專利名稱：一種染料敏化太陽能電池及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及新能源技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種太陽能電池及其制備方法，更具體地說，涉及一種具有表面等離子體效應(yīng)的納米顆粒的染料敏化太陽能電池及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著人類工業(yè)文明的迅速發(fā)展，化石燃料日益枯竭，伴隨化石燃料的使用帶來的溫室效應(yīng)日漸加重，具有環(huán)保價(jià)值的新能源的開發(fā)成為刻不容緩的事。太陽能由于其取之不盡、用之不竭、無污染、不受地理環(huán)境制約等優(yōu)點(diǎn)，成為各國(guó)科學(xué)家青睞的研究對(duì)象。目前，很多科學(xué)家致力于開發(fā)各種不同材料的太陽能電池，使其應(yīng)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孔薄膜引入染料敏化電池，使其光電轉(zhuǎn)換效率由原來的不到1%提高到7.1%-7.9%，接近了多晶硅光電池的轉(zhuǎn)換效率，使染料敏化太陽能電池由理論階段向?qū)嵱秒A段邁進(jìn)了一大步，也使染料敏化太陽能電池逐漸成為最有希望得到應(yīng)用的新型太陽能電池之一。長(zhǎng)久以來，光電轉(zhuǎn)換效率相對(duì)低下一直是染料敏化太陽能電池發(fā)展的主要瓶頸。為了進(jìn)一步提高染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，需要找到一種有效促進(jìn)光吸收的方法。表面等離子體效應(yīng)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?。表面等離子體效應(yīng)是目前納米光電子學(xué)科的一個(gè)重要的研究方向，受到了包括物理學(xué)家、化學(xué)家、材料學(xué)家等多個(gè)領(lǐng)域人士的極大關(guān)注。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，表面等離子體效應(yīng)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器等方面。將具有表面等離子體效應(yīng)的納米顆粒應(yīng)用于染料敏化太陽能電池成為目前太陽能電池發(fā)展的主要方向之一。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提供一種具有表面等離子體效應(yīng)的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒的染料敏化太陽能電池；本發(fā)明還提供制備上述具有表面等離子體效應(yīng)的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒的染料敏化太陽能電池的方法。(二)技術(shù)方案為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明提供一種染料敏化太陽能電池，其包括透明電極、對(duì)電極及位于所述透明電極和對(duì)電極之間的電解質(zhì)層，所述透明電極的內(nèi)側(cè)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(duì)電極的外側(cè)設(shè)有對(duì)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。其中，所述納米多孔半導(dǎo)體薄膜中吸附具有表面等離子體效應(yīng)的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒。優(yōu)選的，所述具有表面等離子體效應(yīng)的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒表面不光滑，具有細(xì)小的凸?fàn)罱Y(jié)構(gòu)。優(yōu)選的，所述具有表面等離子體效應(yīng)的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒包括殼體和嵌于所述殼體內(nèi)部的核體。進(jìn)一步，所述殼體為金屬氧化物、有機(jī)聚合物或環(huán)氧基樹脂材料，所述核體為合金或者金屬單質(zhì)。更進(jìn)一步，所述金屬氧化物為氧化銀，所述有機(jī)聚合物為聚二甲基硅氧烷；所述合金為金銀合金、金鉬合金、金鋁合金、金銅合金、銀鉬合金、銀鋁合金、銀銅合金、銅鋁合金中的一種，所述金屬單質(zhì)為金、銀、鋁、銅中的一種。其中，所述核體直徑為100 - 300nm，所述殼體的壁厚為I 一 3nm。進(jìn)一步，所述納米多孔半導(dǎo)體薄膜是二氧化鈦納米多孔半導(dǎo)體薄膜。更進(jìn)一步，所述透明電極為摻氟的氧化錫導(dǎo)電玻璃電極，所述對(duì)電極為鉬電極。本發(fā)明還提供一種染料敏化太陽能電池的制備方法，其包括以下步驟:S1.制備核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒溶膠；S2.在透明襯底表面蒸鍍一層透明導(dǎo)電材料形成透明電極；S3.在納米多孔半導(dǎo)體漿料中混入核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒溶膠，高速攪拌均勻，得到混有表面等離子體效應(yīng)的納米顆粒的納米多孔半導(dǎo)體漿料；S4.將上述混有表面等離子體效應(yīng)的納米顆粒的納米多孔半導(dǎo)體漿料涂至所述透明電極表面，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；S5.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，完全浸沒在染料敏化劑中，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，透明襯底、透明電極、納米多孔半導(dǎo)體薄膜及吸附的染料敏化劑構(gòu)成染料敏化太陽能電池基坯；S6.在對(duì)透明襯底的表面覆蓋一層金屬鉬電極作為對(duì)電極，將所述對(duì)電極與所述染料敏化太陽能電池基坯粘合，在所述對(duì)電極與染料敏化太陽能電池基坯粘合體中間的間隙注入電解液，形成染料敏化太陽能電池。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:Sll.將含有一種或兩種金屬元素的溶液作為氧化劑與還原劑溶液混合，在低于溶液沸點(diǎn)的溫度下恒溫以固定轉(zhuǎn)速攪拌，反應(yīng)特定時(shí)間得到金屬納米顆粒溶膠；S12.在步驟Sll中制備的金屬納米顆粒溶I父溶液中加入還原劑溶液混合；S13.在低于溶液沸點(diǎn)溫度下恒溫對(duì)步驟S12的混合溶液以固定轉(zhuǎn)速攪拌，之后在空氣中冷卻至室溫，得到在金屬氧化物殼體內(nèi)嵌入金屬核體的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒溶膠。優(yōu)選的，步驟S13中得到的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒溶膠的金屬氧化物殼體為氧化銀，其金屬核體為金銀合金、金鉬合金、金鋁合金、金銅合金、銀鉬合金、銀鋁合金、銀銅合金、銅鋁合金、金、銀、鋁、銅中的一種。進(jìn)一步，在步驟S4中，以旋涂甩膠的方式將混有表面等離子體效應(yīng)的納米顆粒的納米多孔半導(dǎo)體漿料涂至所述透明電極的表面；在步驟S6中，通過蒸鍍或?yàn)R射的方式在對(duì)透明襯底的表面覆蓋一層金屬鉬電極作為對(duì)電極，采用熱封膠的方法將所述對(duì)電極與所述電池基坯粘合。
(三)有益效果本發(fā)明提供的染料敏化太陽能電池，其納米多孔半導(dǎo)體薄膜中吸附具有表面等離子體效應(yīng)的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒，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，增強(qiáng)染料敏化太陽能電池對(duì)可見光波段的太陽光的吸收；進(jìn)一步地，具有表面等離子體效應(yīng)的核殼結(jié)構(gòu)納米顆?？梢栽鰪?qiáng)入射光的散射，降低入射光的透射與全反射，提高染料敏化太陽能電池的光吸收效率，達(dá)到提高染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率的目的；進(jìn)一步地，具有表面等離子體效應(yīng)的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒對(duì)直徑為l_4nm的小分子(如染料分子)具有較強(qiáng)的吸附性和粘附性，大量的染料分子被吸附在納米顆粒表面，使盡可能多的染料分子處于局域表面等離子體效應(yīng)的光場(chǎng)增強(qiáng)的有效范圍內(nèi)，達(dá)到局域表面等離子體效應(yīng)增強(qiáng)染料分子光吸收特性的效果；進(jìn)一步地，具有表面等離子體效應(yīng)的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒可以增強(qiáng)所吸附的染料分子處于激發(fā)狀態(tài)的壽命，進(jìn)而增強(qiáng)染料敏化太陽能電池中載流子的產(chǎn)生幾率，提高染料敏化太陽能電池的光吸收效率，從而增強(qiáng)染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率；更進(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金屬氧化物殼體，可有效減少金屬顆粒對(duì)電子-空穴對(duì)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)納米顆粒(例如調(diào)整金銀合金的金銀配比及納米顆粒尺寸)可以獲得對(duì)不同波長(zhǎng)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)染料敏化太陽能電池對(duì)較寬波長(zhǎng)范圍太陽光的吸收。


圖1是本發(fā)明提供的染料敏化太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒的紫外-可見光吸收強(qiáng)度譜；圖4是含核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒的染料敏化太陽能電池與不含核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒的染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率曲線圖。圖中，1:透明電極；2:對(duì)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(duì)透明襯底；7:核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒；71:氧化銀殼體；72:金銀合金核體。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)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，而非限制本發(fā)明的范圍。如圖1所示，本發(fā)明提供一種染料敏化太陽能電池，其包括透明電極1、對(duì)電極2及位于透明電極I和對(duì)電極2之間的電解質(zhì)層3，透明電極I的內(nèi)側(cè)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(duì)電極2的外側(cè)設(shè)有對(duì)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所示，核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒7形如“爆米花”，為不規(guī)則球狀，其表面同“爆米花”表面——不光滑且具有細(xì)小的凸?fàn)罱Y(jié)構(gòu)；圖2顯示了外殼是氧化銀殼體71，內(nèi)核是金銀合金核體72的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒，其中金銀合金核體72嵌于氧化銀殼體71內(nèi)部。一般情況下，金銀合金核體72的直徑約為100-300nm，氧化銀殼體71的壁厚約為l_3nm ;為了得到最佳光電吸收效率和光電轉(zhuǎn)換效率，金銀合金核體72的直徑約為200nm，氧化銀殼體71的壁厚為2-3nm。由于該種納米顆粒成分為合金，其制備原料中包含兩種及以上的金屬離子，利用不同金屬離子氧化還原活性不同，調(diào)節(jié)反應(yīng)溫度，可以令多種金屬離子同時(shí)被還原但還原后的金屬原子呈不規(guī)則排列，隨著反應(yīng)進(jìn)行，就得到了不規(guī)則的合金納米顆粒，其形狀如“爆米花”一為不規(guī)則球狀，表面亦如“爆米花”表面一不光滑且具有細(xì)小凸?fàn)罱Y(jié)構(gòu)。納米顆粒的制造是在溶液環(huán)境下高速攪拌進(jìn)行，受重力和離心力影響，金屬原子易在此環(huán)境下呈光滑球形結(jié)構(gòu)，因此其凸起結(jié)構(gòu)都為球形或橢球形。如圖1所示的納米多孔半導(dǎo)體薄膜4采用TiO2納米多孔材料制成，透明電極I為FIO (摻雜氟的氧化錫導(dǎo)電玻璃)電極，對(duì)電極2為Pt (鉬)電極。由于具有表面等離子體效應(yīng)的金銀合金核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒形狀、大小不同，其表面不光滑且具有細(xì)小的凸?fàn)罱Y(jié)構(gòu)，因此金銀合金核殼結(jié)構(gòu)納米顆?？蓪?duì)不同波長(zhǎng)的入射光都有較強(qiáng)的陷光特性。圖3顯示了核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒的紫外-可見光吸收強(qiáng)度譜圖。本發(fā)明提供的具有表面等離子體效應(yīng)的金銀合金核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒的染料敏化太陽能電池，對(duì)不同波長(zhǎng)的入射光都有較強(qiáng)的吸附作用，擴(kuò)寬吸收光譜，提高染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明提供的具有表面等離子體效應(yīng)的金銀合金核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒的染料敏化太陽能電池，太陽光照射下，可激勵(lì)起局域表面等離子體振蕩，增強(qiáng)染料敏化太陽能電池對(duì)可見光波段的太陽光的吸收，提高敏化太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明提供的染料敏化太陽能電池，其多孔半導(dǎo)體薄膜中吸附的大小不一、形如“爆米花”、表面不光滑、具有細(xì)小凸?fàn)罱Y(jié)構(gòu)的具有表面等離子體效應(yīng)的金銀合核殼結(jié)構(gòu)納米顆?？梢栽鰪?qiáng)入射光的散射，降低入射光的透射與全反射，提高染料敏化太陽能電池整體的光吸收效率，提高敏化太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率。如圖4所示，含核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒的染料敏化太陽能電池對(duì)于波長(zhǎng)為350nm-750nm的入射光的光電轉(zhuǎn)換效率明顯高于不含核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒的染料敏化太陽能電池。尤其是對(duì)于波長(zhǎng)為450nm左右的入射光，不含核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒的染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為51%左右，而含核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒的染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到56%。上述染料敏化太陽能電池中，納米多孔半導(dǎo)體薄膜中吸附的具有表面等離子體效應(yīng)的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒，其內(nèi)核不限于金銀合金，還可以是金鉬合金、銀鉬合金、金鋁合金、銀鋁合金、金銅合金、銀銅合金、鋁銅合金等合金或者金、銀、鋁、銅等金屬單質(zhì)；其外殼不限于氧化銀，還可以是聚二甲基硅氧烷等有機(jī)聚合物以及環(huán)氧基樹脂材料。本發(fā)明還提供了制備所述具有表面等離子體效應(yīng)的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒的染料敏化太陽能電池的方法。實(shí)施例1本實(shí)施例選用金銀合金為內(nèi)核、外層包裹氧化銀的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒(Au-Ag/Ag2O核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒),并通過滴定旋涂法制備包含Au-Ag/Ag20核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒的染料敏化太陽能電池。首先,制備Au-Ag/Ag20核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒,其制備方法如下:1、將 l(T4mol/L 的氯金酸溶液 100ml、l(T4mol/L 的硝酸銀溶液 100ml，與 4*l(T2mol/L的檸檬酸鈉溶液2ml混合，在恒溫95攝氏度下以500轉(zhuǎn)/分鐘的頻率攪拌，充分反應(yīng)6_7分鐘；2、在上述溶液中加入4*l(T2mol/L檸檬酸納溶液8ml ；3、在恒溫100攝氏度下以500轉(zhuǎn)/分鐘的頻率攪拌，充分反應(yīng)20_25分鐘后保持?jǐn)嚢锠顟B(tài)下自然冷卻至室溫。上述方法即可得到外層有氧化銀包裹，內(nèi)核為金銀合金的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒。由于該種納米顆粒成分為合金，其制備原料中包含金、銀兩種金屬離子，利用不同金屬離子氧化還原活性不同，調(diào)節(jié)反應(yīng)溫度，令金、銀兩種金屬離子同時(shí)被還原，但還原后的金原子、銀原子呈不規(guī)則排列，隨著反應(yīng)進(jìn)行，就得到了不規(guī)則的金銀合金納米顆粒，其形狀如“爆米花”狀，即:其形為不規(guī)則球狀，表面不光滑，且具有細(xì)小的凸?fàn)罱Y(jié)構(gòu)。由于上述制造納米顆粒的反映在溶液環(huán)境下高速攪拌進(jìn)行，受重力和離心力影響，金、銀原子易在此環(huán)境下呈光滑球形結(jié)構(gòu)，因此其凸起結(jié)構(gòu)都為球形或橢球形。上述方法制備的Au-Ag/Ag20核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒,其金銀內(nèi)核直徑約為150_200nm,氧化銀外殼壁厚約為2_3nm。下述為制備含有Au-Ag/Ag20核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒的染料敏化太陽能電池的步驟:首先,將Au-Ag/Ag2O核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒與納米多孔半導(dǎo)體TiO2薄膜衆(zhòng)料用酒精作為溶劑混合，通過調(diào)節(jié)混合液中Au-Ag/Ag20核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒的濃度調(diào)節(jié)TiO2多孔半導(dǎo)體薄膜中Au-Ag/Ag20核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒含量，一般其質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在1%_10% ；其次，在石英或玻璃基底表面蒸鍍一層透明導(dǎo)電材料；然后，在400-1000轉(zhuǎn)/分鐘的條件下，以旋涂甩膠的方式將含有Au_Ag/Ag20核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒的納米多孔半導(dǎo)體TiO2薄膜衆(zhòng)料旋涂至透明導(dǎo)電材料表面,高溫加熱使衆(zhòng)料燒結(jié)為薄膜，薄膜厚度為500nm-15um。再次，將上述涂有Au-Ag/Ag20核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒的透明電極整體投入染料敏化劑中18-24小時(shí)，使染料分子充分吸附于納米多孔半導(dǎo)體TiO2薄膜上，上述即可得到敏化過的包含Au-Ag/Ag20核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒的納米多孔半導(dǎo)體TiO2薄膜電池基還；最后，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(duì)電極，將對(duì)電極與已經(jīng)制備完成的電池基坯使用熱封膠粘合，在粘合體中間的間隙注入電解液。至此完成了含有Au-Ag/Ag20核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒的染料敏化太陽能電池的制備。實(shí)施例2本實(shí)施例選用金鉬合金為內(nèi)核、外層包裹氧化銀的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒(Au-Pt/Ag2O核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒),并通過滴定旋涂法制備包含Au-Pt/Ag20核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒的染料敏化太陽能電池。首先，制備Au-PVAg2O核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒，其制備方法如下:1、將 l(T4mol/L 的氯金酸溶液 100ml、l(T4mol/L 的氯鉬酸溶液 100ml，與 4*l(T2mol/L的檸檬酸鈉溶液2ml混合，在恒溫95攝氏度下以500轉(zhuǎn)/分鐘的頻率攪拌，充分反應(yīng)6_7分鐘；2、在上述溶液中加入4*10_2mol/L檸檬酸納溶液8ml和10_4mol/L的硝酸銀溶液20ml ；3、在恒溫100攝氏度下以500轉(zhuǎn)/分鐘的頻率攪拌，充分反應(yīng)20_25分鐘后保持?jǐn)嚢锠顟B(tài)下自然冷卻至室溫。上述方法即可得到外層有氧化銀包裹，內(nèi)核為金鉬合金的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒。且上述方法制備的Au-PVAg2O核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒，其金鉬內(nèi)核直徑約為150-200nm，氧化銀外殼壁厚約為2-3nm。下述為制備含有Au-Pt/Ag20核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒染料敏化太陽能電池的步驟:首先,將Au-Pt/Ag20核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒與納米多孔半導(dǎo)體TiO2薄膜楽；料用酒精作為溶劑混合，通過調(diào)節(jié)混合液中Au-Pt/Ag20核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒濃度調(diào)節(jié)TiO2多孔半導(dǎo)體薄膜中Au-PVAg2O核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒含量，一般其質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在1%_10% ；其次，在石英或玻璃基底表面蒸鍍一層透明導(dǎo)電材料；然后，在400-1000轉(zhuǎn)/分鐘的條件下以旋涂甩膠的方式將含有Au-PVAg2O核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒的納米多孔半導(dǎo)體TiO2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，薄膜厚度為500nm-15um。再次，將上述涂有Au-Pt/Ag20核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒的透明電極整體投入染料敏化劑中18-24小時(shí)，使染料分子充分吸附于納米多孔半導(dǎo)體TiO2薄膜上，上述即可得到敏化過的包含Au-PVAg2O核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒的納米多孔半導(dǎo)體TiO2薄膜電池基坯；最后，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(duì)電極，將對(duì)電極與已經(jīng)制備完成的電池基坯使用熱封膠粘合，在粘合體中間的間隙注入電解液。至此完成了含有Au-Pt/Ag20核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒的染料敏化太陽能電池的制備。實(shí)施例3本實(shí)施例選用，銀鉬合金為內(nèi)核、外層包裹氧化銀的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒(Ag-Pt/Ag2O核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒),并通過滴定旋涂法制備包含Ag-Pt/Ag20核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒的染料敏化太陽能電池。首先，制備Ag-PVAg2O核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒，其制備方法如下:1、將 l(T4mol/L 的硝酸銀溶液 100ml、l(T4mol/L 的氯鉬酸溶液 100ml，與 4*l(T2mol/L的檸檬酸鈉溶液2ml混合，在恒溫95攝氏度下以500轉(zhuǎn)/分鐘的頻率攪拌，充分反應(yīng)6_7分鐘；2、在上述溶液中加入4*l(T2mol/L檸檬酸納溶液8ml ；3、在恒溫100攝氏度下以500轉(zhuǎn)/分鐘的頻率攪拌，充分反應(yīng)20_25分鐘后保持?jǐn)嚢锠顟B(tài)下自然冷卻至室溫。上述方法即可得到外層有氧化銀包裹，內(nèi)核為銀鉬合金的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒。且上述方法制備的Ag-PVAg2O核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒，其銀鉬內(nèi)核直徑約為150-200nm，氧化銀外殼壁厚約為2-3nm。下述為制備含有Ag-Pt/Ag20核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒染料敏化太陽能電池的步驟:
首先，將Ag-Pt/Ag20核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒與納米多孔半導(dǎo)體TiO2薄膜楽；料用酒精作為溶劑混合，通過控制混合液中Ag-PVAg2O核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒濃度控制TiO2多孔半導(dǎo)體薄膜中Ag-PVAg2O核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒含量，一般其質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在1%_10% ；其次，在石英或玻璃基底表面蒸鍍一層透明導(dǎo)電材料；然后，在400-100轉(zhuǎn)/分鐘的條件下以旋涂甩膠的方式將含有Ag-PVAg2O核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒的納米多孔半導(dǎo)體TiO2薄膜衆(zhòng)料,旋涂至透明導(dǎo)電材料表面上,高溫加熱使衆(zhòng)料燒結(jié)為薄膜，其厚度在500nm-15um。再次，將上述涂有Ag-Pt/Ag20核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒的透明電極整體投入染料敏化劑中18-24小時(shí)，使染料分子充分吸附于納米多孔半導(dǎo)體TiO2薄膜上，上述即可得到敏化過的包含Ag-PVAg2O核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒的納米多孔半導(dǎo)體TiO2薄膜電池基坯；最后，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(duì)電極，將對(duì)電極與已經(jīng)制備完成的電池基坯使用熱封膠粘合，在粘合體中間的間隙注入電解液。至此完成了含有Ag-Pt/Ag20核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒的染料敏化太陽能電池的制備。實(shí)施例4本實(shí)施例選用金為內(nèi)核、外層包裹氧化銀的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒(Au/Ag20核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒)，并通過滴定旋涂法制備包含Au/Ag20核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒的染料敏化太陽能電池。首先,制備Au/Ag20核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒,其制備方法如下:1、將 10_4mol/L 的氯金酸溶液 100ml、10_4mol/L 的硝酸銀溶液 100ml，與 4*10_2mol/L的檸檬酸鈉溶液2ml混合，在恒溫95攝氏度下以500轉(zhuǎn)/分鐘的頻率攪拌，充分反應(yīng)6_7分鐘；2、在上述溶液中加入4*10_2mol/L檸檬酸納溶液8ml和10_4mol/L的硝酸銀溶液IOOml ；3、在恒溫100攝氏度下以500轉(zhuǎn)/分鐘的頻率攪拌，充分反應(yīng)20_25分鐘后保持?jǐn)嚢锠顟B(tài)下自然冷卻至室溫。上述方法即可得到外層有氧化銀包裹，內(nèi)核為金的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒溶膠。且上述方法制備的Au/Ag20核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒，其金內(nèi)核直徑約為150-200nm，氧化銀外殼壁厚約為2_3nm。下述為制備含有Au/Ag20核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒染料敏化太陽能電池的步驟:首先，將Au/Ag20核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒與納米多孔半導(dǎo)體TiO2薄膜漿料用酒精作為溶劑混合，通過控制混合液中Au/Ag20核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒濃度控制TiO2多孔半導(dǎo)體薄膜中AuAg2O核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒含量，一般其質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在1%_10% ；其次，在石英或玻璃基底表面蒸鍍一層透明導(dǎo)電材料；然后，在400-1000轉(zhuǎn)/分鐘的條件下以旋涂甩膠的方式將含有Au/Ag20核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒的納米多孔半導(dǎo)體TiO2薄膜衆(zhòng)料,旋涂至透明導(dǎo)電材料表面上,高溫加熱使衆(zhòng)料燒結(jié)為薄膜，薄膜厚度為500nm-15um。再次，將上述涂有Au/Ag20核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒的透明電極整體投入染料敏化劑中18-24小時(shí)，使染料分子充分吸附于納米多孔半導(dǎo)體TiO2薄膜上，上述即可得到敏化過的包含Au/Ag20核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒的納米多孔半導(dǎo)體TiO2薄膜電池基坯；最后，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(duì)電極，將對(duì)電極與已經(jīng)制備完成的電池基坯使用熱封膠粘合，在粘合體中間的間隙注入電解液。至此完成了含有Au/Ag20核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒的染料敏化太陽能電池的制備。實(shí)施例5本實(shí)施例選用銀為內(nèi)核、外層包裹氧化銀的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒(Ag/Ag20核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒)，并通過滴定旋涂法制備包含Ag/Ag20核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒的染料敏化太陽能電池。首先，制備Ag/Ag20核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒,其制備方法如下:1、將ΙθΛιοΙ/L的硝酸銀溶液100ml，與4*l(T2mol/L的檸檬酸鈉溶液2ml混合，在恒溫95攝氏度下以500轉(zhuǎn)/分鐘的頻率攪拌，充分反應(yīng)6-7分鐘；2、在上述溶液中加入4*10_2mol/L檸檬酸納溶液8ml ；3、在恒溫100攝氏度下以500轉(zhuǎn)/分鐘的頻率攪拌，充分反應(yīng)20_25分鐘后保持?jǐn)嚢锠顟B(tài)下自然冷卻至室溫。上述方法即可得到外層有氧化銀包裹，內(nèi)核為銀的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒。且上述方法制備的Ag/Ag20核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒，其銀內(nèi)核直徑約為150-200nm，氧化銀外殼壁厚約為2-3nm。下述為制備含有Ag/Ag20核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒染料敏化太陽能電池的步驟:首先，將Ag/Ag20核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒與納米多孔半導(dǎo)體TiO2薄膜漿料用酒精作為溶劑混合，通過控制混合液中Ag/Ag20核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒濃度控制TiO2多孔半導(dǎo)體薄膜中AgAg2O核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒含量，一般其質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在1%_10% ；其次，在石英或玻璃基底表面蒸鍍一層透明導(dǎo)電材料；然后，在400-1000轉(zhuǎn)/分鐘的條件下以旋涂甩膠的方式將含有Ag/Ag20核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒的納米多孔半導(dǎo)體TiO2薄膜衆(zhòng)料,旋涂至透明導(dǎo)電材料表面上,高溫加熱使衆(zhòng)料燒結(jié)為薄膜，薄膜厚度為500nm-15um。再次，將上述涂有Ag/Ag20核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒的透明電極整體投入染料敏化劑中18-24小時(shí)，使染料分子充分吸附于納米多孔半導(dǎo)體TiO2薄膜上，上述即可得到敏化過的包含Ag/Ag20核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒的納米多孔半導(dǎo)體TiO2薄膜電池基坯；最后，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(duì)電極，將對(duì)電極與已經(jīng)制備完成的電池基坯使用熱封膠粘合，在粘合體中間的間隙注入電解液。至此完成了含有Ag/Ag20核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒的染料敏化太陽能電池的制備。上述方法制備的具有等離子體效應(yīng)的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒，其內(nèi)核不限于金銀合金、銀鉬合金等合金或金、銀等金屬單質(zhì)，還可以是金鋁合金、銀鋁合金、金銅合金、銀銅合金、鋁銅合金等合金或鋁、銅等金屬單質(zhì)；其外殼不限于氧化銀，還可以是其他金屬氧化物。本發(fā)明提供的染料敏化太陽能電池的制造方法，制備工藝簡(jiǎn)單，制備材料容易獲得，制備成本較低。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(duì)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:其包括透明電極(I)、對(duì)電極(2)及位于所述透明電極(I)和對(duì)電極(2)之間的電解質(zhì)層(3)，所述透明電極(I)的內(nèi)側(cè)設(shè)有納米多孔半導(dǎo)體薄膜(4)，所述透明電極(I)的外側(cè)設(shè)有透明襯底(5)，所述對(duì)電極(2)的外側(cè)設(shè)有對(duì)透明襯底(6 )，所述電解質(zhì)層(3 )包括電解液和染料敏化劑的混合液體。
2.根據(jù)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(4)中吸附具有表面等離子體效應(yīng)的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒(7)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的染料敏化太陽能電池，其特征在于:所述具有表面等離子體效應(yīng)的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒(7)表面不光滑，具有細(xì)小的凸?fàn)罱Y(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的染料敏化太陽能電池，其特征在于:所述具有表面等離子體效應(yīng)的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒(7)包括殼體和嵌于所述殼體內(nèi)部的核體。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的染料敏化太陽能電池，其特征在于:所述殼體為金屬氧化物、有機(jī)聚合物或環(huán)氧基樹脂材料，所述核體為合金或者金屬單質(zhì)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的染料敏化太陽能電池，其特征在于:所述金屬氧化物為氧化銀，所述有機(jī)聚合物為聚二甲基硅氧烷；所述合金為金銀合金、金鉬合金、金鋁合金、金銅合金、銀鉬合金、銀鋁合金、銀銅合金、銅鋁合金中的一種，所述金屬單質(zhì)為金、銀、鋁、銅中的一種。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的染料敏化太陽能電池，其特征在于:所述核體直徑為100-300nm,所述殼體的壁厚為I 一 3nm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1一 7任一項(xiàng)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(4)是二氧化鈦納米多孔半導(dǎo)體薄膜。
9.根據(jù)權(quán)利要求1一 7任一項(xiàng)所述的染料敏化太陽能電池，其特征在于:所述透明電極(I)為摻氟的氧化錫導(dǎo)電玻璃電極，所述對(duì)電極(2)為鉬電極。
10.一種染料敏化太陽能電池的制備方法，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.在透明襯底表面蒸鍍一層透明導(dǎo)電材料形成透明電極； 53.在納米多孔半導(dǎo)體漿料中混入核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒溶膠，高速攪拌均勻，得到混有表面等離子體效應(yīng)的納米顆粒的納米多孔半導(dǎo)體漿料； 54.將上述混有表面等離子體效應(yīng)的納米顆粒的納米多孔半導(dǎo)體漿料涂至所述透明電極表面，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； 55.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，完全浸沒在染料敏化劑中，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，透明襯底、透明電極、納米多孔半導(dǎo)體薄膜及吸附的染料敏化劑構(gòu)成染料敏化太陽能電池基坯； 56.在對(duì)透明襯底的表面覆蓋一層金屬鉬電極作為對(duì)電極，將所述對(duì)電極與所述染料敏化太陽能電池基坯粘合，在所述對(duì)電極與染料敏化太陽能電池基坯粘合體中間的間隙注入電解液，形成染料敏化太陽能電池。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的染料敏化太陽能電池的制備方法，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: Sll.將含有一種或兩種金屬元素的溶液作為氧化劑與還原劑溶液混合，在低于溶液沸點(diǎn)的溫度下恒溫以固定轉(zhuǎn)速攪拌，反應(yīng)特定時(shí)間得到金屬納米顆粒溶膠；·512.在步驟Sll中制備的金屬納米顆粒溶膠溶液中加入還原劑溶液混合；·513.在低于溶液沸點(diǎn)溫度下恒溫對(duì)步驟S12的混合溶液以固定轉(zhuǎn)速攪拌，之后在空氣中冷卻至室溫，得到在金屬氧化物殼體內(nèi)嵌入金屬核體的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒溶膠。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的染料敏化太陽能電池的制備方法，其特征在于:步驟S13中得到的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒溶膠的金屬氧化物殼體為氧化銀，其金屬核體為金銀合金、金鉬合金、金鋁合金、金銅合金、銀鉬合金、銀鋁合金、銀銅合金、銅鋁合金、金、銀、鋁、銅中的一種。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的染料敏化太陽能電池的制備方法，其特征在于: 在步驟S4中， 以旋涂甩膠 的方式將混有表面等離子體效應(yīng)的納米顆粒的納米多孔半導(dǎo)體漿料涂至所述透明電極的表面； 在步驟S6中，通過蒸鍍或?yàn)R射的方式在對(duì)透明襯底的表面覆蓋一層金屬鉬電極作為對(duì)電極，采用熱 封 膠的方法將所述對(duì)電極與所述電池基坯粘合。
全文摘要
本發(fā)明涉及新能源技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種染料敏化太陽能電池，其包括透明電極、對(duì)電極及位于所述透明電極和對(duì)電極之間的電解質(zhì)層，所述透明電極的內(nèi)側(cè)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(duì)電極的外側(cè)設(shè)有對(duì)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)體薄膜中吸附有表面等離子體效應(yīng)的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒。本發(fā)明提供的含有納米顆粒的染料敏化太陽能電池，擴(kuò)寬了吸收光譜，提高了光吸收效率，增強(qiáng)了電池的光電轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明還提供了一種制造染料敏化太陽能電池的方法。
文檔編號(hào)H01G9/14GK103151177SQ201310074949
公開日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2013年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月8日
發(fā)明者劉仿, 許騏, 黃翊東 申請(qǐng)人:清華大學(xué)