专利名称：一种有序纳米半导体阵列染料敏化太阳电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及太阳能光电利用领域，具体涉及一种有序纳米氧化钛阵列染料敏化太阳电池。
背景技术：
染料敏化太阳电池由光电化学电极(也称阳极)、电解液(溶解氧化还原电对)、对电极三部分组成。其中光电化学电极是采用半导体材料附着在导电体上，半导体材料多数选用纳米氧化钛，在高倍电镜下观察，电极的微观形态是多孔状互相连接的纳米颗粒。光电化学电极的作用是光子的吸收，光生电子的产生和传输。内部是多孔结构，用于氧化还原电对的迁移，该部分是染料敏化电极的核心部分。
现有染料敏化太阳电池的光电化学电极的半导体材料通常采用氧化钛的前驱体，经过分解步骤产生氧化钛。前驱体分解过程中低沸点物挥发和前驱体分解产生多孔结构，氧化钛颗粒之间发生附着和连接。问题是(1)颗粒与颗粒之间的连接部分材料的晶型或结构与颗粒可能有差异，导致缺陷和位错，结果影响光生电子的传输速率，甚至提高光生电子与空穴复合的机会；(2)由于多孔结构是小分子挥发或前驱体分解缩合而形成，孔的大小、形态是随机形成，不可能形成规则的孔洞，结果降低有效的比表面积、影响氧化还原对的扩散和增加扩散路程，也增加光生电子的扩散路程。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有染料敏化太阳电池的光电化学电极半导体材料存在的问题，提供一种有序半导体材料阵列染料敏化太阳电池，其半导体材料是平行排列的丝状物垂直附在导电体上，以形成规则有序的离子扩散网络，使离子扩散路程尽可能短。
本发明提供一种有序半导体材料阵列染料敏化太阳电池，包括透光壳体，透光壳体内有光电化学电极和对电极，透光壳体内充有电解液，其端口通过密封胶予以封装；光电化学电极是半导体材料附着在导电体上构成的，所述半导体材料是平行排列的丝状物垂直附在导电体上。
上述技术方案中，所述半导体材料为纳米氧化钛。
上述技术方案中，所述导电体为导电玻璃、导电塑料或其它导电材料。
上述技术方案中，所述电解液为含I-和I2的电解液。
光生电子在光电化学电极中(1)要求扩散速率快，避免与空穴复合的机会；(2)颗粒之间的孔隙要畅通的离子扩散网络，扩散路程越短越好。结构和晶型均一的材料没有缺陷，不发生电子湮灭，电子扩散速率保持一致。将半导体材料做成平行排列的丝状物(或棒状物、线状物)垂直附在导电体上有利于电子的传输，在电极电势、电场等作用下电子基本保持单向扩散，速率自然提高。而电子以最快的速率经过导体到达外电路，与空穴(正电荷)复合的机会大大降低。由于半导体材料(纳米氧化钛)的排列是规则分布在导体上，材料之间形成规则空间，根据氧化还原电对(离子形态)扩散选择一个最佳的尺寸，在这种条件下，离子以最短的扩散路程在阳极和对电极之间扩散，有利于提高光电转换效率。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果染料敏化太阳电池的主要技术指标是光电转换效率，与光生电子扩散速率、电子与空穴复合、离子扩散电导紧密相关。电子扩散速率与材料的结构相关，扩散速率提高可以降低电子滞留时间，降低电子与空穴复合的几率。离子扩散电导由扩散距离，畅通的扩散网络决定。
纳米颗粒材料经过热处理之后容易形成哑铃形颗粒连接体，不规则内孔(见图1)等结构，不利于电子和离子扩散。纳米阵列很好的克服这些技术难题，材料内部组成和结构均一，外部空间分布合理有序(见图2、图3)，用这种材料制备的阳极既有大比表面积，也保证了光生电子有效扩散和高的离子迁移电导，与现有技术相比有显著的进步。
图1为现有染料敏化太阳电池的结构简图；图2为本发明染料敏化太阳电池的结构简图；图3为纳米氧化钛阵列图。
具体实施例方式
实施例1如图2所示，本发明提供的一种有序半导体材料阵列染料敏化太阳电池，包括透光壳体1，透光壳体1内有光电化学电极2和对电极3，透光壳体1内充有电解液4，其端口通过密封胶予以封装；光电化学电极2是纳米氧化钛21附着在导电玻璃22上构成的，所述纳米氧化钛21是平行排列的丝状物垂直附在导电体22上。如图3所示。上述技术方案中，电解液4为含I-和I2的电解液。将纳米氧化钛21做成平行排列的丝状物垂直附在导电玻璃22上有利于电子的传输，在电极电势、电场作用下电子基本保持单向扩散，速率自然提高。而电子以最快的速率经过导体到达外电路，与空穴(正电荷)复合的机会大大降低。由于纳米材料的排列是规则分布在导体上，材料之间形成规则空间，根据氧化还原电对(离子形态)扩散选择一个最佳的尺寸，在这种条件下，离子以最短的扩散路程在阳极和对电极之间扩散，有利于提高光电转换效率。
取纯度大于99.99％的铝膜，厚度10～20微米，采用电化学阳极氧化的方法制成多孔铝膜。首先在500℃下退火23小时，接着5％氢氧化钠水溶液中腐蚀2分钟。于含有60％乙醇，9.5％丁氧基乙醇，12％高氯酸，18.5％水的溶液中进行电化学抛光电流密度为500mA/cm2(毫安/平方厘米)，温度6℃，时间2分钟。将此铝膜作阳极，铂作对电极，依次进行氧化和腐蚀。第一次氧化条件是溶液采用10％磷酸，恒定电压190V，温度1℃，氧化5小时；将铝膜置于6％磷酸和0.2M三价铬酸的1∶1混合液中腐蚀40分钟，温度为60℃；第二次氧化条件与第一次相同，氧化时间为1小时。至此，多孔氧化铝模板即可制成。将此多孔铝膜贴在经过清洗的导电玻璃导电的表面进行电化学沉积。沉积溶液按以下配制取30％三氯化钛，用10％盐酸溶解，用蒸馏水稀释到浓度0.2M，用饱和碳酸钠溶液调pH大约2。脉冲条件正电流55mA/cm2，时间6毫秒，负电流40mA/cm2，时间3毫秒。然后将沉积好的膜在稀盐酸中溶解去除氧化铝，得到有序排列的纳米氧化钛。
将所制得的有序排列氧化钛在0.2mM(毫摩尔/升)Ruthenium620-1H3TBA(钌化合物染料)，乙醇作溶剂，浸24小时，取出，用无水乙醇淋洗2～3遍，在氮气中干燥，光电化学电极2制作完成。将光电化学电极2与对电极3，吸电解液4，封装，制成有序半导体材料阵列染料敏化太阳电池。
权利要求
1.一种有序纳米半导体阵列染料敏化太阳电池，包括透光壳体(1)，光电化学电极(2)，对电极(3)，电解液(4)；光电化学电极(2)和对电极(3)位于壳体(1)内，壳体(1)还充有电解液(4)，封装；光电化学电极(2)是半导体材料(21)附着在导电体(22)上构成的，其特征在于所述半导体材料(21)是平行排列的丝状物垂直附在导电体(22)上。
2.根据权利要求1所述的有序纳米半导体阵列染料敏化太阳电池，其特征在于所述半导体材料(21)为纳米氧化钛。
3.根据权利要求1或2所述的有序纳米半导体阵列染料敏化太阳电池，其特征在于所述导电体(22)为导电玻璃、导电塑料或其它导电材料。
4.根据权利要求1所述的有序纳米半导体阵列染料敏化太阳电池，其特征在于所述电解液(4)为含I-和I2的电解液。
全文摘要
本发明公开了一种有序纳米半导体阵列染料敏化太阳电池，包括透光壳体，透光壳体内有光电化学电极和对电极，透光壳体内充有电解液，其端口通过密封胶予以封装；光电化学电极是半导体材料附着在导电体上构成的，所述半导体材料是平行排列的丝状物垂直附在导电体上。平行阵列克服了现有技术的难题，材料内部组成和结构均一，外部空间分布合理有序，制备的光电化学电极既有大比表面积，也保证了光生电子有效扩散和高的离子迁移电导，与现有技术相比有显著的进步。
文档编号H01M14/00GK1815759SQ20051010235
公开日2006年8月9日 申请日期2005年12月13日 优先权日2005年12月13日
发明者沈辉, 夏建汉, 刘素琴, 李朝建, 黄可龙, 舒碧芬 申请人:中山大学