专利名称：具有一定表面形貌的金属光阳极基体的染料敏化太阳能电池的制作方法
技术领域：
本发明属于太阳能电池技术领域。
背景技术：
自18世纪工业革命以来，人类对能量的需求日益增加。目前，能源消耗主要来 自化石燃料，由此引发的能源危机和环境污染成为亟待解决的严重问题。因此，各种 可再生能源包括生物能、风能、水能、核能以及太阳能成为解决世界范围内的能源危 机和环境问题的几个重要途径。太阳能作为一种可再生能源，具有其它能源所不可比 拟的优点，太阳能的研究和应用受到世界各国政府的重视，其中将太阳能转换成电能 的光电转换是其中最重要的研究课题之一。近几十年来，硅太阳能电池得到了飞速的发展，并广泛用于卫星、航天、军事以 及偏远地区的通讯和电力供应等。但是由于硅太阳能电池的成本较高，阻碍了其大规 模应用。瑞士科学家Gr站zel于1991年在Nature上报道了一种价格低廉的染料敏化太 阳能电池(简称DSSC，又简称为Gratzel电池)，该类电池最吸引人的特点是其廉价 的原材料和简单的制作工艺，且性能稳定、衰减少，应用前景十分广阔。目前全世界 已有许多科研机构和公司都在参与这类电池的研究。染料敏化太阳能电池的光阳极与对极均是制作在导电玻璃上的，由于玻璃比较沉 重并且易碎，给电池的制作、运输、安装带了不便，并限制了它的应用范围，于是国 外许多研究者都在开始寻找一种可代替的基体，金属基体和塑料基体由于具有柔性， 又可以通过roll-to-roll实现低成本大规模制作，因此成为首选。染料敏化太阳能电池中的电解液对于绝大多数金属都具有腐蚀性，Tingli Ma等与 MinnaToivola等采用浸泡方法研究普碳钢、镀锌钢板、不锈钢、镍、铝、铜等常用工 业金属板在含碘离子的电解液中的腐蚀行为，通过数月的浸泡，通过检测溶解离子和 观察电解液的颜色变化发现只有不锈钢和钛在电解液中具有较好的稳定性。瑞士 Gr欲zel课题研制的金属钛基柔性染料敏化太阳能电池的效率高达7.2%，是柔性染料 敏化太阳能电池中太阳能与电能转换效率最高的。但是由于金属钛价格太高，将会限 制此类太阳能电池的大规模应用。韩国的Man Gu Kang等在不锈钢基柔性染料敏化太 阳能电池方面也做出了显著的成绩，其转换效率达到了 4.2%。但是金属基体的染料敏化太阳能电池的光电转换效率与玻璃基的染料敏化太阳能电池相比，还是存在效率低的问题。发明内容本发明的目的是针对现有金属基体的染料敏化太阳能电池存在的不足，提出一种 具有一定表面形貌的金属光阳极基体的染料敏化太阳能电池，通过控制金属基体的表 面微结构来提高电池的光电转换效率。本发明的技术方案如下-一种具有一定表面形貌的金属光阳极基体的染料敏化太阳能电池，它由反电极、 电解液、吸附有染料的半导体Ti02薄膜、封装材料和光阳极构成，以不锈钢或钛等 金属材料为光阳极基体，其特征在于在光阳极基体的内侧表面采用化学刻蚀、电化学 刻蚀或激光加工方法微加工出表面微结构，使其比表面积大于1.2。所述光阳极基体的粗糙表面是通过在基体表面加工无数的方孔状、圆柱状或金字 塔状凸起而获得。所述形成粗糙表面的方孔的宽度、圆柱之间的宽度或金字塔塔尖之间的宽度尺寸 W在10 50pm之间，深度尺寸D略低于Ti02薄膜厚度。以下是光阳极基体的表面微结构改善电池性能的原因分析:染料敏化太阳能电池的工作原理参见图2:在入射光的照射下，染料分子从基态 (S+ZS)跃迁到激发态(SVS')①。光生电子可以从激发态(8+/^)的染料分子转移到半导体 的导带上②，速率在10^ l()iVi之间，半导体导带上的一部分光生电子可以将氧化的 染料分子还原③或者将电解质中的ir还原④，这两个步聚是DSC电池中的两个重要 的电荷复合过程，其速率可达10V1，复合电流密度jo在10-" l(^A/ct^之间。另一 部分光生电子穿过半导体电极⑤，速率在1()S 10Vi之间；通过外电路，在对极上将 13_还原成厂电流密度jo在10-Mo"A/cn^之间。同时，溶液中的r将被氧化的染 料分子还原⑦，速率为1083.1。步聚③和④是光生电子的复合，是一个逆过程，这两个步聚的进行将降低电池的 光电转换效率。而步聚⑤是光生电子在半导体中的传输，是一个比较慢的过程，见图 6A。而本发明通过在光阳极基体上形成表面微结构，将縮短步聚⑤的传输途径。因为， 本发明所使用的金属基体从微观上来说不平整的，表面成规则的凹凸不平，在做成电 池时，凸出部分的金属基体就伸入到半导体(Ti02)中，金属基体是导体，能起到收 集光生电子(e')的作用，如图6B，縮短了光生电子在半导体中的传输路径，使半导 体上的光生电子能有效的进入外电路，降低半导体上的光生电子浓度，同时减少步聚③和④的逆过程，达到提高染料敏化太阳能电池的光电转换效率的目的。此外，这种微结构有利于基体对染料未吸收部分的光进行反射，提高光的捕获效 率。当入射光(hv)照射到染料敏化太阳能电池上时，染料不能吸收所有的光，仍有一部分光未被吸收而透过电池。金属基体具有一定的反射性能，这部分透射光可以被金属基体反射，重新射向吸附有染料的半导体Ti02薄膜，因此这部分透射光还可以被 染料重新吸收利用，以提高电池的光电转换效率，参见图7。由此可见，采用本发明的光阳极基体的表面微结构，可以较好地提高电池的光电转换效率。
图1是金属基染料敏化太阳能电池结构示意图； 图2是染料敏化太阳能电池的工作原理示意图；图3A是本发明提出的光阳极基体表面微结构一方孔状的结构示意图； 图3B是图3A的A向视图； 图3C是图3B的局部放大图；图4A是本发明提出的光阳极基体表面微结构一圆柱状的结构示意图； 图4B是图4A的A向视图； 图4C是图4B的局部放大图；图5A是本发明提出的光阳极基体表面微结构一金字塔状的结构示意图；图5B是图5A的A向视图；图5C是图5B的局部放大图；图6A是普通染料敏化太阳能电池的光生电子在半导体中的传输路径示意图； 图6B是发明染料敏化太阳能电池的光生电子在半导体中的传输路径示意图； 图7是发明染料敏化太阳能电池提高光的捕获率的示意图。
具体实施方式
本发明具有与现有的金属基染料敏化太阳能电池相同的基本结构，参见图l，它 由反电极l、电解液2、吸附有染料的半导体Ti02薄膜3、封装材料4和光阳极5构 成，以不锈钢或钛等金属材料为光阳极基体，而反电极可以是导电塑料，也可以是导 电玻璃。其中半导体Ti02薄膜3是制作在金属光阳极5基体上的，染料吸附在Ti02 外表面及内部孔洞表面，在光阳极5与反电极1之间用封装材料把半导体1102薄膜3 密封形成一空腔，在密封空腔内充满电解液2。本发明的改进之处是对光阳极5金属基体的表面形貌进行了改变，使其由原来的平面变成具有规则凹凸的表面微结构，其 制备方法是采用化学刻蚀、电化学刻蚀或激光加工等方法对金属表面进行微加工，增 加比表面积。具体可采用的表面微结构类型如图3 5所示，图3A、图3B和图3C显示的光阳 极5金属基体表面为无数方孔状凹凸51，图4A、图4B和图4C显示的光阳极5金属 基体表面为无数圆柱状凹凸52，图5A、图5B和图5C显示的光阳极5金属基体表面 为无数金字塔状凹凸53。关键加工尺寸控制由于制作到金属基体表面的二氧化钛薄 膜的厚度通常在4 20pm，因此图中方孔的宽度、圆柱之间的宽度或金字塔塔尖之间 的宽度W1、方孔间隔W2、圆柱直径dl、方孔深度与圆柱高度d的尺寸应与半导体 (Ti02)薄膜的厚度具有相同数量级。Wl的尺寸在10 5(Vm之间。基体的真实表面 积与基体为平面时的表面积之比应大于1.2，最佳值应大于1.4。
权利要求
1、具有一定表面形貌的金属光阳极基体的染料敏化太阳能电池，它由反电极、电解液、吸附有染料的半导体TiO2薄膜、封装材料和光阳极构成，金属材料为光阳极基体，其特征在于在光阳极基体的内侧表面采用化学刻蚀、电化学刻蚀或激光加工方法微加工出表面微结构，使内侧表面的比表面积大于1.2。
2、 根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池，其特征在于所述光阳极基体 的表面微结构是通过在基体表面加工无数的方孔状、圆柱状或金字塔状凸起而获得。
3、 根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池，其特征在于所述形成表面微结构的方孔的宽度、圆柱之间的宽度或金字塔塔尖之间的宽度尺寸在10 50prn之间， 深度尺寸略低于Ti02薄膜厚度。
全文摘要
本发明涉及一种具有一定表面形貌的金属光阳极基体的染料敏化太阳能电池，它由反电极、电解液、吸附有染料的半导体TiO<sub>2</sub>薄膜、封装材料和光阳极构成，以不锈钢或钛等金属材料为光阳极基体，其特征在于在光阳极基体的内侧表面采用化学刻蚀、电化学刻蚀或激光加工方法微加工出表面微结构，使其比表面积大于1.2，所述光阳极基体的粗糙表面是通过在基体表面加工无数的方孔状、圆柱状或金字塔状凸起而获得。该表面微结构可以缩短光生电子在半导体中的传输路径，提高电池的光电转换效率，并且利于基体对染料未吸收部分的光进行反射，提高光的捕获效率。
文档编号H01G9/048GK101262018SQ20071009325
公开日2008年9月10日 申请日期2007年12月30日 优先权日2007年12月30日
发明者芸 杨, 黄光胜 申请人:重庆大学