CN102842438A - 一种染料敏化太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及染料敏化太阳能电池及其制备方法，该电池依次包括衬底、阻挡层、吸附有染料的半导体层和对电极；在半导体层和对电极之间填充有液体电解质，并由设在半导体层四周的密封膜密封，所述的阻挡层是金属钛层，或氧化钛层，或是锌掺杂的氧化钛层、或是银掺杂的氧化钛层、或是钼掺杂的氧化钛层、或是锌、银和钼复合掺杂的氧化钛层，阻挡层的厚度为3nm～200nm。本发明在太阳能电池中引入阻挡层，可以防止电解液与衬底接触，减少电子复合，同时加快电子的收集速度，还能有效阻挡衬底元素向电池主体的扩散，既不影响光的入射，又不引入新的危害元素。阻挡层采用物理气相沉积法制备，其与衬底之间附着力强，同时还可提高衬底的透光性。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池，尤其是染料敏化太阳能电池及其制备方法。
背景技术
太阳能电池是一种直接将光能转化为电能的器件，染料敏化太阳能电池是其中的一种，它是在近20年发展起来的，相比普通的p-n结构的太阳能电池，它具有广泛的竞争优势，包括转化效率高，制备工艺方便、简单等。
现有的染料敏化太阳能电池主要包括衬底、吸附有染料的半导体层和对电极，在半导体层和对电极之间填充有液体电解质，并由设在半导体层四周的密封膜密封。尽管染料敏化太阳能电池优点显著，它还存在很多的问题，如电子的复合问题：电解质与衬底中的电子复合机率大，且复合速度较快，严重影响了电子流出外电路的数量，极大的降低了外电路的电流，同时开路电压也有一定的损失。
发明内容
本发明的目的是提供一种可以加快电子收集速度，防止电解液与衬底接触以减少电子复合的染料敏化太阳能电池及其制备方法。
本发明的染料敏化太阳能电池包括衬底、阻挡层、吸附有染料的半导体层和对电极；在半导体层和对电极之间填充有液体电解质，并由设在半导体层四周的密封膜密封，所述的阻挡层是金属钛层，或氧化钛层，或是锌掺杂的氧化钛层、或是银掺杂的氧化钛层、或是钼掺杂的氧化钛层、或是锌、银和钼复合掺杂的氧化钛层，阻挡层的厚度为3nm～200nm。
本发明中，对于阻挡层的掺杂浓度没有特殊要求。所述的半导体层可以是二氧化钛，或是氧化锌的纳米颗粒、纳米管或纳米线，半导体层的厚度为100nm～40um。所述的衬底可以是硬性衬，如透明导电玻璃、不锈钢箔，也可以是柔性衬料，如聚酰亚胺。
染料敏化太阳能电池的制备方法，其步骤如下：
1）将清洗烘干后的衬底放入气相沉积室，以金属钛、或氧化钛、或锌掺杂的氧化钛、或银掺杂的氧化钛、或钼掺杂的氧化钛、或锌、银和钼复合掺杂的氧化钛为靶材，抽真空至1.0x10-3Pa以下，通入氩气和氧气，O2/O2+Ar的比例为0%～100%，控制反应压强为0.5Pa～2.0Pa，反应温度为10℃～200℃，溅射生长阻挡层；
2）用刮片法在阻挡层上铺展二氧化钛或氧化锌的胶体，在300～500℃煅烧，冷却后，浸置于染料溶液中，或者将二氧化钛或氧化锌的胶体溶液滴加在阻挡层上，蒸发去除胶体溶液中的溶剂后，浸置于染料溶液中，得到吸附有染料的半导体层；
3）在半导体层的四周放置密封膜，并在密封膜上放置对电极，压紧后于120℃加热2min，空气中置冷；
4）对电极上打1mm直径的孔，从孔中注入液体电解质后将孔密封。
上述的电解质可以是含I-/I3-的液体电解质。上述的二氧化钛或氧化锌的胶体溶液可以是二氧化钛或氧化锌的乙醇溶液或乙腈溶液。上述的密封膜可以是沙纶膜（surlyn）。
本发明提供的染料敏化太阳能电池中，引入阻挡层，可以防止电解液与衬底接触，减少电子复合，同时加快电子的收集速度，还能有效阻挡衬底元素向电池主体的扩散，既不影响光的入射，又不引入新的危害元素；用物理气相沉积的方法制备得到的阻挡层，能与衬底之间形成较高的附着力，同时还可部分提高衬底的透光性。
附图说明
图1是本发明的染料敏化太阳能电池结构示意图；
图2 溅射不同厚度氧化钛的电子阻挡层循环伏安曲线图；
图3 不同气体流量比下溅射金属钛靶在FTO玻璃上沉积氧化钛阻挡层的透光性；
图4 不同气体比例溅射不同厚度的阻挡层对DSSCs 电池的转化效率影响；
图5 溅射不同厚度锌或银掺杂氧化钛的阻挡层循环伏安曲线图。
具体实施方式
参照图1，本发明的染料敏化太阳能电池依次包括衬底1、阻挡层2、吸附有染料的半导体层3和对电极4；在半导体层3和对电极4之间填充有液体电解质，并由设在半导体层3四周的密封膜5密封，所述的阻挡层2是金属钛层，或氧化钛层，或是锌掺杂的氧化钛层、或是银掺杂的氧化钛层、或是钼掺杂的氧化钛层、或是锌、银和钼复合掺杂的氧化钛层，阻挡层的厚度为3nm～200nm。
实施例1
将清洗烘干后的透明导电玻璃FTO衬底放入气相沉积室，抽真空至1.0x10-3Pa，以金属钛为靶材，通入反应气体O2和工作气体Ar，控制反应压强、温度，打开中频磁控电源，开始溅射Ti靶，用膜厚仪控制溅射厚度，具体反应参数见表1：
表1
| 样品编号 | 气体成分比例（O2/O2+Ar） | 溅射功率（W） | 溅射厚度（nm） | 反应温度（℃） | 压强（Pa） |
| 1 | 0% | 80 | 100 | 30 | 2.0 |
| 2 | 4% | 125 | 3.4 | 10 | 1.2 |
| 3 | 4% | 100 | 10 | 50 | 1.2 |
| 4 | 4% | 160 | 20 | 20 | 1.1 |
| 5 | 4% | 125 | 40 | 200 | 1.6 |
| 6 | 10% | 220 | 3.5 | 40 | 1.0 |
| 7 | 10% | 300 | 10 | 40 | 1.0 |
| 8 | 10% | 250 | 20 | 100 | 1.8 |
| 9 | 16% | 260 | 10 | 80 | 0.5 |
| 10 | 16% | 335 | 28 | 60 | 1.4 |
| 11 | 100% | 450 | 12 | 80 | 1.2 |
PVD溅射反应结束后，在500℃煅烧2h，后铺展10μm厚的二氧化钛胶体，450℃煅烧30min, 冷却至80℃，浸入N719染料中，充分浸置后取出；在半导体层的四周放置密封膜，并在密封膜上放置对电极，压紧后于120℃加热2min，空气中置冷；对电极上打1mm直径的孔，从孔中注入液体电解质后将孔密封。组装成电池，在47mW/cm2, AM1.5的太阳光下记录其U-I曲线。
沉积有阻挡层的衬底在铁氰化钾/亚铁氰化钾氧化还原对水溶液中的循环伏安图见图2，图中曲线2、3、4、5分别对应样品2、3、4、5，图中曲线0为未沉积阻挡层的FTO透明导电玻璃，可见有Ti或氧化钛阻挡层可以有效地阻挡电子在电解质与衬底之间的扩散，减少电子复合。
透光性比较见图3，图中曲线6、7、8、9、10分别对应样品6、7、8、9、10，Ti或氧化钛的阻挡层可以提高衬底的透光性，大约11%~17%。
表2所示为无阻挡层与有阻挡层的染料敏化太阳能电池的转化效率的比较。
表2
| 样品编号 | 氧气比例及厚度 | Jsc | Voc | FF | η(%) |
| 0 | Bare FTO | 4.792 | 0.707 | 0.645 | 4.583 |
| 1 | 0%-100nm | 5.221 | 0.713 | 0.647 | 5.124 |
| 2 | 4%-3.4nm | 5.303 | 0.732 | 0.634 | 5.236 |
| 5 | 4%-40nm | 5.039 | 0.744 | 0.670 | 5.342 |
| 6 | 10%-3.5nm | 4.861 | 0.724 | 0.649 | 4.859 |
| 7 | 10%-10nm | 5.792 | 0.737 | 0.645 | 5.859 |
| 8 | 10%-20nm | 5.104 | 0.731 | 0.646 | 5.127 |
| 9 | 16%-10nm | 5.135 | 0.723 | 0.664 | 5.248 |
| 10 | 16%-28nm | 4.508 | 0.718 | 0.662 | 4.550 |
由表2和图4（图中曲线0、2、3、7、9分别对应样品0、2、3、7、9）可见，阻挡层的引入可以增加电池的转化效率，最大可增加27.84%。
实施例2
将清洗烘干后的透明导电玻璃FTO衬底放入气相沉积室，抽真空至1.0x10-3Pa，通入反应气体O2和工作气体Ar，控制反应压强，反应温度，同时打开中频磁控电源溅射Ti靶材和直流磁控电源溅射锌靶材或银靶材，进行混镀，并用膜厚仪控制溅射厚度，反应条件见表3：
表3
| 样品编号 | Ti靶溅射功率(W) | 直流磁控溅射靶材及功率（W） | 气体成分比例（O2/O2+Ar） | 溅射厚度（10nm） | 反应温度（℃） |
| 12 | 150 | Zn，70 | 10% | 24 | 40 |
| 13 | 180 | Zn，100 | 16% | 44 | 50 |
| 14 | 240 | Ag，40 | 2% | 200 | 70 |
PVD溅射反应结束后，在300℃煅烧2h。
沉积有掺杂的阻挡层的衬底在铁氰化钾/亚铁氰化钾氧化还原对水溶液中的循环伏安图见图5（图中曲线12、13、14分别对应样品12、13、14），可见有锌或银掺杂的氧化钛阻挡层可以部分阻挡电子在电解质与衬底之间的扩散，减少电子复合。
Claims (4)
1.一种染料敏化太阳能电池，其特征在于该电池依次包括衬底（1）、阻挡层（2）、吸附有染料的半导体层（3）和对电极（4）；在半导体层（3）和对电极（4）之间填充有液体电解质，并由设在半导体层（3）四周的密封膜（5）密封，所述的阻挡层（2）是金属钛层，或氧化钛层，或是锌掺杂的氧化钛层、或是银掺杂的氧化钛层、或是钼掺杂的氧化钛层、或是锌、银和钼复合掺杂的氧化钛层，阻挡层的厚度为3nm～200nm。
2.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池，其特征在于所述的衬底是透明导电玻璃、不锈钢箔或聚酰亚胺。
3.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池，其特征在于所述的半导体层（3）是二氧化钛，或是氧化锌的纳米颗粒、纳米管或纳米线，半导体层的厚度为100nm～40um。
4.制备权利要求1所述的染料敏化太阳能电池的方法，其步骤如下：
1）将清洗烘干后的衬底放入气相沉积室，以金属钛、或氧化钛、或锌掺杂的氧化钛、或银掺杂的氧化钛、或钼掺杂的氧化钛、或锌、银和钼复合掺杂的氧化钛为靶材，抽真空至1.0x10-3Pa以下，通入氩气和氧气，O2/O2+Ar的比例为0%～100%，控制反应压强为0.5Pa～2.0Pa，反应温度为10℃～200℃，溅射生长阻挡层；
2）用刮片法在阻挡层上铺展二氧化钛或氧化锌的胶体，在300～500℃煅烧，冷却后，浸置于染料溶液中，或者将二氧化钛或氧化锌的胶体溶液滴加在阻挡层上，蒸发去除胶体溶液中的溶剂后，浸置于染料溶液中，得到吸附有染料的半导体层；
3）在半导体层的四周放置密封膜，并在密封膜上放置对电极，压紧后于120℃加热2min，空气中置冷；
4）对电极上打1mm直径的孔，从孔中注入液体电解质后将孔密封。
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