染料敏化太陽能電池,其特征在于,所述金屬核體采用金屬金、銀、招或鉬材料制成。
5.如權(quán)利要求1所述的染料敏化太陽能電池,其特征在于,所述納米多孔半導(dǎo)體薄膜采用二氧化鈦納米多孔材料制成。
6.如權(quán)利要求1所述的 染料敏化太陽能電池,其特征在于,所述透明電極為FTO電極,所述對電極為Pt電極。
7.一種染料敏化太陽能電池的制作方法,其特征在于,包括以下步驟: 51、制備核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒溶膠; 52、在透明襯底的表面整鍍一層透明導(dǎo)電材料形成透明電極; 53、以旋涂甩膠的方式將納米多孔半導(dǎo)體漿料旋涂至所述透明電極的表面,高溫加熱使納米多孔半導(dǎo)體漿料燒結(jié)為納米多孔半導(dǎo)體薄膜; 54、將透明襯底、透明電極和納米多孔半導(dǎo)體薄膜整體投入染料敏化劑中,并保證納米多孔半導(dǎo)體薄膜完全浸沒在染料敏化劑中足夠的時(shí)間,以使染料敏化劑的染料分子充分吸附于納米多孔半導(dǎo)體薄膜上; 55、再以滴定或旋涂的方式在納米多孔半導(dǎo)體薄膜上滴入上述SI中制得的核殼納米顆粒溶膠,即可得到吸附于納米多孔半導(dǎo)體薄膜中的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒的電池基坯; 56、再通過蒸鍍或?yàn)R射的方式在對透明襯底的表面覆蓋一層金屬鉬電極作為對電極,并采用熱封膠將所述對電極與所述電池基坯粘合,最后注入電解液,至此形成了染料敏化太陽電池。
8.如權(quán)利要求7所述染料敏化太陽能電池的制作方法,其特征在于,所述步驟SI中制備核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒溶膠的方法,包括以下步驟: 51'、將含有金屬元素溶液的氧化劑和還原劑溶液發(fā)生氧化還原反應(yīng),并在恒溫條件下以固定轉(zhuǎn)速頻率攪拌,充分反應(yīng)后保持?jǐn)嚢锠顟B(tài)下自然冷卻至室溫,得到金屬納米顆粒溶膠; 52'將PVP顆粒溶于水中形成PVP分子溶膠; 53'、將上述的金屬納米顆粒溶膠和PVP分子溶膠混合后在常溫條件下連續(xù)攪拌十個(gè)小時(shí)以上,得到在PVP有機(jī)物殼體內(nèi)嵌金屬核體的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒溶膠。
9.一種染料敏化太陽能電池的制作方法,其特征在于,包括以下步驟: S10、制備核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒溶膠; S20、在透明襯底表面整鍍一層透明導(dǎo)電材料形成透明電極;S30、將將納米多孔半導(dǎo)體漿料和步驟SlO中制得的核殼納米顆粒溶膠混合均勻后,以旋涂甩膠的方式涂至所述透明電極的表面,并在紫外光下照射使其固化形成吸附有核殼納米顆粒的多孔半導(dǎo)體薄膜; S40、將透明襯底、透明電極和納米多孔半導(dǎo)體薄膜整體投入染料敏化劑中,并保證納米多孔半導(dǎo)體薄膜完全浸沒在染料敏化劑中足夠的時(shí)間,以使染料敏化劑的染料分子充分吸附于納米多孔半導(dǎo)體薄膜上,即可得到吸附于納米多孔半導(dǎo)體薄膜中的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒的電池基坯; S50、再通過蒸鍍或?yàn)R射的方式在對透明襯底的表面覆蓋一層金屬鉬電極作為對電極,并采用熱封膠將所述對電極與所述電池基坯粘合,最后注入電解液,至此形成了染料敏化太陽電池。
10.如權(quán)利要求9所述的染料敏化太陽能電池的制作方法,其特征在于,所述步驟SlO中的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒溶膠的制備方法,包括以下步驟: SlO '、將含有金屬元素溶液的氧化劑和還原劑溶液發(fā)生氧化還原反應(yīng),并在恒溫條件下以固定轉(zhuǎn)速頻率攪拌,充分反應(yīng)后保持?jǐn)嚢锠顟B(tài)下自然冷卻至室溫,得到金屬納米顆粒溶膠; S20 '、將PVP顆粒溶于水中形成PVP分子溶膠; S30 '、將上述的金屬納米顆粒溶膠和PVP分子溶膠混合后在常溫條件下連續(xù)攪拌十個(gè)小時(shí)以上,得到在PVP有機(jī)物殼體內(nèi)嵌金屬核體的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒溶膠。
全文摘要
本發(fā)明涉及新能源技術(shù)領(lǐng)域,本發(fā)明公開了一種染料敏化太陽能電池,其包括透明電極和對電極及位于所述透明電極和對電極之間的電解質(zhì)層;所述透明電極的內(nèi)側(cè)表面設(shè)有納米多孔半導(dǎo)體薄膜,所述透明電極的外側(cè)設(shè)有透明襯底,所述對電極的外側(cè)設(shè)有對透明襯底;所述電解質(zhì)層包括電解液和染料敏化劑的混合液體;所述納米多孔半導(dǎo)體薄膜中吸附有具有表面等離子體效應(yīng)的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒。其中,所述核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒包括PVP有機(jī)物殼體和內(nèi)嵌于所述PVP有機(jī)物殼體內(nèi)部的金屬核體。本發(fā)明的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒的添加提高了電池整體的光吸收效率,最終達(dá)到提高染料敏化太陽電池的光電轉(zhuǎn)化效率的目的。
文檔編號(hào)H01G9/042GK103236350SQ20121036591
公開日2013年8月7日 申請日期2012年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月27日
發(fā)明者劉仿, 許騏, 黃翊東, 奧良彰, 遷村訖裕 申請人:清華大學(xué), 羅姆股份有限公司