专利名称：全固态纳米晶太阳能电池及其制法的制作方法
技术领域：
本发明属于纳米晶太阳能电池领域，特别涉及到以导电聚合物或无机/导电聚合物协同体系作为p型材料制备的全固态纳米晶太阳能电池及其制法。
背景技术：
自从1991年瑞士科学家Grayzel报道了染料敏化纳米晶太阳能电池的研究工作以来，它以其高效和廉价的特性成为最具潜力的新型太阳能电池。这种电池包括纳米多孔电极(烧结的TiO2半导体纳米粒子薄膜)、用于吸收光子的染料分子(常用的是钌的配合物)、用做还原介质的电解质和对电极。当电解质选为含I-/I3-的乙腈或乙醇/丙醇溶液时，其光电转换效率可达到10-11％(AM1.5)。但是这种电池在应用中存在着稳定性差的缺陷，如电解质溶液的蒸发和降解、电解液的渗漏都影响了它的实用化。因此寻找固体材料代替液体电解质是非常有意义的。目前用做p型材料的主要是无机化合物，如CuI，CuSCN等，但无机p型材料易结晶，因此为了增加材料的电接触，其制备过程步骤繁琐。导电聚合物材料由于其价格低廉、稳定性高，电导率可调、便于通过化学方法裁剪等优点而成为取代液体电解质的材料之一。另外，无机/导电聚合物协同体系集无机和有机物之优点，也成为一种优良的固态p型材料。
染料敏化纳米晶太阳能电池及所使用的电解质的研究、制备，国内外均有专利报导，这些报导大部分是针对半导体纳晶电极和敏化剂的制备，而研究对象为液结型电池。申请号为CN01140225.3的专利申请公开了复合半导体纳米晶薄膜电极的制备方法。专利号为EP1096822的欧洲专利公开了以融盐作为电解质形成的太阳能电池。以导电聚合物或无机/导电聚合物协同体系作为p型半导体材料制备全固态染料敏化的太阳能电池还未见专利申请。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种以导电聚合物材料或无机/导电聚合物协同体系作为p型半导体，代替通常染料敏化太阳能电池中的电解质溶液，制备出一种全固态纳米晶太阳能电池。
本发明的再一目的是提供一种以导电聚合物或无机/导电聚合物协同体系作为p型材料制备的全固态纳米晶太阳能电池的方法。
一种全固态纳米晶太阳能电池，包括电池的阳极、对电极和电解质；其特征是所述的电池是以染料敏化的宽禁带半导体纳米晶电极作为阳极，以镀有铂或金的导电基片作为对电极，p型导电聚合物材料做电解质。
所述的染料是羧基多吡啶钌的配合物。
所述的阳极膜的厚度约为1-10μm。
本发明的全固态纳米晶太阳能电池的制备方法，该方法的步骤包括(1)将具有导电性的透明薄膜基片清洗干净；(2)在步骤(1)的基片上涂布半导体纳米材料的浆状物，然后经过400℃-600℃高温烧结，制备出宽禁带半导体纳米晶薄膜；膜的厚度约为1-10μm；(3)将步骤(2)的宽禁带半导体纳米晶薄膜浸入羧基多吡啶钌的配合物溶液中，放置或回流，取出后清洗干净，吹干，得到染料敏化的宽禁带纳米晶半导体电极；(4)以染料敏化的宽禁带纳米晶半导体电极作为阳极，将镀有铂或金的导电基片作为对电极，以p型导电聚合物材料或无机/导电聚合物协同体系作为电解质，组装成全固态纳米晶太阳能电池；所述的p型导电聚合物材料或无机/导电聚合物协同体系是以滴膜或旋涂的方式涂覆在步骤(3)的阳极上作为电解质。
所述的导电基片是导电玻璃或导电塑料薄膜等。
所述的半导体纳米材料是纳米氧化钛、纳米氧化锌或纳米氧化锡材料。
所述的染料是羧基多吡啶钌的配合物。
所述的导电聚合物材料是聚苯胺、聚噻吩或聚吡咯。
所述的无机物是LiI、CuI或CuSCN。
所述的无机/导电聚合物协同体系中导电聚合物和无机物质量比是1∶1～100∶1。
电池的所有制备过程均在通常环境中进行。无需在无水或无氧的条件下进行，并且电池性能稳定。
本发明的电池稳定性好，生产成本低，不存在电解液泄漏和封装等问题。对本发明的电池进行表征，测量其电流-电压曲线(I-V curve)，计算光电转换效率。
测试结果根据以上方法组装的电池，目前达到的最高开路光电压为开521mV，短路光电流为1.62mA/cm2，光电转换效率为0.5％。
图1.本发明的电池结构示意图。
图2.本发明实施例4的以LiI/聚苯胺协同体系为p型半导体的染料敏化纳米晶二氧化钛电池的I-V曲线。
附图标记1.导电基底 2.纳米半导体材料的致密层3.纳米半导体材料的多孔层4.羧酸多吡啶钌的配合物染料5.无机物/导电聚合物协同体系或导电聚合物6.金或铂层具体实施方式
实施例1将导电玻璃清洗干净，用旋转涂膜的方法制备TiO2致密层。然后将TiO2溶胶均匀涂布在该电极上，在450℃下烧结，形成TiO2纳米晶电极，膜厚为1-10μm。将该电极浸入钌配合物的乙醇溶液中，放置2天，取出后用乙醇反复淋洗，吹干。将导电率为300S/cm的聚苯胺以滴膜的方式涂到染料敏化后的电极上，作为固体电解质。最后用镀铂的导电玻璃为对电极，组成太阳能电池。其开路光电压为173mV，短路光电流为0.37mA/cm2，光电转换效率为0.02％。
实施例2将导电玻璃清洗干净，用旋转涂膜的方法制备TiO2致密层。然后将TiO2溶胶均匀涂布在该电极上，在450℃下烧结，形成TiO2纳米晶电极，膜厚为1-10μm。将该电极浸入钌配合物的乙醇溶液中，放置2天，取出后用乙醇反复淋洗，吹干。将导电率为100S/cm的聚苯胺以滴膜的方式涂到染料敏化后的电极上，作为固体电解质。最后用镀铂的导电玻璃为对电极，组成太阳能电池。其开路光电压为319mV，短路光电流为0.51mA/cm2，光电转换效率为0.08％。
实施例3将导电玻璃清洗干净，用旋转涂膜的方法制备TiO2致密层。然后将TiO2溶胶均匀涂布在该电极上，在450℃下烧结，形成TiO2纳米晶电极，膜厚为1-10μm。将该电极浸入钌配合物的乙醇溶液中，放置2天，取出后用乙醇反复淋洗，吹干。将导电率为10S/cm的聚苯胺以滴膜的方式涂到染料敏化后的电极上，作为固体电解质。最后用镀铂的导电玻璃为对电极，组成太阳能电池。其开路光电压为332mV，短路光电流为0.72mA/cm2，光电转换效率为0.1％。
实施例4将导电玻璃清洗干净，用旋转涂膜的方法制备TiO2致密层。然后将TiO2溶胶均匀涂布在该电极上，在450℃下烧结，形成TiO2纳米晶电极，膜厚为1-10μm。将该电极浸入钌配合物的乙醇溶液中，放置2天，取出后用乙醇反复淋洗，吹干。将导电率为10S/cm的聚苯胺与LiI以1∶1的质量比混合后，旋涂到染料敏化后的电极上，作为固体电解质。最后用镀铂的导电玻璃为对电极，组成太阳能电池。其开路光电压为521mV，短路光电流为1.62mA/cm2，光电转换效率为0.5％。
实施例5将导电玻璃清洗干净，用旋转涂膜的方法制备TiO2致密层。然后将ZnO包覆TiO2溶胶均匀涂布在该电极上，在500℃下烧结，形成ZnO包覆TiO2纳米晶电极，膜厚为1-10μm。将该电极浸入钌配合物的乙醇溶液中，放置1天半，取出后用乙醇反复淋洗，吹干。将聚噻吩旋涂到染料敏化后的电极上，作为固体电解质。最后用镀铂的导电玻璃为对电极，组成太阳能电池。其开路光电压为650mV，短路光电流为0.45mA/cm2，光电转换效率为0.16％。
实施例6将导电玻璃清洗干净，用旋转涂膜的方法制备TiO2致密层。然后将SnO2包覆TiO2溶胶均匀涂布在该电极上，在600℃下烧结，形成SnO2包覆TiO2纳米晶电极，膜厚为1-10μm。将该电极浸入钌配合物的乙醇溶液中，放置1天，取出后用乙醇反复淋洗，吹干。将聚吡咯旋涂到染料敏化后的电极上，作为固体电解质。最后用镀铂的导电玻璃为对电极，组成太阳能电池。其开路光电压为670mV，短路光电流为0.08mA/cm2，光电转换效率为0.1％。
实施例7将导电玻璃清洗干净，用旋转涂膜的方法制备TiO2致密层。然后将TiO2溶胶均匀涂布在该电极上，在450℃下烧结，形成TiO2纳米晶电极，膜厚为1-10μm。将该电极浸入钌配合物的乙醇溶液中，回流两小时，取出后用乙醇反复淋洗，吹干。将导电率为10S/cm的聚苯胺旋涂到染料敏化后的电极上(5层)，作为固体电解质。最后用镀铂的导电玻璃为对电极，组成太阳能电池。其开路光电压为263mV，短路光电流为0.58mA/cm2，光电转换效率为0.069％。
实施例8将导电玻璃清洗干净，用旋转涂膜的方法制备TiO2致密层。然后将TiO2溶胶均匀涂布在该电极上，在450℃下烧结，形成TiO2纳米晶电极，膜厚为1-10μm。将该电极浸入钌配合物的乙醇溶液中，回流两小时，取出后用乙醇反复淋洗，吹干。将导电率为10S/cm的聚苯胺旋涂到染料敏化后的电极上(10层)，作为固体电解质。最后用镀铂的导电玻璃为对电极，组成太阳能电池。其开路光电压为285mV，短路光电流为0.67mA/cm2，光电转换效率为0.07％。
实施例9将导电玻璃清洗干净，用旋转涂膜的方法制备TiO2致密层。然后将TiO2溶胶均匀涂布在该电极上，在450℃下烧结，形成TiO2纳米晶电极，膜厚为1-10μm。将该电极浸入钌配合物的乙醇溶液中，回流两小时，取出后用乙醇反复淋洗，吹干。将导电率为10S/cm的聚苯胺旋涂到染料敏化后的电极上(14层)，作为固体电解质。最后用镀铂的导电玻璃为对电极，组成太阳能电池。其开路光电压为0.40mV，短路光电流为0.87mA/cm2，光电转换效率为0.14％。
实施例10将导电玻璃清洗干净，用旋转涂膜的方法制备TiO2致密层。然后将TiO2溶胶均匀涂布在该电极上，在450℃下烧结，形成TiO2纳米晶电极，膜厚为1-10μm。将该电极浸入钌配合物的乙醇溶液中，回流两小时，取出后用乙醇反复淋洗，吹干。将导电率为10S/cm聚苯胺旋涂到染料敏化后的电极上(17层)，作为固体电解质。最后用镀铂的导电玻璃为对电极，组成太阳能电池。其开路光电压为301mV，短路光电流为0.7mA/cm2，光电转换效率为0.09％。
实施例11将导电塑料薄膜清洗干净，用旋转涂膜的方法制备TiO2致密层。然后将TiO2溶胶均匀涂布在该电极上，在400℃下烧结，形成TiO2纳米晶电极，膜厚为1-10μm。将该电极浸入钌配合物的乙醇溶液中，回流3小时，取出后用乙醇反复淋洗，吹干。将导电率为10S/cm的聚苯胺与CuI以1∶1的质量比混合后，旋涂到染料敏化后的电极上，作为固体电解质。最后用镀铂的导电塑料薄膜为对电极，组成太阳能电池。其开路光电压为500mV，短路光电流为1.4mA/cm2，光电转换效率为0.45％。
权利要求
1.一种全固态纳米晶太阳能电池，包括电池的阳极、对电极和电解质；其特征是所述的电池是以染料敏化的宽禁带半导体纳米晶电极作为阳极，以镀有铂或金的导电基片作为对电极，p型导电聚合物材料或无机/导电聚合物协同体系做电解质；所述的染料是羧基多吡啶钌的配合物；所述的无机/导电聚合物协同体系中导电聚合物与无机物的质量比是1∶1～100∶1。
2.如权利要求1所述的电池，其特征是所述的阳极膜厚为1-10μm。
3.如权利要求1所述的电池，其特征是所述的导电基片是导电玻璃或导电塑料薄膜。
4.如权利要求1所述的电池，其特征是所述的半导体纳米材料是纳米氧化钛、纳米氧化锌或纳米氧化锡材料。
5.如权利要求1所述的电池，其特征是所述的导电聚合物材料是聚苯胺、聚噻吩或聚吡咯。
6.如权利要求1所述的电池，其特征是所述的无机物是LiI、CuI或CuSCN。
7.一种如权利要求1-6任意一项所述的全固态纳米晶太阳能电池的制备方法，其特征是所述的方法步骤包括(1)将具有导电性的透明薄膜基片清洗干净；(2)在步骤(1)的基片上涂布半导体纳米材料的浆状物，然后经过400℃-600℃高温烧结，制备出宽禁带半导体纳米晶薄膜；(3)将步骤(2)的宽禁带半导体纳米晶薄膜浸入羧基多吡啶钌的配合物溶液中，放置或回流，取出后清洗干净，吹干，得到染料敏化的宽禁带纳米晶半导体电极；(4)以染料敏化的宽禁带纳米晶半导体电极作为阳极，将镀有铂或金的导电基片作为对电极，以p型导电聚合物材料或无机/导电聚合物协同体系作为电解质，组装成全固态纳米晶太阳能电池；所述的无机/导电聚合物协同体系中导电聚合物与无机物的质量比是1∶1～100∶1；所述的p型导电聚合物材料或无机/导电聚合物协同体系是以滴膜或旋涂的方式涂覆在步骤(3)的阳极上作为电解质。
8.如权利要求7所述的方法，其特征是所述的宽禁带半导体纳米晶薄膜的厚度为1-10μm。
9.如权利要求7所述的方法，其特征是所述的导电基片是导电玻璃或导电塑料薄膜。
10.如权利要求7所述的方法，其特征是所述的半导体纳米材料是纳米氧化钛、纳米氧化锌或纳米氧化锡材料。
11.如权利要求7所述的方法，其特征是所述的导电聚合物材料是聚苯胺、聚噻吩或聚吡咯。
12.如权利要求7所述的方法，其特征是所述的无机物是LiI、CuI或CuSCN。
全文摘要
本发明属于纳米晶太阳能电池领域，特别涉及到以导电聚合物材料或无机/导电聚合物协同体系作为p型半导体制备的全固态纳米晶太阳能电池及其制法。在具有导电薄膜的透明基片上涂布半导体纳米材料的浆状物，然后经过高温烧结，制备出宽禁带半导体纳米晶薄膜，浸入染料溶液中，得到染料敏化的纳米晶半导体电极并作为阳极；以导电聚合物或无机/导电聚合物协同体系作为p型材料涂覆在阳极上，将镀有铂或金的导电基片作为对电极，组装成全固态纳米晶太阳能电池。本发明的电池稳定性好，生产成本低，不存在电解液泄漏和封装等问题。
文档编号H01L31/04GK1485928SQ02131030
公开日2004年3月31日 申请日期2002年9月24日 优先权日2002年9月24日
发明者谭庶欣, 翟锦, 万梅香, 江雷 申请人:中国科学院化学研究所