一種新型染料敏化太陽能電池及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種太陽能電池，尤其涉及一種開路電壓較高的新型染料敏化太陽能電池及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，人們對能源的需求量在迅速的增加，傳統(tǒng)的石油、天然氣等礦物能源儲量有限，枯竭的必然性已被人們所共識。由于對這些礦物能源的大量使用，導(dǎo)致二氧化碳過量排放，環(huán)境問題日益嚴(yán)重。為了解決能源環(huán)境危機(jī)，人們迫切需求清潔、無污染、儲量巨大的可再生能源。如:風(fēng)能、水能、太陽能等。其中太陽能是各種可再生能源中最重要、最豐富的基本能源，不受地域的限制。我國太陽能分布廣泛，資源豐富，全國總面積2/3的地區(qū)年日照時間超2000小時。每年我國陸地接受的太陽能輻射總量相當(dāng)于24000億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。利用太陽能的形式有很多種，其中太陽能電池能夠把太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能，被認(rèn)為是最有效的利用太陽能的方式。因此太陽能電池在我國的應(yīng)用前景廣泛。
[0003]1954年，貝爾實驗室成功設(shè)計出第一個實用硅系太陽能電池，其光電效率達(dá)到了6%，標(biāo)志著實用化太陽能電池研究的開始。截止目前，制備工藝最成熟且轉(zhuǎn)化效率最高的為單晶硅太陽能電池，光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)23 %，然而其復(fù)雜的制備工藝和高昂的單晶硅價格，使得單晶硅太陽能電池難以大面積的應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)和人們?nèi)粘Ｉ钪小榱私鉀Q這一主要矛盾，人們制得了非晶硅太陽能電池，非晶硅太陽能電池制作成本較低，轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到17.4%，但非晶硅材料穩(wěn)定性差，易引發(fā)光電效率衰退效應(yīng)，影響了非晶硅電池的實際應(yīng)用。
[0004]鑒于硅系太陽能電池的不足，人們不斷研制著其他材料的太陽能電池，無機(jī)多元化合物太陽能電池應(yīng)運而生，無機(jī)多元化合物主要包括GaAs等II1- V族化合物，CdS等I1-VI族化合物等。這類電池具有制作成本低、效率高、工藝簡單易于工業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)勢。但是Ga、Cd等都是重金屬，毒性很大，會嚴(yán)重污染環(huán)境，有待于進(jìn)一步的研究。
[0005]廉價新材料的制備及制造工藝的簡化一直是太陽能電池發(fā)展過程中科學(xué)家研究的重點。染料敏化太陽能電池(DSSC)是新一代的光伏器件，它的原理主要是模仿光合作用。由于其制備簡單、綠色環(huán)保、廉價高效等優(yōu)點在過去的十幾年被全世界的科學(xué)家廣泛的研究。傳統(tǒng)的染料敏化太陽能電池主要由導(dǎo)電玻璃、吸附了染料的N-型半導(dǎo)體薄膜(作為電池的光陽極，一般為T12)、電解液(一般為含有I3和I氧化還原電對的有機(jī)溶液)、對電極金屬Pt (又稱光陰極)組成。這種電池的核心部件是吸附了染料的N-型半導(dǎo)體薄膜，因此這種電池又被稱作N-型DSSC，是一種類似“三明治”式的夾層結(jié)構(gòu)。其工作原理為染料吸收太陽光后由基態(tài)躍迀到激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)的染料分子與1102薄膜的表面接觸，上面的電子立即注入到1102的導(dǎo)帶中，激發(fā)態(tài)的染料自身失去電子，即被氧化。注入在導(dǎo)帶中的電子后被收集到導(dǎo)電玻璃上，然后電子流經(jīng)外電路回到光陰極，在光陰極上，電子在Pt的催化下，將I3還原為I，I在濃度差的驅(qū)動下擴(kuò)散到光陽極附近，將氧化態(tài)的染料還原成基態(tài)，同時I被重新氧化為I 3而完成一個循環(huán)。這種傳統(tǒng)的N-型DSSC的開路電壓是由N-型半導(dǎo)體的費米能級與電解液中氧化還原電位的能級之差決定的，限制了開路電壓，且傳統(tǒng)的N-型DSSC是使用金屬Pt作為對電極，然而Pt是一種昂貴稀有金屬，不利于傳統(tǒng)的N-型DSSC的實際應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是提供一種開路電壓較高的新型染料電池及其制備方法。
[0007]本發(fā)明的新型染料敏化太陽能電池，包括由密封材料封裝的兩相向設(shè)置的導(dǎo)電基底，分別形成在兩所述導(dǎo)電基底相對面上含光敏染料的N型半導(dǎo)體氧化物的光陽極和P型半導(dǎo)體氧化物的光陰極，以及填充于兩所述導(dǎo)電基底之間的電解液，所述P型半導(dǎo)體氧化物為 NiCo2O4O
[0008]進(jìn)一步的，兩所述導(dǎo)電基底為摻雜氟的SnO^明導(dǎo)電玻璃。
[0009]進(jìn)一步的，所述導(dǎo)電基底的厚度為l_3mm。
[0010]進(jìn)一步的，所述N型半導(dǎo)體氧化物為T12。
[0011]進(jìn)一步的，所述密封材料為熱封膜。
[0012]上述的新型染料敏化太陽能電池的制備方法，包括如下步驟:
[0013]S1、導(dǎo)電基底的清洗
[0014]取兩片摻雜氟的SnO2透明導(dǎo)電玻璃作為導(dǎo)電基底，并在其中一片上開兩個孔口，將兩片導(dǎo)電基底分別在丙酮、酒精、去離子水中超聲清洗干凈，干燥備用；
[0015]S2、光陽極的制備
[0016]在摻雜氟的31102透明導(dǎo)電玻璃的導(dǎo)電面上覆蓋T12膠體，并燒結(jié)處理；
[0017]S3、光陰極的制備
[0018]制備NiCo2O4膠體，將打孔的摻雜氟的SnO 2透明導(dǎo)電玻璃的導(dǎo)電面上覆蓋NiCo 204膠體，分別水浴反應(yīng)3小時和6小時后，用去離子水和酒精清洗干凈，干燥并燒結(jié)處理；
[0019]S4、將光陽極和光陰極浸入到光敏染料中浸泡處理后，用無水乙醇清洗并烘干，然后用熱封膜進(jìn)行封裝，注入電解液，再使用熱封膜和摻雜氟的31102透明導(dǎo)電玻璃將光陰極的兩孔口封住，靜置后即可。
[0020]進(jìn)一步的，所述步驟S3中將六水合硝酸鎳、六水合硝酸鈷、尿素按摩爾比為1:2:40依次加入到去離子水中，攪拌形成所述NiCo2O4膠體。
[0021]進(jìn)一步的，所述步驟S3中水浴溫度為80 °C。
[0022]進(jìn)一步的，所述步驟S2中將前驅(qū)體溶液與聚四氟乙烯按體積比為2:5混合后形成所述T12膠體，所述前驅(qū)體溶液由去離子水、鹽酸、鈦酸四正丁酯按體積比為40:20:1混合無水檸檬酸攪拌形成。
[0023]進(jìn)一步的，所述光敏染料為N719染料。
[0024]本發(fā)明制備的新型染料敏化太陽能電池，將吸附了染料的N型半導(dǎo)體氧化物T12為光陽極和吸附了染料的P型半導(dǎo)體氧化物NiCo2O4為光陰極，使得同一片電池中，在光照下，光陽極和光陰極同時發(fā)生載流子迀移反應(yīng)，形成了串聯(lián)工作機(jī)制，使得這種新型染料敏化太陽能電池的開路電壓相比于傳統(tǒng)的N型染料敏化太陽能電池有了顯著的提高。
[0025]本發(fā)明的有益效果在于:傳統(tǒng)的N型DSSC是使用金屬Pt作為對電極，然而Pt是一種昂貴稀有金屬，不利于傳統(tǒng)的N型DSSC的實際應(yīng)用。本發(fā)明將P型半導(dǎo)體取代貴金屬Pt，組裝成PN型DSSC，一方面豐富了染料敏化太陽能電池結(jié)構(gòu)的設(shè)計內(nèi)容，降低了 DSSC的制造成本，另一方面突破了傳統(tǒng)N型DSSC的開路電壓限制，且本發(fā)明的新型染料敏化太陽能電池中的光陽極和光陰極制備簡單易操作，對設(shè)備要求低，價格低廉，進(jìn)一步提升了染料敏化太陽能電池的開路電壓。
[0026]上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，并可依照說明書的內(nèi)容予以實施，以下以本發(fā)明的較佳實施例并配合附圖詳細(xì)說明如后。
【附圖說明】
[0027]圖1為P-型半導(dǎo)體氧化物NiCo2O4的X射線衍射(XRD);
[0028]圖2為P-型半導(dǎo)體氧化物NiCo2O4的掃描電鏡圖(SEM);
[0029]圖3為N-型半導(dǎo)體氧化物T12的掃描電鏡圖(SEM);
[0030]圖4為PN-型和N-型DSSC的電流密度與電壓特性曲線測試圖(J-V)。
【具體實施方式】
[0031]下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的【具體實施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
[0032]本發(fā)明的新型染料敏化太陽能電池包括由密封材料封裝的兩相向設(shè)置的導(dǎo)電基底，分別形成在兩導(dǎo)電基底相對面上含光敏染料的N型半導(dǎo)體氧化物的光陽極和P型半導(dǎo)體氧化物的光陰極，以及填充于兩導(dǎo)電基底之間的電解液，P型半導(dǎo)體氧化物為NiCo2O4, N型半導(dǎo)體氧化物為Ti02。兩導(dǎo)電基底為摻雜氟的SnO2透明導(dǎo)電玻璃，厚度為l-3mm。所用的密封材料為熱封膜。
[0033]將P型半導(dǎo)體材料替代N型半導(dǎo)體，傳統(tǒng)的N型DSSC就變成了 P型DSSC。由于P型半導(dǎo)體的多數(shù)載流子是空穴，因此當(dāng)染料吸收光后，產(chǎn)生電子空穴對，空穴會從染料注入P型半導(dǎo)體的價帶。因此P型DSSC的開路電壓是由電解液的氧化還原電位和P型半導(dǎo)體的費米能級之差決定的。將吸附了染料的N型半導(dǎo)體作為光陽極，吸附了染料的P型半導(dǎo)體作為光陰極，結(jié)合含有氧化還原電位的電解液就可以組裝成PN型DSSC。PN型DSSC是光陽極和光陰極內(nèi)部串聯(lián)工作，所以PN型DSSC的開路電壓是由N型半導(dǎo)體的費米能級與P型半導(dǎo)體的費米能級之差所決定的。由于N型半導(dǎo)體的費米能級在電解液氧化還原電位的上方，P型半導(dǎo)體的費米能級在電解液氧化還原電位下方，因此PN型DSSC的開路電壓等于N型DSS