專利名稱：全固態(tài)納米晶太陽能電池及其制法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于納米晶太陽能電池領(lǐng)域，特別涉及到以導(dǎo)電聚合物或無機/導(dǎo)電聚合物協(xié)同體系作為p型材料制備的全固態(tài)納米晶太陽能電池及其制法。
背景技術(shù)：
自從1991年瑞士科學(xué)家Grayzel報道了染料敏化納米晶太陽能電池的研究工作以來，它以其高效和廉價的特性成為最具潛力的新型太陽能電池。這種電池包括納米多孔電極(燒結(jié)的TiO2半導(dǎo)體納米粒子薄膜)、用于吸收光子的染料分子(常用的是釕的配合物)、用做還原介質(zhì)的電解質(zhì)和對電極。當電解質(zhì)選為含I-/I3-的乙腈或乙醇/丙醇溶液時，其光電轉(zhuǎn)換效率可達到10-11％(AM1.5)。但是這種電池在應(yīng)用中存在著穩(wěn)定性差的缺陷，如電解質(zhì)溶液的蒸發(fā)和降解、電解液的滲漏都影響了它的實用化。因此尋找固體材料代替液體電解質(zhì)是非常有意義的。目前用做p型材料的主要是無機化合物，如CuI，CuSCN等，但無機p型材料易結(jié)晶，因此為了增加材料的電接觸，其制備過程步驟繁瑣。導(dǎo)電聚合物材料由于其價格低廉、穩(wěn)定性高，電導(dǎo)率可調(diào)、便于通過化學(xué)方法裁剪等優(yōu)點而成為取代液體電解質(zhì)的材料之一。另外，無機/導(dǎo)電聚合物協(xié)同體系集無機和有機物之優(yōu)點，也成為一種優(yōu)良的固態(tài)p型材料。
染料敏化納米晶太陽能電池及所使用的電解質(zhì)的研究、制備，國內(nèi)外均有專利報導(dǎo)，這些報導(dǎo)大部分是針對半導(dǎo)體納晶電極和敏化劑的制備，而研究對象為液結(jié)型電池。申請?zhí)枮镃N01140225.3的專利申請公開了復(fù)合半導(dǎo)體納米晶薄膜電極的制備方法。專利號為EP1096822的歐洲專利公開了以融鹽作為電解質(zhì)形成的太陽能電池。以導(dǎo)電聚合物或無機/導(dǎo)電聚合物協(xié)同體系作為p型半導(dǎo)體材料制備全固態(tài)染料敏化的太陽能電池還未見專利申請。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一是提供一種以導(dǎo)電聚合物材料或無機/導(dǎo)電聚合物協(xié)同體系作為p型半導(dǎo)體，代替通常染料敏化太陽能電池中的電解質(zhì)溶液，制備出一種全固態(tài)納米晶太陽能電池。
本發(fā)明的再一目的是提供一種以導(dǎo)電聚合物或無機/導(dǎo)電聚合物協(xié)同體系作為p型材料制備的全固態(tài)納米晶太陽能電池的方法。
一種全固態(tài)納米晶太陽能電池，包括電池的陽極、對電極和電解質(zhì)；其特征是所述的電池是以染料敏化的寬禁帶半導(dǎo)體納米晶電極作為陽極，以鍍有鉑或金的導(dǎo)電基片作為對電極，p型導(dǎo)電聚合物材料做電解質(zhì)。
所述的染料是羧基多吡啶釕的配合物。
所述的陽極膜的厚度約為1-10μm。
本發(fā)明的全固態(tài)納米晶太陽能電池的制備方法，該方法的步驟包括(1)將具有導(dǎo)電性的透明薄膜基片清洗干凈；(2)在步驟(1)的基片上涂布半導(dǎo)體納米材料的漿狀物，然后經(jīng)過400℃-600℃高溫?zé)Y(jié)，制備出寬禁帶半導(dǎo)體納米晶薄膜；膜的厚度約為1-10μm；(3)將步驟(2)的寬禁帶半導(dǎo)體納米晶薄膜浸入羧基多吡啶釕的配合物溶液中，放置或回流，取出后清洗干凈，吹干，得到染料敏化的寬禁帶納米晶半導(dǎo)體電極；(4)以染料敏化的寬禁帶納米晶半導(dǎo)體電極作為陽極，將鍍有鉑或金的導(dǎo)電基片作為對電極，以p型導(dǎo)電聚合物材料或無機/導(dǎo)電聚合物協(xié)同體系作為電解質(zhì)，組裝成全固態(tài)納米晶太陽能電池；所述的p型導(dǎo)電聚合物材料或無機/導(dǎo)電聚合物協(xié)同體系是以滴膜或旋涂的方式涂覆在步驟(3)的陽極上作為電解質(zhì)。
所述的導(dǎo)電基片是導(dǎo)電玻璃或?qū)щ娝芰媳∧さ取?br> 所述的半導(dǎo)體納米材料是納米氧化鈦、納米氧化鋅或納米氧化錫材料。
所述的染料是羧基多吡啶釕的配合物。
所述的導(dǎo)電聚合物材料是聚苯胺、聚噻吩或聚吡咯。
所述的無機物是LiI、CuI或CuSCN。
所述的無機/導(dǎo)電聚合物協(xié)同體系中導(dǎo)電聚合物和無機物質(zhì)量比是1∶1～100∶1。
電池的所有制備過程均在通常環(huán)境中進行。無需在無水或無氧的條件下進行，并且電池性能穩(wěn)定。
本發(fā)明的電池穩(wěn)定性好，生產(chǎn)成本低，不存在電解液泄漏和封裝等問題。對本發(fā)明的電池進行表征，測量其電流-電壓曲線(I-V curve)，計算光電轉(zhuǎn)換效率。
測試結(jié)果根據(jù)以上方法組裝的電池，目前達到的最高開路光電壓為開521mV，短路光電流為1.62mA/cm2，光電轉(zhuǎn)換效率為0.5％。


圖1.本發(fā)明的電池結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2.本發(fā)明實施例4的以LiI/聚苯胺協(xié)同體系為p型半導(dǎo)體的染料敏化納米晶二氧化鈦電池的I-V曲線。
附圖標記1.導(dǎo)電基底 2.納米半導(dǎo)體材料的致密層3.納米半導(dǎo)體材料的多孔層4.羧酸多吡啶釕的配合物染料5.無機物/導(dǎo)電聚合物協(xié)同體系或?qū)щ娋酆衔?.金或鉑層具體實施方式
實施例1將導(dǎo)電玻璃清洗干凈，用旋轉(zhuǎn)涂膜的方法制備TiO2致密層。然后將TiO2溶膠均勻涂布在該電極上，在450℃下燒結(jié)，形成TiO2納米晶電極，膜厚為1-10μm。將該電極浸入釕配合物的乙醇溶液中，放置2天，取出后用乙醇反復(fù)淋洗，吹干。將導(dǎo)電率為300S/cm的聚苯胺以滴膜的方式涂到染料敏化后的電極上，作為固體電解質(zhì)。最后用鍍鉑的導(dǎo)電玻璃為對電極，組成太陽能電池。其開路光電壓為173mV，短路光電流為0.37mA/cm2，光電轉(zhuǎn)換效率為0.02％。
實施例2將導(dǎo)電玻璃清洗干凈，用旋轉(zhuǎn)涂膜的方法制備TiO2致密層。然后將TiO2溶膠均勻涂布在該電極上，在450℃下燒結(jié)，形成TiO2納米晶電極，膜厚為1-10μm。將該電極浸入釕配合物的乙醇溶液中，放置2天，取出后用乙醇反復(fù)淋洗，吹干。將導(dǎo)電率為100S/cm的聚苯胺以滴膜的方式涂到染料敏化后的電極上，作為固體電解質(zhì)。最后用鍍鉑的導(dǎo)電玻璃為對電極，組成太陽能電池。其開路光電壓為319mV，短路光電流為0.51mA/cm2，光電轉(zhuǎn)換效率為0.08％。
實施例3將導(dǎo)電玻璃清洗干凈，用旋轉(zhuǎn)涂膜的方法制備TiO2致密層。然后將TiO2溶膠均勻涂布在該電極上，在450℃下燒結(jié)，形成TiO2納米晶電極，膜厚為1-10μm。將該電極浸入釕配合物的乙醇溶液中，放置2天，取出后用乙醇反復(fù)淋洗，吹干。將導(dǎo)電率為10S/cm的聚苯胺以滴膜的方式涂到染料敏化后的電極上，作為固體電解質(zhì)。最后用鍍鉑的導(dǎo)電玻璃為對電極，組成太陽能電池。其開路光電壓為332mV，短路光電流為0.72mA/cm2，光電轉(zhuǎn)換效率為0.1％。
實施例4將導(dǎo)電玻璃清洗干凈，用旋轉(zhuǎn)涂膜的方法制備TiO2致密層。然后將TiO2溶膠均勻涂布在該電極上，在450℃下燒結(jié)，形成TiO2納米晶電極，膜厚為1-10μm。將該電極浸入釕配合物的乙醇溶液中，放置2天，取出后用乙醇反復(fù)淋洗，吹干。將導(dǎo)電率為10S/cm的聚苯胺與LiI以1∶1的質(zhì)量比混合后，旋涂到染料敏化后的電極上，作為固體電解質(zhì)。最后用鍍鉑的導(dǎo)電玻璃為對電極，組成太陽能電池。其開路光電壓為521mV，短路光電流為1.62mA/cm2，光電轉(zhuǎn)換效率為0.5％。
實施例5將導(dǎo)電玻璃清洗干凈，用旋轉(zhuǎn)涂膜的方法制備TiO2致密層。然后將ZnO包覆TiO2溶膠均勻涂布在該電極上，在500℃下燒結(jié)，形成ZnO包覆TiO2納米晶電極，膜厚為1-10μm。將該電極浸入釕配合物的乙醇溶液中，放置1天半，取出后用乙醇反復(fù)淋洗，吹干。將聚噻吩旋涂到染料敏化后的電極上，作為固體電解質(zhì)。最后用鍍鉑的導(dǎo)電玻璃為對電極，組成太陽能電池。其開路光電壓為650mV，短路光電流為0.45mA/cm2，光電轉(zhuǎn)換效率為0.16％。
實施例6將導(dǎo)電玻璃清洗干凈，用旋轉(zhuǎn)涂膜的方法制備TiO2致密層。然后將SnO2包覆TiO2溶膠均勻涂布在該電極上，在600℃下燒結(jié)，形成SnO2包覆TiO2納米晶電極，膜厚為1-10μm。將該電極浸入釕配合物的乙醇溶液中，放置1天，取出后用乙醇反復(fù)淋洗，吹干。將聚吡咯旋涂到染料敏化后的電極上，作為固體電解質(zhì)。最后用鍍鉑的導(dǎo)電玻璃為對電極，組成太陽能電池。其開路光電壓為670mV，短路光電流為0.08mA/cm2，光電轉(zhuǎn)換效率為0.1％。
實施例7將導(dǎo)電玻璃清洗干凈，用旋轉(zhuǎn)涂膜的方法制備TiO2致密層。然后將TiO2溶膠均勻涂布在該電極上，在450℃下燒結(jié)，形成TiO2納米晶電極，膜厚為1-10μm。將該電極浸入釕配合物的乙醇溶液中，回流兩小時，取出后用乙醇反復(fù)淋洗，吹干。將導(dǎo)電率為10S/cm的聚苯胺旋涂到染料敏化后的電極上(5層)，作為固體電解質(zhì)。最后用鍍鉑的導(dǎo)電玻璃為對電極，組成太陽能電池。其開路光電壓為263mV，短路光電流為0.58mA/cm2，光電轉(zhuǎn)換效率為0.069％。
實施例8將導(dǎo)電玻璃清洗干凈，用旋轉(zhuǎn)涂膜的方法制備TiO2致密層。然后將TiO2溶膠均勻涂布在該電極上，在450℃下燒結(jié)，形成TiO2納米晶電極，膜厚為1-10μm。將該電極浸入釕配合物的乙醇溶液中，回流兩小時，取出后用乙醇反復(fù)淋洗，吹干。將導(dǎo)電率為10S/cm的聚苯胺旋涂到染料敏化后的電極上(10層)，作為固體電解質(zhì)。最后用鍍鉑的導(dǎo)電玻璃為對電極，組成太陽能電池。其開路光電壓為285mV，短路光電流為0.67mA/cm2，光電轉(zhuǎn)換效率為0.07％。
實施例9將導(dǎo)電玻璃清洗干凈，用旋轉(zhuǎn)涂膜的方法制備TiO2致密層。然后將TiO2溶膠均勻涂布在該電極上，在450℃下燒結(jié)，形成TiO2納米晶電極，膜厚為1-10μm。將該電極浸入釕配合物的乙醇溶液中，回流兩小時，取出后用乙醇反復(fù)淋洗，吹干。將導(dǎo)電率為10S/cm的聚苯胺旋涂到染料敏化后的電極上(14層)，作為固體電解質(zhì)。最后用鍍鉑的導(dǎo)電玻璃為對電極，組成太陽能電池。其開路光電壓為0.40mV，短路光電流為0.87mA/cm2，光電轉(zhuǎn)換效率為0.14％。
實施例10將導(dǎo)電玻璃清洗干凈，用旋轉(zhuǎn)涂膜的方法制備TiO2致密層。然后將TiO2溶膠均勻涂布在該電極上，在450℃下燒結(jié)，形成TiO2納米晶電極，膜厚為1-10μm。將該電極浸入釕配合物的乙醇溶液中，回流兩小時，取出后用乙醇反復(fù)淋洗，吹干。將導(dǎo)電率為10S/cm聚苯胺旋涂到染料敏化后的電極上(17層)，作為固體電解質(zhì)。最后用鍍鉑的導(dǎo)電玻璃為對電極，組成太陽能電池。其開路光電壓為301mV，短路光電流為0.7mA/cm2，光電轉(zhuǎn)換效率為0.09％。
實施例11將導(dǎo)電塑料薄膜清洗干凈，用旋轉(zhuǎn)涂膜的方法制備TiO2致密層。然后將TiO2溶膠均勻涂布在該電極上，在400℃下燒結(jié)，形成TiO2納米晶電極，膜厚為1-10μm。將該電極浸入釕配合物的乙醇溶液中，回流3小時，取出后用乙醇反復(fù)淋洗，吹干。將導(dǎo)電率為10S/cm的聚苯胺與CuI以1∶1的質(zhì)量比混合后，旋涂到染料敏化后的電極上，作為固體電解質(zhì)。最后用鍍鉑的導(dǎo)電塑料薄膜為對電極，組成太陽能電池。其開路光電壓為500mV，短路光電流為1.4mA/cm2，光電轉(zhuǎn)換效率為0.45％。
權(quán)利要求
1.一種全固態(tài)納米晶太陽能電池，包括電池的陽極、對電極和電解質(zhì)；其特征是所述的電池是以染料敏化的寬禁帶半導(dǎo)體納米晶電極作為陽極，以鍍有鉑或金的導(dǎo)電基片作為對電極，p型導(dǎo)電聚合物材料或無機/導(dǎo)電聚合物協(xié)同體系做電解質(zhì)；所述的染料是羧基多吡啶釕的配合物；所述的無機/導(dǎo)電聚合物協(xié)同體系中導(dǎo)電聚合物與無機物的質(zhì)量比是1∶1～100∶1。
2.如權(quán)利要求1所述的電池，其特征是所述的陽極膜厚為1-10μm。
3.如權(quán)利要求1所述的電池，其特征是所述的導(dǎo)電基片是導(dǎo)電玻璃或?qū)щ娝芰媳∧ぁ?br> 4.如權(quán)利要求1所述的電池，其特征是所述的半導(dǎo)體納米材料是納米氧化鈦、納米氧化鋅或納米氧化錫材料。
5.如權(quán)利要求1所述的電池，其特征是所述的導(dǎo)電聚合物材料是聚苯胺、聚噻吩或聚吡咯。
6.如權(quán)利要求1所述的電池，其特征是所述的無機物是LiI、CuI或CuSCN。
7.一種如權(quán)利要求1-6任意一項所述的全固態(tài)納米晶太陽能電池的制備方法，其特征是所述的方法步驟包括(1)將具有導(dǎo)電性的透明薄膜基片清洗干凈；(2)在步驟(1)的基片上涂布半導(dǎo)體納米材料的漿狀物，然后經(jīng)過400℃-600℃高溫?zé)Y(jié)，制備出寬禁帶半導(dǎo)體納米晶薄膜；(3)將步驟(2)的寬禁帶半導(dǎo)體納米晶薄膜浸入羧基多吡啶釕的配合物溶液中，放置或回流，取出后清洗干凈，吹干，得到染料敏化的寬禁帶納米晶半導(dǎo)體電極；(4)以染料敏化的寬禁帶納米晶半導(dǎo)體電極作為陽極，將鍍有鉑或金的導(dǎo)電基片作為對電極，以p型導(dǎo)電聚合物材料或無機/導(dǎo)電聚合物協(xié)同體系作為電解質(zhì)，組裝成全固態(tài)納米晶太陽能電池；所述的無機/導(dǎo)電聚合物協(xié)同體系中導(dǎo)電聚合物與無機物的質(zhì)量比是1∶1～100∶1；所述的p型導(dǎo)電聚合物材料或無機/導(dǎo)電聚合物協(xié)同體系是以滴膜或旋涂的方式涂覆在步驟(3)的陽極上作為電解質(zhì)。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征是所述的寬禁帶半導(dǎo)體納米晶薄膜的厚度為1-10μm。
9.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征是所述的導(dǎo)電基片是導(dǎo)電玻璃或?qū)щ娝芰媳∧ぁ?br> 10.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征是所述的半導(dǎo)體納米材料是納米氧化鈦、納米氧化鋅或納米氧化錫材料。
11.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征是所述的導(dǎo)電聚合物材料是聚苯胺、聚噻吩或聚吡咯。
12.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征是所述的無機物是LiI、CuI或CuSCN。
全文摘要
本發(fā)明屬于納米晶太陽能電池領(lǐng)域，特別涉及到以導(dǎo)電聚合物材料或無機/導(dǎo)電聚合物協(xié)同體系作為p型半導(dǎo)體制備的全固態(tài)納米晶太陽能電池及其制法。在具有導(dǎo)電薄膜的透明基片上涂布半導(dǎo)體納米材料的漿狀物，然后經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)，制備出寬禁帶半導(dǎo)體納米晶薄膜，浸入染料溶液中，得到染料敏化的納米晶半導(dǎo)體電極并作為陽極；以導(dǎo)電聚合物或無機/導(dǎo)電聚合物協(xié)同體系作為p型材料涂覆在陽極上，將鍍有鉑或金的導(dǎo)電基片作為對電極，組裝成全固態(tài)納米晶太陽能電池。本發(fā)明的電池穩(wěn)定性好，生產(chǎn)成本低，不存在電解液泄漏和封裝等問題。
文檔編號H01L31/04GK1485928SQ02131030
公開日2004年3月31日 申請日期2002年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月24日
發(fā)明者譚庶欣, 翟錦, 萬梅香, 江雷 申請人:中國科學(xué)院化學(xué)研究所