专利名称：等离子共振诱导的固体太阳能电池的制作方法
技术领域：
本发明属于太阳能电池领域，涉及一种贵金属纳米粒子敏化半导体膜来做 阳极制备固体太阳能电池的方法。
背景技术：
进人20世纪以来，伴随着人类工业文明的迅速发展，煤、石油、天然气等 矿物资源日益枯竭，由此引发的能源危机和环境污染已成为亟待解决的严重问 题.因此人们迫切需要寻找其他新的可替代能源.太阳能具有取之不尽、用之 不竭、安全可靠、无污染、不受地理环境制约等诸多优点，愈来愈受到广泛重 视。1991年，瑞士洛桑高等工业学校的B. O'Regan和M. Graetzel报道了一种以 染料敏化作光阳极的新型高效太阳能电池，从而开创了太阳能电池的新世纪， 世界上第一个纳米太阳能电池诞生了。 1996年，Masamitsu等人利用固态高分子 电解质制备了全固态太阳能电池，利用特殊的制备方法获得了高离子导电性的 电解质，得到了连续的光电流，并得到0.49%的光电转换效率。1998年Graetzel 等人利用OMeTAD作空穴传输材料得到0.74%的光电转换效率，而其单色光光 电转换效率达到了 33%，引起了世人的瞩目，使纳米太阳能电池向全固态迈进 了一大步。贵金属纳米粒子是指直径在1 100nm之间的贵金属粒子(如纳米金、银、 铂等)，也称为超微金属粒子。贵金属纳米粒子属于介观粒子，具有特殊的表面 效应、量子效应和宏观量子隧道效应。理论上，贵金属纳米粒子由于其纳米粒子表面的电子振荡产生的等离子共 振有着特殊的性质，其等离子共振诱导激发的电荷分离可以应用在太阳能电池 上。现在己经有采用固体电解质做太阳能电池的报告，但是以贵金属纳米粒子-半导体复合膜作为光阳极与之结合的太阳能电池还没有报道。发明内容本发明目的在提出于一种用贵金属纳米粒子-半导体膜做光阳极制备固体太 阳能电池的方法。从而利用贵金属纳米粒子在可见光下等离子共振诱导效应产生光生电子，使太阳能电池发电成为可能。为了达到上述目的，本发明的解决方案是一种等离子共振诱导的固体太阳能电池，包括固体电解质和贵金属纳米粒 子-半导体复合膜。进一步，该贵金属纳米粒子的直径为25-100 nm。所用的贵金属纳米粒子-半导体复合膜中所述的贵金属包括金、银、铂、钯， 并且以单层贵金属纳米粒子修饰在多孔的半导体膜上；将贵金属纳米粒子-半导 体复合膜作为光阳极。半导体膜是多孔纳米膜，孔的直径为20-100 nm，而且膜的电阻在80-300 Q 之间。所用阴极材料包括金属铂、镍、金或石墨，优选金属铂。 所述固体电解质包括高聚物固体电解质、塑料晶体电解质、空穴传输剂、离子液体；优选聚氧化乙烯或丁二腈。本发明的创新处在于将贵金属纳米粒子-半导体复合膜用于固体太阳能电池的光阳极，利用贵金属纳米粒子的等离子共振效应产生光生电子使太阳能电池发电成为可能。制备如权利要求1所述的固体太阳能电池的方法，步骤如下(1) 制备贵金属纳米粒子-半导体复合膜；(2) 制备固体电解质；(3) 将固体电解质均匀涂在贵金属纳米粒子-半导体复合膜上，压紧，然后将对 极紧压到固体电解质上，将电池边缘气密封。步骤(3)中制备固体太阳能电池的时候，将各层完全压紧，使得阳极、阴 极和固体电解质之间良好接触，且其中不含空气。步骤(3)中制备固体太阳能电池时，固体电解质与贵金属纳米粒子-半导体 复合膜以行业普通技术人员熟识的方式充分接触。本发明所用的贵金属纳米粒子-Ti02复合膜中贵金属纳米粒子包括金纳米、 银纳米、钯纳米或铂纳米微粒。由于采用了上述方案，本发明具有以下优点本发明提出的利用贵金属纳 米粒子等离子共振诱导的电荷分离来制备固体的太阳能电池的方法不仅可以提 高太阳能电池的光电转换效率，并且价格低廉，电池稳定性好，而且避免了电 解质的泄漏和蒸发、染料的解吸附作用和密封工艺复杂等问题。
图1是本发明所用金纳米粒子的TEM照片； 图2是本发明所用光电能量转化原理示意图； 图3是本发明的复合膜、电池和电池截面的示意图；图4是本发明的固体太阳能电池的工作方式示意图。 图5是本发明的固体太阳能电池的结构示意图。
具体实施方式
本发明提出的一种等离子共振诱导的固体太阳能电池的制备方法，先制备 贵金属纳米粒子-半导体复合膜；然后制备固体电解质，最后以金纳米微粒-Ti02 复合膜作为光阳极，然后制备高聚物固体电解质，将铂片作为光阴极，组装成 固体太阳能电池。以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。图1是本发明所用金纳米粒子的TEM照片从图上可以看出金纳米粒子 为圆球形，且d^5+5nm，可以吸附在多孔Ti02中。图2是本发明所用光电能量转化原理示意图。如图所示，在光照的条件下， 贵金属纳米粒子产生等离子共振效应，释放出电子，并将其传递给Ti02的价带 上，然后电子跃迁至Ti02的导带。使得光能转化成电能。图3是本发明的复合膜、电池和电池截面的示意图。如图所示，由步骤(l) "组装复合膜"到步骤(2)"组装电池"得到电池(3)，电池截面图上显示电 池为三层夹心结构。图4是本发明的固体太阳能电池的工作方式示意图。 如图所示，在太阳光的照射下，由于等离子共振产生了金纳米粒子的光激发态， 释放出电子，然后光激发的电子进入到Ti02本体，以电流的形式流到外电路。 同时，被氧化的金纳米离子从溶液中的F,中得到电子，Fe"变成F,， Fe2+ 从对极上得到电子，再变成F^+，使得氧化还原电对得以不断再生，整个太阳 能电池能不断向外供电。实施例1:制备银纳米粒子敏化的等离子共振诱导的固体太阳能电池 具体步骤如下:用旋转涂膜法将Ti02凝胶(STS-21，购于日本的Ishiham公司) 涂在导电玻璃ITO上,然后在马弗炉中45(TC烧结即可。该Ti02的厚度为几十个 pm，测其交流阻抗为80-100 Q。然后将其室温浸泡在1 M的AgN03溶液(1 mL) 中30min，将Ti02膜取出，蒸馏水冲洗干净后，吹风机吹干。再用18.6mWcnT2 365 nm波长紫外光照射30 min便形成银纳米粒子-1102复合膜。以其做光阳极， 与聚合物电解质和对极组成固体太阳能电池。实施例2:用ZnO膜和W03膜等半导体膜做光电极材料制备等离子共振诱导的固体太 阳能电池ZnO膜和W03膜的具体制备如下ZnO膜的制备将ITO玻璃清洗干净，吹干。然后将0.1MZn(NO3)2和0.1 MKC1混合均匀，通高纯氧10min,将体系恒温在70°C，以ITO玻璃做工作电极， 铂丝做辅助电极，Ag/AgCl电极做参比电极在-0.9V电位下进行电沉积。最后用 蒸馏水冲洗晾干，膜在马弗炉中30min升温到60(TC,然后保温30 min，冷却 到室温即可。WCb膜的制备将ITO玻璃清洗干净，吹干。然后将O.l M的Na2W04和 0.08M的H202 (0.1 mol/L)均匀混合，然后加0.36M的112804制备电解液。在 电化学工作站上设置阴极电位为-0.5V，时间600s，用恒电位法以铂丝做阳极， ITO玻璃做阴极，Ag/AgCl电极做参比进行三电极体系电沉积。最后用蒸馏水冲 洗电沉积完的W03薄膜，晾干，膜在马弗炉中25(TC热处理1 h。(参考文献为 五/e"rac/iz'm.爿"a， 2004, 49， 2425-2433)固体太阳能的制备步骤如下按以上步骤制备ZnO膜或W03膜，然后将 0.05 mM的HAuCl4溶液滴在膜上，用365 nm波长紫外光照射直到出现金的淡 红色，便形成金纳米粒子-ZnO膜复合膜或金纳米粒子-W03膜。以其做光阳极与 固体电解质、对极组成固体太阳能电池。实施例3:用丁二腈做固体电解质制备等离子共振诱导的固体太阳能电池 丁二腈的结构图如下具体步骤如下用双面胶将ITO基底上贵金属纳米粒子-1102复合膜和铂 片对极粘在一起，中间用U型垫片隔开，以保证一定的厚度。将氧化还原对加 入到丁二腈中，然后将此混合溶液加热直至变成液体，将液体的电解质注入到 工作电极和铂片对极间的空间里，冷却至室温后电解质变成固体。与光阳极、 对极组成固体太阳能电池。电池的四周气密封，防止空气及水汽的进入。实施例4:用1712或Fe(CN)6"/Fe(CN)^氧化还原对制备等离子共振诱导的固体太阳能电池具体步骤如下将物质的量比为10: 1的KI和l2或者物质的量比为2: 1的K4Fe(CN)6和K3Fe(CN)6氧化还原对加入到电解质溶液中，充分混合，然后蒸 发溶剂制备成固体电解质，与光阳极、对极组成固体太阳能电池。实施例5:用聚氧化乙烯固体电解质做电解质制备等离子诱导共振固体太阳能电池具体步骤如下将质量分数为9%-15%的Ti02粉末(STS-21，购于日本的 Ishihara公司)分散在50 ml的乙腈中，然后加入质量分数为22%-28%的各种氧 化还原对(氧化还原对的量可以调整优化)，再加入质量分数为63%的聚乙烯氧 化物(分子量MW-2 000 000)，缓慢搅拌24h。最后电解质放于烤炉上70。C蒸 发去溶剂。制备成聚氧化乙烯固体电解质，与光阳极、对极组成固体太阳能电 池。
权利要求
1. 一种太阳能电池，其特征在于包括固体电解质和贵金属纳米粒子-半导体复合膜。
2. 如权利要求l所述的太阳能电池，其特征在于该贵金属纳米粒子的直径为 25-100 nm。
3. 如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于所用的贵金属纳米粒子-半导 体复合膜中所述的贵金属包括金、银、铂、钯，以单层贵金属纳米粒子修饰 在多孔的半导体膜上；将贵金属纳米粒子-半导体复合膜作为光阳极。
4. 如权利要求3所述的太阳能电池，其特征在于半导体膜是多孔纳米膜，孔 的直径为20-100 nm，而且膜的电阻在80-300 Q之间。
5. 如权利要求2所述的太阳能电池，其特征在于所用阴极材料包括金属钼、 镍、金或石墨，优选金属铂。
6. 如权利要求2所述的固体太阳能电池，其特征在于所述固体电解质包括高 聚物固体电解质、塑料晶体电解质、空穴传输剂、离子液体；优选聚氧化乙 烯或丁二腈。
7. 制备如权利要求1所述的太阳能电池的方法，其特征在于步骤如下(1) 制备贵金属纳米粒子-半导体复合膜；(2) 制备固体电解质；(3) 将固体电解质均匀涂在贵金属纳米粒子-半导体复合膜上，压紧，然后 将对极紧压到固体电解质上，将电池边缘气密封。
8. 如权利要求7所述的制备方法，其特征在于步骤(3)中制备太阳能电池 的时候，将各层完全压紧，使得阳极、阴极和固体电解质之间良好接触，其 中不含空气。
9. 如权利要求7所述的制备方法，其特征在于步骤(3)中制备太阳能电池 时，固体电解质与贵金属纳米粒子-半导体复合膜充分接触。
全文摘要
本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种等离子共振诱导的固体太阳能电池，包括固体电解质和贵金属纳米粒子-半导体复合膜。本发明将贵金属纳米粒子紫外照射到半导体膜上，组成贵金属纳米粒子-半导体复合膜，以其作为工作电极，并且应用高聚物固体电解质来做电解质制备固体太阳能电池，既可以避免液体电解质的泄露问题，有机或无机配体染料的解吸附问题，又可以节约染料制作的成本，提高太阳能电池的光电转换效率，从而使固体太阳能电池的应用更加广泛。
文档编号H01G9/032GK101271782SQ20081003685
公开日2008年9月24日 申请日期2008年4月30日 优先权日2008年4月30日
发明者达 张, 阳 田, 秀 石 申请人:同济大学