基于ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列電極的染料敏化太陽(yáng)電池及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列電極的染料敏化太陽(yáng)電池及其制備方法，該染料敏化太陽(yáng)電池主要由ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列電極、染料敏化TiO2納米晶半導(dǎo)體光陽(yáng)極、電解質(zhì)和對(duì)電極組成。制備方法包括采用電沉積法和熱處理制備Al或In摻雜的ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列電極，然后制備與ZnO納米線陣列尺寸相匹配的染料敏化TiO2納米晶半導(dǎo)體光陽(yáng)極，最后組裝電池。本發(fā)明的染料敏化太陽(yáng)電池以絨面結(jié)構(gòu)的ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列作為透明電極，可起到加快電子傳輸至導(dǎo)電電極和絨面陷光作用，從而提高光電轉(zhuǎn)換效率。
【專利說明】基于ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列電極的染料敏化太陽(yáng)電池及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于太陽(yáng)電池領(lǐng)域，具體涉及一種基于ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列為透明電極的染料敏化太陽(yáng)電池。
【背景技術(shù)】
[0002]染料敏化太陽(yáng)電池(Dye-sensitized Solar Cells,DSCs)是模仿光合作用原理的一種有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化太陽(yáng)電池，被譽(yù)為新一代太陽(yáng)電池，自瑞士洛桑聯(lián)邦工業(yè)學(xué)院GratzdM教授于1991年取得突破性進(jìn)展以來，一直是國(guó)際國(guó)內(nèi)太陽(yáng)電池領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。它具有原材料豐富、生產(chǎn)成本低(僅為娃太陽(yáng)電池的1/10-1/5)、工藝技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單、易于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)光譜響應(yīng)范圍寬、性能穩(wěn)定、衰減少，制備過程能耗少、對(duì)環(huán)境友好，因此吸引了眾多科學(xué)家和企業(yè)進(jìn)行基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)化開發(fā)。近十年來，世界各國(guó)都加大對(duì)DSCs的研發(fā)力度，尤其是瑞士和日本在研究和產(chǎn)業(yè)化方面一直走在世界前列。我國(guó)非常重視DSCs的研究和開發(fā)，中科院等離子體物理所、物理所、化學(xué)所、理化所、長(zhǎng)春應(yīng)化所、北京大學(xué)、清華大學(xué)、武漢光電國(guó)家實(shí)驗(yàn)室等研究機(jī)構(gòu)分別在大面積DSCs (15 X 20cm2)、應(yīng)用示范工程(500W)、固態(tài)復(fù)合電解質(zhì)、光陽(yáng)極材料、有機(jī)染料、新型對(duì)電極、柔性DSCs、單極板全固態(tài)DSCs等方面取得重要成果。DSCs以其高性價(jià)比的優(yōu)勢(shì)成為硅太陽(yáng)電池強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)者，但仍需進(jìn)一步提高光電轉(zhuǎn)換效率、長(zhǎng)期穩(wěn)定性、降低成本、大面積化和柔性化，從而推動(dòng)其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
[0003]DSCs主要由透明導(dǎo)電電極、納米晶半導(dǎo)體光陽(yáng)極、染料光敏化劑、電解質(zhì)和對(duì)電極五部分組成。光生電子的產(chǎn)生、傳輸與復(fù)合過程:光吸收由靠吸附在納米晶半導(dǎo)體表面的染料完成；染料分子受光輻照后由基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)，在半導(dǎo)體/染料界面處發(fā)生電荷分離，將電子注入到半導(dǎo)體導(dǎo)帶上，再傳輸?shù)綄?dǎo)電基底或在界面處被氧化態(tài)電解質(zhì)(I3-)復(fù)合。半導(dǎo)體中電子傳輸是一個(gè)不斷被電子陷阱俘獲和脫俘的過程，只有導(dǎo)帶中自由電子對(duì)擴(kuò)散過程有貢獻(xiàn)，用有效電子擴(kuò)散系數(shù)Dn表示。電子損失主要是電子與氧化態(tài)電解質(zhì)的復(fù)合，會(huì)產(chǎn)生暗電流而降低電池效率，光陽(yáng)極半導(dǎo)體/電解質(zhì)和導(dǎo)電基底/電解質(zhì)是電子復(fù)合的主要界面。電子傳輸與復(fù)合過程相互競(jìng)爭(zhēng)，可用電子擴(kuò)散長(zhǎng)度Ln= (Dn τ η)1/2來表征，Dn表征電子傳輸過程(電子傳輸時(shí)間τ d),電子壽命τη表征電子復(fù)合過程。由于入射光強(qiáng)度會(huì)改變導(dǎo)帶中光生電子準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)而影響電子俘獲/脫俘過程，所以Dn和τ η都會(huì)隨入射光強(qiáng)變化，但入射光強(qiáng)度對(duì)Dn和τη的影響正好相反，因此Ln基本不依賴于光強(qiáng)。在一定范圍內(nèi)，Ln越大，電子傳輸時(shí)間越短、電子壽命越長(zhǎng)，即τ η/ τ d值越大越有利于電子收集。提高DSCs光電轉(zhuǎn)換效率關(guān)鍵在于:(I)提高太陽(yáng)光捕獲效率和擴(kuò)展染料對(duì)太陽(yáng)光譜響應(yīng)范圍；
(2)提高半導(dǎo)體/染料界面處的電荷分離效率；(3)加快電子傳輸?shù)綄?dǎo)電基底，減少電子被復(fù)合的幾率。
[0004]典型的DSCs光陽(yáng)極是由TiO2納米顆粒組成的多孔厚膜，也可采用ZnO、SnO2和Nb2O3等納米晶半導(dǎo)體作為光陽(yáng)極。在半導(dǎo)體納米顆粒光陽(yáng)極中，電子擴(kuò)散長(zhǎng)度約為7?30μπι，因此多孔膜厚度為ΙΟμπι左右有利于電子收集。增大多孔膜厚度可以擴(kuò)展其對(duì)紅外和近紅外光的吸收，但膜層太厚會(huì)超過電子擴(kuò)散長(zhǎng)度。克服這個(gè)障礙的一種方法是增大半導(dǎo)體光陽(yáng)極中的電子擴(kuò)散長(zhǎng)度。研究表明，在DSCs半導(dǎo)體納米顆粒膜中電子被注入到導(dǎo)電基底或被復(fù)合之前，需要經(jīng)歷上百萬(wàn)次的“俘獲”;準(zhǔn)一維的半導(dǎo)體納米線為單晶結(jié)構(gòu)，具有高的結(jié)晶質(zhì)量、高的長(zhǎng)徑比和量子限域效應(yīng)，電子在單晶納米線一維方向上傳輸比在隨機(jī)結(jié)晶取向的Zn0、Ti02納米顆粒中快幾個(gè)數(shù)量級(jí)，從而減少電子在界面處被復(fù)合的損失。因此，基于準(zhǔn)一維的TiO2或ZnO納米結(jié)構(gòu)陣列光陽(yáng)極的DSCs成為近年來研究的熱點(diǎn)，采用各種方法能夠?qū)崿F(xiàn)TiO2或ZnO納米結(jié)構(gòu)陣列可控生長(zhǎng)并將其應(yīng)用于DSCs光陽(yáng)極。但納米線陣列比表面積較小，造成對(duì)染料吸附量少，染料敏化準(zhǔn)一維半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)陣列太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率不及染料敏化納米顆粒太陽(yáng)電池。最近報(bào)道ZnO納米顆粒與ZnO納米線陣列雜化光陽(yáng)極的DSCs光電轉(zhuǎn)換效率比只采用ZnO納米顆粒或ZnO納米線陣列作光陽(yáng)極的DSCs提高3?4倍。將半導(dǎo)體納米線、棒、管陣列等新的形貌運(yùn)用到DSCs中，特別是雜化納米結(jié)構(gòu)和直線電子傳輸概念的引入，為DSCs指出了一個(gè)重要的發(fā)展方向。
[0005]但是，現(xiàn)有技術(shù)都是將未摻雜ZnO納米線陣列作為DSCs的半導(dǎo)體光陽(yáng)極來考慮，其光電轉(zhuǎn)換效率不高，究其主要原因是產(chǎn)生的光電子仍然不能盡快地傳輸至外電路。這是由于材料的電導(dǎo)率為電子遷移率和載流子濃度的乘積。雖然未摻雜的半導(dǎo)體ZnO納米線中具有足夠高的電子遷移率，但載流子濃度較小，即電子傳輸?shù)摹巴ǖ馈碧?。?dāng)DSCs產(chǎn)生的光電子較少時(shí)，可以很快地傳輸；當(dāng)DSCs產(chǎn)生的光電子較多時(shí)，電子就會(huì)出現(xiàn)“堵塞”，電子傳輸受到限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種以絨面結(jié)構(gòu)的ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列作為透明電極、可起到加快電子傳輸至導(dǎo)電電極和絨面陷光作用從而提高光電轉(zhuǎn)換效率的基于ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列電極的染料敏化太陽(yáng)電池及其制備方法。
[0007]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種基于ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列電極的染料敏化太陽(yáng)電池，所述染料敏化太陽(yáng)電池主要由ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列電極、染料敏化TiO2納米晶半導(dǎo)體光陽(yáng)極、電解質(zhì)和對(duì)電極組成。
[0008]上述的染料敏化太陽(yáng)電池中，優(yōu)選的，所述ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列電極為生長(zhǎng)在FTO (即摻氟二氧化錫)透明導(dǎo)電玻璃襯底上的Al或In摻雜的ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列電極。
[0009]上述的染料敏化太陽(yáng)電池中，優(yōu)選的，所述ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列電極的可見光平均透過率大于60%,電阻率小于10 2Ω.cm。
[0010]上述的染料敏化太陽(yáng)電池中，優(yōu)選的,所述ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列電極中ZnO透明導(dǎo)電納米線的直徑為IOOnm?300nm，長(zhǎng)徑比為5?30，分布密度為IO6根/cm2?IO9根/cm2，所述ZnO透明導(dǎo)電納米線的生長(zhǎng)方向?yàn)椤?01〉晶向垂直于襯底。
[0011]上述的染料敏化太陽(yáng)電池中，優(yōu)選的，所述染料敏化TiO2納米晶半導(dǎo)體光陽(yáng)極由填充在所述ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列之間的染料敏化的粗晶粒TiO2顆粒組成，或者由一層覆蓋在所述ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列表面的染料敏化的致密細(xì)晶粒TiO2膜和填充在所述ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列之間的染料敏化的粗晶粒TiO2顆粒組成。[0012]上述的染料敏化太陽(yáng)電池中，優(yōu)選的，所述致密細(xì)晶粒TiO2膜的TiO2晶粒尺寸為3nm~8nm ;所述粗晶粒TiO2顆粒的晶粒尺寸為20nm~30nm。
[0013]作為一個(gè)總的技術(shù)構(gòu)思，本發(fā)明還提供一種基于ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列電極的染料敏化太陽(yáng)電池的制備方法，包括以下步驟:
[0014](I) ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列電極的制備:以鋅鹽與鋁鹽、或者鋅鹽與銦鹽的混合水溶液為前驅(qū)體，采用電沉積法在FTO透明導(dǎo)電玻璃襯底上制備Al或In摻雜的ZnO納米線陣列，經(jīng)晶化熱處理和真空熱處理后，得到Al或In摻雜的ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列電極；
[0015](2)染料敏化TiO2納米晶半導(dǎo)體光陽(yáng)極的制備:將配制的TiO2漿料刮涂在Al或In摻雜的ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列電極的表面,干燥后于445?~455?下保溫30min~45min,得到Al或In摻雜的ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列電極/TiO2納米晶半導(dǎo)體光陽(yáng)極,然后浸入有機(jī)染料敏化劑的乙醇溶液中浸泡12h~24h,干燥后得到Al或In摻雜的ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列電極/染料敏化TiO2納米晶半導(dǎo)體光陽(yáng)極；
[0016](3)組裝電池:將上述Al或In摻雜的ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列電極/染料敏化TiO2納米晶半導(dǎo)體光陽(yáng)極與電解質(zhì)、對(duì)電極進(jìn)行組裝，得到染料敏化太陽(yáng)電池。
[0017]上述的制備方法中，優(yōu)選的，所述鋅鹽為Zn (NO3) 2、ZnCl2、Zn (CH3COO) 2 ;所述鋁鹽為Al (NO3) 3、AlCl3 ;所述銦鹽為 In (NO3) 3、InCl30
[0018]上述的制備方法中，優(yōu)選的，所述電沉積法的工藝條件為:電流密度_3mA/cm2~-6mA/cm2 ；電沉積溫度80°C ±1°C,電沉積時(shí)間60min~90min ;所述晶化熱處理為:空氣氣氛中，將所述Al或In摻雜的ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列于520°C~530°C下保溫60min~90min，然后隨爐冷卻至室溫；所述真空熱處理為:真空條件下，將晶化熱處理后的Al或In摻雜的ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列于420°C~450°C下保溫30min~45min,然后隨爐冷卻至室溫。
[0019]上述的制備方法中，優(yōu)選的，所述步驟(2)中，在刮涂TiO2I料之前，還包括ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列電極的表面修飾過程:以TiCl4與無(wú)水乙醇的混合溶膠為前驅(qū)體，然后將步驟(1)得到的Al或In摻雜的ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列在混合溶膠中浸潤(rùn)，經(jīng)熱處理后，在Al或In摻雜的ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列表面形成一層致密細(xì)晶粒TiO2膜。
[0020]本發(fā)明中，ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列電極的納米線陣列結(jié)構(gòu)即為絨面結(jié)構(gòu)。
[0021]本發(fā)明中，TiO2漿料主要通過TiO2粉末與有機(jī)粘結(jié)劑、去離子水混合后充分研磨制備得到，屬于常規(guī)制備方法。
[0022]本發(fā)明中，符號(hào)“/”代表兩組件的界面。
[0023]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0024](I)本發(fā)明采用FTO透明導(dǎo)電玻璃襯底上生長(zhǎng)的Al或In摻雜的ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列作為DSCs的透明電極，它不但具有高的電子遷移率，而且具有較高的載流子濃度，所以電導(dǎo)率高。本發(fā)明將這種ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列作為DSCs的透明導(dǎo)電電極，相對(duì)于采用平面透明導(dǎo)電氧化物電極的DSCs，能夠較大幅度地提高光電轉(zhuǎn)換效率。一方面，與未摻雜的ZnO透明半導(dǎo)體納米線陣列相比，本發(fā)明的Al或In摻雜的ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列的電子遷移率和載流子濃度都提高，因而電導(dǎo)率顯著地提高(一般高2個(gè)數(shù)量級(jí))，能夠?qū)SCs產(chǎn)生的光電子盡快地傳輸至外電路；另一方面，本發(fā)明的Al或In摻雜的ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列為絨面結(jié)構(gòu)，與平面的透明導(dǎo)電氧化物膜玻璃電極相比，增大了納米顆粒TiO2光陽(yáng)極與絨面結(jié)構(gòu)電極的接觸面積，即電子傳輸?shù)耐ǖ涝龆?，能夠提高收集電子和將電子傳輸至外電路的效率，因此提高DSCs的光電轉(zhuǎn)換效率。
[0025]現(xiàn)有技術(shù)一般采用平面的透明導(dǎo)電氧化物膜玻璃作為DSCs的透明電極，或在平面的透明導(dǎo)電氧化物膜玻璃襯底上生長(zhǎng)氧化物半導(dǎo)體一維納米結(jié)構(gòu)陣列膜作為DSCs的光陽(yáng)極，而沒有采用透明導(dǎo)電氧化物一維納米結(jié)構(gòu)陣列膜作為DSCs的透明導(dǎo)電電極，其電子傳輸受到限制，影響其光電轉(zhuǎn)換效率。
[0026](2)本發(fā)明中ZnO透明導(dǎo)電納米線的尺寸與太陽(yáng)光的紫外、可見光波長(zhǎng)(250nm~780nm)接近，并且形貌呈類六棱柱形，具有光散射效應(yīng)，起到陷光作用，使太陽(yáng)電池的光捕俘效率提聞。
[0027](3)本發(fā)明中ZnO透明導(dǎo)電納米線的尺寸、分布密度與TiO2納米顆粒尺寸的幾何匹配性好，既保證TiO2納米顆粒有足夠的比表面積吸附染料敏化分子，又保證產(chǎn)生的光電子有足夠多的通道傳輸至導(dǎo)電電極。
【專利附圖】

【附圖說明】:
[0028]圖1為本發(fā)明實(shí)施例1中基于ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列電極的染料敏化太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029]圖2為本發(fā)明實(shí)施例1中ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列形貌的SEM照片。
[0030]圖3為本發(fā)明實(shí)施例2中染料敏化TiO2納米晶半導(dǎo)體光陽(yáng)極與ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列電極的幾何匹配示意圖(剖面)。
[0031]圖例說明:1、FTO透明導(dǎo)電玻璃；2、ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列電極；3、染料敏化TiO2納米晶半導(dǎo)體光陽(yáng)極；4、·電解質(zhì)；5、對(duì)電極；6、太陽(yáng)光；7、染料敏化的致密細(xì)晶粒TiO2膜；8、染料敏化的粗晶粒TiO2顆粒。
【具體實(shí)施方式】
[0032]以下結(jié)合說明書附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述，但并不因此而限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0033]實(shí)施例1
[0034]一種如圖1所示的本發(fā)明的基于ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列電極的染料敏化太陽(yáng)電池，該染料敏化太陽(yáng)電池主要由ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列電極2、染料敏化TiO2納米晶半導(dǎo)體光陽(yáng)極3、電解質(zhì)4 (1^1、12和4_叔丁基吡啶的乙腈溶液)和對(duì)電極5 (鉬電極)組成。ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列電極2的納米線陣列結(jié)構(gòu)即為絨面結(jié)構(gòu)，太陽(yáng)光6從ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列電極2至染料敏化TiO2納米晶半導(dǎo)體光陽(yáng)極3的方向射入電池，在ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列電極2處發(fā)生光散射。
[0035]本實(shí)施例中，ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列電極2為生長(zhǎng)在FTO透明導(dǎo)電玻璃I襯底上的Al摻雜的ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列電極。ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列電極2的可見光平均透過率為68%，電阻率為162Ω/□(相當(dāng)于電阻率10_3Ω.αιι數(shù)量級(jí))。ZnO透明導(dǎo)電納米線的形貌為類六棱柱形，直徑為150nm~250nm,長(zhǎng)徑比為7,分布密度為4X108根/cm2,ZnO透明導(dǎo)電納米線的生長(zhǎng)方向?yàn)椤?01〉晶向垂直于襯底。
[0036]本實(shí)施例中，染料敏化TiO2納米晶半導(dǎo)體光陽(yáng)極3由染料敏化的粗晶粒TiO2顆粒組成，晶粒尺寸為25nm。
[0037]—種上述本實(shí)施例的基于ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列電極的染料敏化太陽(yáng)電池的制備方法，包括以下步驟:
[0038](I )ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列電極2的制備:以Zn (NO3) 2與Al (NO3) 3的混合水溶液(Zn(NO3)2的濃度0.003M、A1/Zn原子比例=3.3%)為前驅(qū)體溶液，采用電沉積法在FTO透明導(dǎo)電玻璃I襯底上制備Al摻雜的ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列，電沉積的工藝條件為:極板間距離2cm，陰極電位-1.5V，電流密度-6mA/cm2，電沉積溫度80°C，電沉積時(shí)間60min。然后，將Al摻雜的ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列進(jìn)行晶化熱處理和真空熱處理。晶化熱處理的條件為:空氣氣氛下，530°C，保溫lh，隨爐冷卻至室溫；真空熱處理的條件為:真空，420°C，保溫30min,隨爐冷卻至室溫，得到Al摻雜的ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列電極，表面形貌如圖2所示，方塊電阻為162 Ω/ □,可見光平均透過率為68%。
[0039](2)1102漿料的制備:將4.5g 二氧化鈦粉末(市售P25)、0.12g乙酰丙酮、0.15g曲拉通X - 100和7.5g去離子水混合后充分研磨，得到TiO2漿料。
[0040](3)染料敏化TiO2納米晶半導(dǎo)體光陽(yáng)極3的制備:將配制的TiO2漿料刮涂在Al摻雜的ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列電極表面上，自然干燥后，在450°C下保溫30min，得到Al摻雜的ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列電極/TiO2納米晶半導(dǎo)體光陽(yáng)極，將Al摻雜的ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列電極/TiO2納米晶半導(dǎo)體光陽(yáng)極浸入0.5mmol/L有機(jī)染料敏化劑N719 (市售)的乙醇溶液中浸泡12h，取出干燥，得到Al摻雜的ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列電極/染料敏化TiO2納米晶半導(dǎo)體光陽(yáng)極。
[0041](4)組裝電池:以透明膠帶作為間隔層，將上述制備的Al摻雜的ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列電極/染料敏化TiO2納米晶半導(dǎo)體光陽(yáng)極與市售鉬對(duì)電極用夾子固定，兩片玻璃稍微錯(cuò)開，滴入液體電解質(zhì)，電解質(zhì)4為含有0.3mol/L LiI,0.03mol/L Ι2、0.5mol/L4 -叔丁基吡啶的乙腈溶液，兩片玻璃暴露在外面的部分連接導(dǎo)線，組裝成染料敏化太陽(yáng)電池，電池有效面積0.42cm2。在光照強(qiáng)度為lOOmW/cm2條件下進(jìn)行測(cè)試，光電轉(zhuǎn)換效率為2.79%，相比于在相同條件下、直接以FTO透明導(dǎo)電玻璃為透明電極的染料敏化太陽(yáng)電池(光電轉(zhuǎn)換效率2.18%)，光電轉(zhuǎn)換效率提高了 28%。
[0042]實(shí)施例2
[0043]一種本發(fā)明的基于ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列電極的染料敏化太陽(yáng)電池，與實(shí)施例1的染料敏化太陽(yáng)電池基本相同，區(qū)別僅在于:如圖3所示，本實(shí)施例的染料敏化TiO2納米晶半導(dǎo)體光陽(yáng)極3由一層覆蓋在ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列表面的染料敏化的致密細(xì)晶粒TiO2膜7和填充在ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列之間的染料敏化的粗晶粒TiO2顆粒8組成，細(xì)晶粒TiO2的晶粒尺寸為5nm ;粗晶粒TiO2顆粒的晶粒尺寸為25nm。
[0044]一種上述本實(shí)施例的基于ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列電極的染料敏化太陽(yáng)電池的制備方法，與實(shí)施例1的步驟基本相同，區(qū)別僅在于:步驟(2)中，在刮涂TiO2I料之前，還包括ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列電極2的表面修飾過程，具體為:以TiCl4與無(wú)水乙醇的混合溶膠為前驅(qū)體，然后將步驟(I)得到的Al摻雜的ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列在溶膠中浸潤(rùn)，再在400°C、空氣氣氛中進(jìn)行熱處理30min，形成一層致密細(xì)晶粒TiO2膜，然后在ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列表面的致密細(xì)晶粒TiO2膜上刮涂TiO2漿料，繼續(xù)后續(xù)步驟。
[0045]本實(shí)施例組裝的染料敏化太陽(yáng)電池，電池有效面積0.42cm2。在光照強(qiáng)度為IOOmW/cm2條件下進(jìn)行測(cè)試，光電轉(zhuǎn)換效率為3.21%，相比于在相同條件下、直接以FTO透明導(dǎo)電玻璃為透明電極的染料敏化太陽(yáng)電池(光電轉(zhuǎn)換效率2.18%)，光電轉(zhuǎn)換效率提高47%。
[0046]以上所述僅是本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅局限于上述實(shí)施例。凡屬于以絨面ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列作為染料敏化太陽(yáng)電池透明電極的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。應(yīng)該指出，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)明原理的前提下的改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種基于ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列電極的染料敏化太陽(yáng)電池，其特征在于，所述染料敏化太陽(yáng)電池主要由ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列電極、染料敏化TiO2納米晶半導(dǎo)體光陽(yáng)極、電解質(zhì)和對(duì)電極組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的染料敏化太陽(yáng)電池，其特征在于，所述ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列電極為生長(zhǎng)在FTO透明導(dǎo)電玻璃襯底上的Al或In摻雜的ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列電極。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的染料敏化太陽(yáng)電池，其特征在于，所述ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列電極的可見光平均透過率大于60%,電阻率小于10 2Ω.cm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的染料敏化太陽(yáng)電池，其特征在于，所述ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列電極中ZnO透明導(dǎo)電納米線的直徑為IOOnm~300nm，長(zhǎng)徑比為5~30，分布密度為IO6根/cm2~IO9根/cm2，所述ZnO透明導(dǎo)電納米線的生長(zhǎng)方向?yàn)椤?01〉晶向垂直于襯底。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的染料敏化太陽(yáng)電池，其特征在于，所述染料敏化TiO2納米晶半導(dǎo)體光陽(yáng)極由填充在所述ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列之間的染料敏化的粗晶粒TiO2顆粒組成，或者由一層覆蓋在所述ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列表面的染料敏化的致密細(xì)晶粒TiO2膜和填充在所述ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列之間的染料敏化的粗晶粒TiO2顆粒組成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的染料敏化太陽(yáng)電池，其特征在于，所述致密細(xì)晶粒TiO2膜的TiO2晶粒尺寸為3nm~8nm ;所述粗晶粒TiO2顆粒的晶粒尺寸為20nm~30nm。
7.一種基于ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列電極的染料敏化太陽(yáng)電池的制備方法，包括以下步驟: (1)ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列電極的制備:以鋅鹽與鋁鹽、或者鋅鹽與銦鹽的混合水溶液為前驅(qū)體，采用電沉積法在FTO透明導(dǎo)電玻璃襯底上制備Al或In摻雜的ZnO納米線陣列，經(jīng)晶化熱處理和真空熱處理后，得到Al或In摻雜的ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列電極； (2)染料敏化TiO2納米晶半導(dǎo)體光陽(yáng)極的制備:將配制的TiO2漿料刮涂在Al或In摻雜的ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列電極的表面，干燥后于445 °C~455 °C下保溫30min~45min,得到Al或In摻雜的ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列電極/TiO2納米晶半導(dǎo)體光陽(yáng)極，然后浸入有機(jī)染料敏化劑的乙醇溶液中浸泡12h~24h，干燥后得到Al或In摻雜的ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列電極/染料敏化TiO2納米晶半導(dǎo)體光陽(yáng)極； (3)組裝電池:將上述Al或In摻雜的ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列電極/染料敏化TiO2納米晶半導(dǎo)體光陽(yáng)極與電解質(zhì)、對(duì)電極進(jìn)行組裝，得到染料敏化太陽(yáng)電池。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制備方法，其特征在于，所述鋅鹽為Zn(N03)2、ZnCl2,Zn (CH3COO)2 ;所述鋁鹽為 Al (NO3) 3、AlCl3 ;所述銦鹽為 In (NO3) 3、InCl30
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制備方法，其特征在于，所述電沉積法的工藝條件為:電流密度-3mA/cm2~_6mA/cm2 ；電沉積溫度80°C ± I°C,電沉積時(shí)間60min~90min ;所述晶化熱處理為:空氣氣氛中，將所述Al或In摻雜的ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列于520°C~530°C下保溫60min~90min，然后隨爐冷卻至室溫；所述真空熱處理為:真空條件下，將晶化熱處理后的Al或In摻雜的ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列于420°C~450°C下保溫30min~45min,然后隨爐冷卻至室溫。
10.根據(jù)權(quán)利要求7、8或9所述的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)中，在刮涂TiO2漿料之前，還包括ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列電極的表面修飾過程:以TiCl4與無(wú)水乙醇的混合溶膠為前驅(qū)體，然后將步驟(1)得到的Al或In摻雜的ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列在混合溶膠中浸潤(rùn)，經(jīng)熱處理后，在Al或In摻雜的ZnO透明導(dǎo)電納米線陣列表面形成一層致密細(xì)晶粒TiO2膜。`
【文檔編號(hào)】H01G9/042GK103578775SQ201310594828
【公開日】2014年2月12日 申請(qǐng)日期:2013年11月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月22日
【發(fā)明者】陳建林, 胡琳琳, 陳薦, 何建軍, 李微, 任延杰, 邱瑋 申請(qǐng)人:長(zhǎng)沙理工大學(xué)