专利名称：一种染料敏化太阳能电池及其制备方法
技术领域：
本发明属于染料敏化太阳能电池领域，特别是涉及一种染料敏化太阳能电池及其制备方法。
背景技术：
21世纪以后，能源问题已经成为了关系人类生存的重要问题。在经济和社会快速发展的过程中，人类对能源的需求越来越大。然而，传统的化石燃料(煤、石油、天然气)正因不断大量消耗而日趋枯竭。可再生新能源的开发有助于缓解世界能源和环境的压力，而太阳能是所有新能源中分布最为广泛，资源量最大的绿色可再生能源。太阳能电池可以把光能直接转化为电能，太阳能电池的开发是利用太阳能最有效的途径之一。太阳能电池体积小，移动方便，使用起来不受地域的限制。我们既可以把太阳能电池做成大规模的发电站，实现并网发电，又可以很方便地用较少的电池组件地给偏远地区用户提供生活电能，或者给移动通讯设备提供电力保障。目前，在市场上占据主导地位的太阳能电池主要是单晶硅和多晶硅太阳能电池，这两种电池的生产技术比较成熟，电池的光电转换效率较高，稳定性好(使用寿命都在15年以上)。但是，硅系太阳能电池对原材料要求苛刻，纯度一般要在99. 9999%以上，而且制作工艺复杂，成本高居不下，发电成本较高，无法实现超大规模实用化。针对现阶段硅系太阳能电池的成本问题，从上世纪九十年代开始，一种新型的有机一无机复合的太阳能电池——染料敏化太阳能电池以其成本低廉，制备简便的特点引起了人们的广泛关注。它也被认为是一种很有前途的利用太阳能的技术。1991年，瑞士洛桑高等工业学院的GrStzel教授的科研小组将多孔TiO2膜应用到这种电池中，使这种电池的光电转换效率有了很大的提高，取得了突破性的进展(GrStzel等，美国专利，公开号，W09116719A-31 Oct 1991 ；GrStzel等，美国专利，公开号，US005350644A-27 Sep 1994)。目前单结结构和叠层结构的染料敏化太阳能电池分别得到了 11. 18%和 15. 09% 的光电转换效率(Progress In Photovoltaics =Research AndApplications,2006. V. 14. 429—442，Applied Physics Letters,2006. V. 88. 203103-1-3)。染料敏化太阳能电池的光吸收与分离分别在不同的区域中进行，这样就有效地抑止了电荷的重新复合，从而可以使用纯度较低的材料。另外，染料的可选择范围很广，半导体氧化物的成本低廉；从制备工艺上讲，染料敏化太阳能电池也比传统的半导体电池简单很多，这些因素都使得染料敏化太阳能电池的成本大大降低。但是目前，染料敏化太阳能电池的效率和稳定性问题严重影响了其实用化进程。为了解决稳定性问题，很多人尝试使用全固态电解质。但是这种全固态电解质本身电导率比较低，另外与多孔TW2电极的接触不充分，因此制备出的染料敏化太阳能电池光电转换效率比较低。准固态电解质介于液态和全固态电解质之间，有很高的电导率，既能很好地和多孔TiA电极进行接触，制备出的电池又具有很好的稳定性。目前，准固态电解质的研究一直是染料敏化太阳能电池领域研究的热点之一。
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在性能方面，在电池结构中，TiO2/染料/电解质这个界面尤为重要，因为染料吸光产生电子，电子注入TW2导带，TW2导带中的电子与染料正离子及电解质的复合、染料的再生等过程都发生在这个界面上，因此，这个界面极大地影响电池的性能。以往的研究表明对于敏化之后的对于染料的修饰能够明显的改善电池的性能。以往此方面的研究主要通过将敏化之后的光阳极浸泡在修饰材料或其前体的溶液中，再让溶剂挥发来实现。另外，在电解质中添加一定量的修饰材料作为添加剂来对界面行为也是一种重要的途径。通过前一种方法，对阻挡暗反应，改善电子注入，从而改善电池性能有着重要的作用。但是现在的修饰存在反应剧烈，不易操控等问题。而对于在使用电解添加剂的方法，能够通过界面作用来减小暗反应，达到改善电池性能的作用。但问题是染料添加剂的作用集中在界面上，在电解质体相中的作用并不明显，甚至有可能起到负面的作用(降低电导率等)。
发明内容
本发明的目的是提供一种染料敏化太阳能电池及其制备方法。本发明提供的染料敏化太阳能电池，由下至上依次为光阳极、液态界面缓冲层、凝胶电解质层和对电极；所述光阳极由下至上依次为导电玻璃层、多孔膜层和染料层；所述对电极由下至上依次为对电极层和导电玻璃层；构成所述液态界面缓冲层的材料是由如下组分混勻而得单质碘、碘化锂、界面添加剂和溶剂；所述界面添加剂选自N-甲基苯并咪唑(NMBI)、4_叔丁基吡啶(TBP)、醋酸镁、纳米膨润土颗粒(MMT)、纳米氧化铝颗粒和纳米氧化镁颗粒中的至少一种；所述溶剂为3-甲氧基丙腈和碳酸丙烯酯中的至少一种；构成所述凝胶电解质层的材料是由如下组分混勻而得单质碘、碘化锂、1，2_ 二甲基-3-丙基咪唑碘、凝胶剂和溶剂，所述凝胶剂为重均分子量为2000，000的聚氧化乙烯，所述溶剂为3-甲氧基丙腈和碳酸丙烯酯中的至少一种；构成所述多孔膜层的材料为二氧化钛或氧化锌；构成所述染料层的材料为N3染料(顺-二(硫氰酸根)_ 二 G，4' - 二羧酸_2，2'-联吡啶)合钌)或N719染料(二(四丁基铵)顺式-双(异硫氰基)双0，2'-联吡啶_4，4' - 二羧酸)钌(II));构成所述对电极层的材料为钼和石墨中的至少一种。构成所述多孔膜层的材料为二氧化钛时，所述多孔膜层的孔隙率为20% -45%,优选35%，孔径大小为20-30nm ；构成所述多孔膜层的材料为氧化锌时，所述多孔膜层的孔隙率为45% -60%，优选50%，孔径大小为50-1 OOnm。构成所述多孔膜层的材料为二氧化钛时，所述多孔膜层的厚度为10-12微米，优选10微米；构成所述多孔膜层的材料为氧化锌时，所述多孔膜层的厚度为20-30微米，优选20微米；构成所述导电玻璃层的材料为各种常用导电玻璃，如FTO导电玻璃；所述液态界面缓冲层的厚度为2-3微米，优选2微米；所述凝胶电解质层的厚度为30-60微米，优选50微米；所述染料层为单分子层；
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所述导电玻璃层的厚度为1. 1毫米，所述对电极层的厚度为160纳米；所述构成所述液态界面缓冲层的材料中，所述纳米膨润土颗粒为长宽均为lOOnm、层间距为Inm的片状纳米颗粒，所述纳米氧化铝颗粒的粒径为200nm，所述纳米氧化镁颗粒的粒径为200nm。所述构成所述液态界面缓冲层的材料中，所述纳米膨润土颗粒为长宽均为lOOnm、层间距为Inm的片状纳米粒子，所述纳米氧化铝颗粒的粒径为200nm，所述纳米氧化镁颗粒的粒径为200nm;所述构成所述液态界面缓冲层的材料中，所述界面添加剂为N-甲基苯并咪唑(NMBI)时，所述单质碘、碘化锂、溶剂和界面添加剂的用量比为0. Imol 0. Imol 6mL 0. 5_3g,优选 0. Imol 0. Imol 6mL 1. 5g ；所述界面添加剂为4-叔丁基吡啶(TBP)时，所述单质碘、碘化锂、溶剂和界面添加剂的用量比为 0. Imol 0. Imol 6mL 20_200uL，优选0. Imol 0. Imol 6mL IOOuL ；所述界面添加剂为醋酸镁时，所述单质碘、碘化锂、溶剂和界面添加剂的用量比为0. Imol 0. Imol 6mL 0. 02g-0. lg，优选 0. Imol 0. Imol 6mL 0. 05g ；所述界面添加剂为纳米膨润土颗粒(MMT)时，所述单质碘、碘化锂、溶剂和界面添加剂的用量比为 0. Imol 0. Imol 6mL 0. 2g_lg，优选0. Imol 0. Imol 6mL 0. 6g ；所述界面添加剂为纳米氧化铝颗粒时，所述单质碘、碘化锂、溶剂和界面添加剂的用量比为 0. Imol 0. Imol 6mL 0. lg-O. 8g，优选 0. Imol 0. Imol 6mL 0. 4g ；所述界面添加剂为纳米氧化镁颗粒时，所述单质碘、碘化锂、溶剂和界面添加剂的用量比为 0. Imol 0. Imol 6mL 0. lg-O. 8g，优选 0. Imol 0. Imol 6mL 0. 5g ；所述界面添加剂为N-甲基苯并咪唑(NMBI)和纳米氧化镁颗粒时，所述单质碘、碘化锂、溶剂和界面添加剂的用量比为0. Imol 0. Imol 6mL 0. 6-3. 8g，优选0. Imol 0. 5-3g 0. 1-0. 8g，优选 0. Imol 0. Imol 6mL 1. 5g 0. 5g ；所述界面添加剂为N-甲基苯并咪唑(NMBI)和纳米氧化铝颗粒时，所述单质碘、碘化锂、溶剂、N-甲基苯并咪唑和纳米氧化铝颗粒的用量比为0. Imol 0. Imol 6mL 0.5-3g 0. 1-0. 8g,优选 0. Imol 0. Imol 6mL 1. 5g 0. 5g ；所述界面添加剂为N-甲基苯并咪唑(NMBI)和纳米膨润土颗粒(MMT)时，所述单质碘、碘化锂、溶剂、N-甲基苯并咪唑和纳米膨润土颗粒的用量比为0. Imol 0. Imol 6mL0. 5-3g 0. 2g-lg，优选 0. Imol 0. Imol 6mL 1. 5g 0. 6g ；所述界面添加剂为N-甲基苯并咪唑(NMBI)和醋酸镁时，所述单质碘、碘化锂、溶剂、N-甲基苯并咪唑和醋酸镁的用量比为0. Imol 0. Imol 6mL 0. 5_3g 0. 02g-0. Ig，优选 0. Imol 0. Imol 6mL 1. 5g 0. 05g ；所述界面添加剂为4-叔丁基吡啶(TBP)和纳米氧化镁颗粒时，所述单质碘、碘化锂、溶剂、4-叔丁基吡啶和纳米氧化镁颗粒的用量比为0. Imol 0. Imol 6mL 20_200uL0. lg-O. 8g，优选 0. Imol 0. Imol 6mL IOOuL 0. 4g ；所述界面添加剂为4-叔丁基吡啶(TBP)和纳米氧化铝颗粒时，所述单质碘、碘化锂、溶剂和界面添加剂的用量比为0. Imol 0. Imol 6mL 20_200uL 0. lg-O. 8g，优选0. Imol 0. Imol 6mL IOOuL 0. 4g ；所述界面添加剂为4-叔丁基吡啶(TBP)和纳米膨润土颗粒(MMT)时，所述单质碘、碘化锂、溶剂和界面添加剂的用量比为0. Imol 0. Imol 6mL 20_200uL 0. 2g_lg，优选 0. Imol 0. Imol 6mL IOOuL 0. 6g ；所述构成所述凝胶电解质层的材料中，所述单质碘、碘化锂、1，2_ 二甲基-3-丙基咪唑碘、凝胶剂和溶剂的用量比为0. Imol 0. Imol 0. 4-0. 8mol 0. 15-0. 6g 6mL，优选 0. Imol 0. Imol 0. 6mol 0. 6g 6mL。本发明提供的制备上述染料敏化太阳能电池的方法，包括如下步骤1)制备所述染料敏化太阳能电池的光阳极；2)制备液态界面缓冲层在所述步骤1)得到的光阳极表面涂敷一层所述液态界面缓冲层，得到涂敷有所述液态界面缓冲层的光阳极；3)制备凝胶电解质层在所述液态界面缓冲层表面涂敷一层所述凝胶电解质，得到涂敷有所述凝胶电解质层的光阳极；4)组装电池将所述对电极盖在所述步骤幻所得涂敷所述凝胶电解质层的光阳极表面，烘干后，得到本发明提供的染料敏化太阳能电池。上述方法的步骤4)中，所述对电极为所述对电极为钼或石墨中的一种；所述烘干步骤中，温度为70-90°C，优选80°C，时间为10-40分钟，优选20分钟。上述方法的步骤1)中，构成所述多孔膜层的材料为二氧化钛时，所述染料敏化太阳能电池的光阳极可按照常规方法进行制备，如可按照下述文献提供的方法进行制备Self-Organization of Ti02 Nanoparticles in Thin Films,S. D. Burnside,V. Shklover,C. Barbe, P. Comte, F. Arendse, K. Brooks, M. Gratzel. Chemstry of Materials,10 (1998) 2419 2425)，该文献提供的方法具体为a、将TW2纳米晶中加入0. 15g重均分子量为2. OX IO6的聚氧乙烯、0. 75g重均分子量为2万的聚乙二醇和130uL曲拉通，混勻得到浆料；b、将FTO导电玻璃浸入30mmol/L钛酸四丁酯的石油醚溶液中，30s后取出，在空气中晾干，使所述FTO导电玻璃表面覆盖一层TiA薄膜，再将所述TiA薄膜表面覆盖所述步骤a制备所得浆料，并刮膜至TiA薄膜的厚度为10um，晾干后，在450°C下烧结30分钟后，得到TW2薄膜层，再在5mM的染料的溶液中浸泡12小时后，即在TW2薄膜层上得到染料层，完成染料敏化电池的光阳极的制备；构成所述染料层的材料为N3染料(顺-二(硫氰酸根)_二0，4' - 二羧酸-2，2'-联吡啶)合钌)或N719染料(二(四丁基铵)顺式-双(异硫氰基)双0，2'-联吡啶_4，4' -二羧酸)钉(II))，优选顺-二(硫氰酸根)_ 二(4，4-二羧酸-2，2-联吡啶)合钌(N3染料；所述染料的溶液中，溶剂选自乙醇和乙腈中的至少一种，优选乙醇。另外，构成所述多孔膜层的材料为氧化锌时，制备该染料敏化太阳能电池的光阳极的方法亦为常规方法。本发明在现有染料敏化太阳能电池结构中，引入了一种新型的界面缓冲结构，该方法是在制备太阳能电池的方法中，在染料吸附步骤之后，凝胶电解质(即准固态电解质)注入步骤之前，将具有界面作用的材料(如ΝΜΒΙ,ΜΜΤ)的混合液注入电池中，该界面混合液能够起到连接染料和凝胶电解质的作用的同时，并具有界面修饰的作用。本发明提供的制备染料敏化太阳能电池的方法，操作简便，容易控制，材料适用性强，并有效避免了电解质添加剂在电解质体相中对电池性能产生的不利影响。本发明提供的具有新型结构的太阳能电池，在很大程度上拓展了可作用于Ti02/Dye/电解质界面的材料体系，为DSC的界面行为的研究提供了新的思路。另外，还能够起到节约电解质添加剂的作用，降低DSC的成本有着重要的意义。
图1和图2均为在AMI. 5，100mff/cm2条件下使用不同界面添加剂的染料敏化太阳能电池的I-V曲线，其中，A为空白，B为无界面添加剂，C为实施例1制备所得电池，所用界面添加剂为TBP，D为实施例2制备所得电池，所用界面添加剂为NMBI，E为实施例10制备所得电池，所用界面添加剂为NMBI+MMT，F为实施例9制备所得电池，所用界面添加剂为NMBI+醋酸镁，G为实施例4制备所得电池，所用界面添加剂为Al2O3纳米颗粒，H为实施例5制备所得电池，所用界面添加剂为MgO纳米颗粒，I为实施例6制备所得电池，所用界面添加剂为TBP+MMT，J为实施例7制备所得电池，所用界面添加剂为TBP+A1203纳米颗粒，K为实施例8制备所得电池，所用界面添加剂为TBP+MgO纳米颗粒，L为实施例11制备所得电池，所用界面添加剂为NMBI+A1203纳米颗粒。图3为使用不同界面添加剂的染料敏化太阳能电池的暗电流曲线，其中，A为空白，B为无添加剂，C为界面添加剂TBP，D为界面添加剂NMBI，E为界面添加剂NMBI+MMT，F为界面添加剂NMBI+醋酸镁。图4为在黑暗条件下使用不同界面添加剂的染料敏化太阳能电池的I-V曲线(交流阻抗曲线)，其中，A为实施例1中的空白对照，B为实施例1中的无界面添加剂的对照，C为实施例1制备所得电池(界面添加剂为TBP)，D为实施例2制备所得电池(界面添加剂NMBI)，E为实施例10制备所得电池(界面添加剂NMBI+MMT)。图5是本发明提供的染料敏化太阳能电池的结构示意图。图6为实施例1制备所得T^2薄膜层的电镜照片。
具体实施例方式下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。下述实施例中所用界面添加剂纳米醋酸镁颗粒、纳米膨润土颗粒、纳米氧化铝颗粒、纳米氧化镁颗粒和纳米氧化硅颗粒均购自阿法埃莎(天津)化学有限公司，所用重均分子量为2000，000聚氧乙烯购自Aldrich公司。实施例11)制备染料敏化太阳能电池的光阳极(该步骤参见Self-Organization ofTiO2Nanoparticles in Thin Films, S. D. Burnside, V. Shklover, C. Barbe, P. Comte,F. Arendse,K. Brooks, M. Gratzel. Chemstry of Materials，10 (1998) 2419 2425)a、用水热法制备 TiO2 纳米晶，参见 Self-Organization of Ti02 Nanoparticlesin Thin Films, S. D. Burnside, V. Shklover, C. Barbe, P. Comte, F. Arendse, K. Brooks,M. Gratzel. Chemstry of Materials，10 (1998) 2419 2425，其具体步骤如下将 0. Imol 钛酸四异丙酯在300ml去离子水中水解，抽滤，将滤饼转移至水热釜中，用10. 8ml质量百分浓度为25%的四甲基氢氧化铵水溶液稀释成的50ml水溶液，并将其中的30ml加入水热釜，在120°C水热6小时，再在200°C水热16小时，降温，将水热釜中浆料转移入离心管中离心，再用去离子水分离三次，将沉淀转移入锥形瓶，加入去离子水稀释，得到TW2纳米晶。b、在步骤a制备所得TiO2纳米晶中加入0. 15g分子量为2. 0 X 106g/mol的聚氧乙烯PE0、0. 75g重均分子量为2万的聚乙二醇PEG和130uL曲拉通，混勻得到浆料；C、将厚度为1. 1毫米的FTO导电玻璃浸入30mmol/L钛酸四丁酯的石油醚溶液中，30s后取出，在空气中晾干后，使该FTO导电玻璃表面覆盖一层TW2薄膜，再将该TW2薄膜表面覆盖步骤a制备所得浆料，并刮膜至TW2薄膜的厚度为10um，晾干后，在450°C下烧结30分钟后，得到TiA薄膜层，再在5mM染料的溶液中浸泡12小时后，即在TW2薄膜层上得到染料层，完成染料敏化电池的光阳极的制备；其中，所用染料溶液中，染料为N3染料，溶剂为乙醇；该TiA薄膜层中，TiA薄膜的孔隙率为35%，孔径大小为20-30nm，其电镜照片如图6所示。2)制备液态界面缓冲层在步骤1)得到的光阳极表面涂敷一层厚度为2微米的液态界面缓冲液，得到涂敷有液态界面缓冲层的光阳极；其中，液态界面缓冲液是将如下组分混勻而得单质碘0. lmol、碘化锂0. lmol、界面添加剂TBP(IOOuL)和溶剂3-甲氧基丙腈(6mL)；3)制备凝胶电解质层在步骤2、制备所得液态界面缓冲层表面涂敷一层厚度为50微米的凝胶电解质，得到涂敷有凝胶电解质层的光阳极；其中，凝胶电解质是由如下组分混勻而得，单质碘0. lmol、碘化锂0. lmol、l，2-二甲基-3-丙基咪唑碘0. 6mol、凝胶剂重均分子量为2000，000的聚氧化乙烯0. 6g和溶剂3-甲氧基丙腈6mL;4)组装电池将厚度为160纳米的对电极石墨电极盖在步骤幻得到的涂敷有所述凝胶电解质层的光阳极表面，在80°C烘干20分钟后，得到本发明提供的染料敏化太阳能电池。在AMI. 5，100mff/cm2光照下用KEITHLEY 4200测试该电池的I-V性能曲线，如图1中C所示，得到电池的短路电流密度为12. 6mA/cm2，开路电压为0. 67V，填充因子为0. 59，光电转换效率为5. 06%，如图3中C所示，在0. 8V位置暗电流为3. 8mA/cm2。按照该实施例所述方法制备所得染料敏化太阳能电池，其结构示意图如图5所示，由下至上依次为光阳极、液态界面缓冲层、凝胶电解质层和对电极；该光阳极由下至上依次为导电玻璃层、多孔膜层和染料层；该对电极由下至上依次为对电极层和导电玻璃层。其中，该导电玻璃层为厚度为1. 1毫米的FTO导电玻璃；构成所述多孔膜层的材料为二氧化钛，该TiO2薄膜层的厚度为lOum，孔隙率为35%，孔径大小为20-30nm ；构成该染料层的材料为N3染料，该层为单分子层。构成该液态界面缓冲层的材料为单质碘、碘化锂、界面添加剂TBP和溶剂3-甲氧基丙腈，厚度为2微米；构成该凝胶电解质层的材料为单质碘、碘化锂、1，2_ 二甲基-3-丙基咪唑碘、凝胶剂重均分子量为2000，000的聚氧化乙烯和溶剂3-甲氧基丙腈，厚度为50微米；
该对电极层为厚度为160纳米的石墨电极，导电玻璃层为厚度为1. 1毫米的FTO导电玻璃。空白对照去掉步骤幻，即直接将步骤1)所得染料敏化电池的光阳极表面涂敷一层凝胶电解质，其他条件与上完全相同，得到作为空白对照的染料敏化太阳能电池，将该电池在AMI. 5，100mff/cm2光照下用KEITHLEY 4200来测试电池的I-V性能曲线，如图1中A所示，得到电池的短路电流密度为11. OmA/cm2，开路电压为0. 62V，填充因子为0. 52，光电转换效率为3. 58%，如图3中A在0. 8V位置暗电流为3. 8mA/cm2。无界面添加剂的对照染料敏化太阳能电池按照与上完全相同的步骤1)_4)，仅在步骤幻制备液态界面缓冲液时，去掉组分界面添加剂TBP，得到作为无界面添加剂的对照染料敏化太阳能电池。将该电池在AMI. 5，100mff/cm2光照下用KEITHLEY 4200测试电池的I-V性能曲线，如图1中B所示，得到电池的短路电流密度为10. 3mA/cm2，开路电压为0. 60V，填充因子为0. M，如图1中B所示，光电转换效率为3. 31%。如图3中B所示，在0. 8V位置暗电流为4. 8mA/cm2。实施例2按照与实施例1完全相同的步骤，仅将步骤2)中液态界面缓冲层的组分用如下组分及用量进行替换，得到本发明提供的染料敏化太阳能电池单质碘0. lmol，碘化锂0. Imol，溶剂为3-甲氧基丙腈6mL，界面添加剂为NMBI 1. 5g。在AMI. 5，100mff/cm2光照下用KEITHLEY 4200测试该电池的I-V性能曲线，如图1中D所示，得到电池的短路电流密度为11. 8mA/cm2,开路电压为0. 67V，填充因子为0. 61，光电转换效率为4. 88%。如图3中D所示，在0. 8V位置暗电流为3. 2mA/cm2。实施例3按照与实施例1完全相同的步骤，仅将步骤2)中液态界面缓冲层的组分用如下组分及用量进行替换，得到本发明提供的染料敏化太阳能电池单质碘0. lmol，碘化锂0. lmol，溶剂为3-甲氧基丙腈6mL，界面添加剂为MMTO. 6g。该纳米膨润土颗粒(MMT)为长宽均为lOOnm、层间距为Inm的片状纳米颗粒。在AMI. 5，100mff/cm2光照下用KEITHLEY 4200测试该电池的I-V性能曲线，得到电池的短路电流密度为14. 3mA/cm2，开路电压为0. 61V，填充因子为0. 52，光电转换效率为4. 50% ο在0. 8V位置暗电流为4. 2mA/cm2。实施例4按照与实施例1完全相同的步骤，仅将步骤2)中液态界面缓冲层的组分用如下组分及用量进行替换，得到本发明提供的染料敏化太阳能电池单质碘0. lmol，碘化锂0. Imol，溶剂为3-甲氧基丙腈6mL，界面添加剂为粒径为200nm的Al2O3纳米颗粒0. 4g。在AMI. 5，100mff/cm2光照下用KEITHLEY 4200测试该电池的I-V性能曲线，如图2中曲线G所示，得到电池的短路电流密度为11. 2mA/cm2,开路电压为0. 675V，填充因子为0. 64，光电转换效率为4. 83%。在0. 8V位置暗电流为3. 5mA/cm2。实施例5按照与实施例1完全相同的步骤，仅将步骤2)中液态界面缓冲层的组分用如下组分及用量进行替换，得到本发明提供的染料敏化太阳能电池单质碘0. lmol，碘化锂
110. Imol，溶剂为3-甲氧基丙腈6mL，界面添加剂为粒径为200nm的MgO纳米颗粒0. 5g。在AMI. 5，100mff/cm2光照下用KEITHLEY 4200测试该电池的I-V性能曲线，如图2中曲线H所示，得到电池的短路电流密度为10. 87mA/cm2,开路电压为0. 665V，填充因子为0. 675，光电转换效率为4. 88%。在0. 8V位置暗电流为3. 3mA/cm2。实施例6按照与实施例1完全相同的步骤，仅将步骤2)中液态界面缓冲层的组分用如下组分及用量进行替换，得到本发明提供的染料敏化太阳能电池单质碘0. lmol，碘化锂0. Imol，溶剂为3-甲氧基丙腈6mL，界面添加剂为IOOuL TBP+0. 6g MMT。该纳米膨润土颗粒(MMT)为长宽均为lOOnm、层间距为Inm的片状纳米颗粒。在AMI. 5，100mff/cm2光照下用KEITHLEY 4200测试该电池的I-V性能曲线，如图2中曲线I所示，得到电池的短路电流密度为10. 04mA/cm2，开路电压为0. 69V，填充因子为0. 69，光电转换效率为4. 78%。在0. 8V位置暗电流为3. 2mA/cm2。实施例7按照与实施例1完全相同的步骤，仅将步骤2)中液态界面缓冲层的组分用如下组分及用量进行替换，得到本发明提供的染料敏化太阳能电池单质碘0. ImolM，碘化锂0. 1M，溶剂为3-甲氧基丙腈6mL,界面添加剂为IOOuL TBP+0. 4g粒径为200nm的Al2O3纳米颗粒。在AMI. 5，100mff/cm2光照下用KEITHLEY 4200测试该电池的I-V性能曲线，如图2中曲线J所示，得到电池的短路电流密度为11. 17mA/cm2，开路电压为0. 685V，填充因子为0. 65，光电转换效率为5. 01%。在0. 8V位置暗电流为3. 3mA/cm2。实施例8按照与实施例1完全相同的步骤，仅将步骤2)中液态界面缓冲层的组分用如下组分及用量进行替换，得到本发明提供的染料敏化太阳能电池单质碘0. lmol，碘化锂0. Imol，溶剂为3-甲氧基丙腈6mL，界面添加剂为IOOuL TBP+0. 4g粒径为200nm的MgO纳米颗粒。在AMI. 5，100mff/cm2光照下用KEITHLEY 4200测试该电池的I-V性能曲线，如图2中曲线K所示，得到电池的短路电流密度为10. 70mA/cm2，开路电压为0. 73V，填充因子为0.65，光电转换效率为5. 07%.在0.8V位置暗电流为3. OmA/cm2。实施例9按照与实施例1完全相同的步骤，仅将步骤2)中液态界面缓冲层的组分用如下组分及用量进行替换，得到本发明提供的染料敏化太阳能电池单质碘0. lmol，碘化锂0. Imol，溶剂为3-甲氧基丙腈6mL，界面添加剂为1. 5g NMBI+0. 05g醋酸镁。在AMI. 5，100mW/cm2光照下用KEITHLEY 4200测试该电池的I-V性能曲线，如图1中F所示，得到电池的短路电流密度为11. 7mA/cm2,开路电压为0. 7IV，填充因子为0. 61，光电转换效率为5.05%。如图3中F所示，在0.8V位置暗电流为2.6mA/cm2。实施例10按照与实施例1完全相同的步骤，仅将步骤2)中液态界面缓冲层的组分用如下组分及用量进行替换，得到本发明提供的染料敏化太阳能电池单质碘0. lmol，碘化锂0. Imol，溶剂为3-甲氧基丙腈6mL，界面添加剂为1. 5g NMBI+0. 6g MMT，该MMT为长宽均为lOOnm、层间距为Inm的片状纳米颗粒。在AMI. 5，100mW/cm2光照下用KEITHLEY 4200测试该电池的I-V性能曲线，如图1曲线E所示，得到电池的短路电流密度为12.2mA/cm2，开路电压为0.71V，填充因子为0. 62，光电转换效率为5.40%。如图3中E所示，在0.8V位置暗电流为2.8mA/cm2。实施例11按照与实施例1完全相同的步骤，仅将步骤2)中液态界面缓冲层的组分用如下组分及用量进行替换，得到本发明提供的染料敏化太阳能电池单质碘0. lmol，碘化锂0. Imol，溶剂为3-甲氧基丙腈6mL，界面添加剂为1. 5g NMBI+0. 5g粒径为200nm的Al2O3纳米颗粒。在AMI. 5，100mff/cm2光照下用KEITHLEY 4200测试该电池的I-V性能曲线，如图2中曲线L所示，得到电池的短路电流密度为9. 84mA/cm2，开路电压为0. 725V，填充因子为0. 67，光电转换效率为4. 11%.在0. 8V位置暗电流为3. 6mA/cm2。实施例12按照与实施例1完全相同的步骤，仅将步骤2)中液态界面缓冲层的组分用如下组分及用量进行替换，得到本发明提供的染料敏化太阳能电池单质碘0. lmol，碘化锂0. Imol，溶剂为3-甲氧基丙腈6mL，界面添加剂为1. 5g NMBI+0. 5g粒径为200nm的MgO纳米颗粒。在AMI. 5，100mff/cm2光照下用KEITHLEY 4200测试该电池的I-V性能曲线，得到电池的短路电流密度为12. OmA/cm2，开路电压为0. 70V，填充因子为0. 61，光电转换效率为5.12%。在0. 8V位置暗电流为3. 3mA/cm2。
权利要求
1.一种染料敏化太阳能电池，由下至上依次为光阳极、液态界面缓冲层、凝胶电解质层和对电极；所述光阳极由下至上依次为导电玻璃层、多孔膜层和染料层；所述对电极由下至上依次为对电极层和导电玻璃层；构成所述液态界面缓冲层的材料是由如下组分混勻而得单质碘、碘化锂、界面添加剂和溶剂；所述界面添加剂选自N-甲基苯并咪唑、4-叔丁基吡啶、醋酸镁、纳米膨润土颗粒、 纳米氧化铝颗粒和纳米氧化镁颗粒中的至少一种；所述溶剂为3-甲氧基丙腈和碳酸丙烯酯中的至少一种；构成所述凝胶电解质层的材料是由如下组分混勻而得单质碘、碘化锂、1，2_ 二甲基-3-丙基咪唑碘、凝胶剂和溶剂，所述凝胶剂为重均分子量为2000，000的聚氧化乙烯，所述溶剂为3-甲氧基丙腈和碳酸丙烯酯中的至少一种； 构成所述多孔膜层的材料为二氧化钛或氧化锌； 构成所述染料层的材料为N3染料或N719染料； 构成所述对电极层的材料为钼和石墨中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的电池，其特征在于构成所述多孔膜层的材料为二氧化钛，所述多孔膜层的孔隙率为20% -45%，优选35%，孔径大小为20-30nm，所述多孔膜层的厚度为10-12微米，优选10微米。
3.根据权利要求1所述的电池，其特征在于构成所述多孔膜层的材料为氧化锌，所述多孔膜层的孔隙率为45% -60%,优选50%，孔径大小为50-100nm，所述多孔膜层的厚度为 20-30微米，优选20微米。
4.根据权利要求1-3任一所述的电池，其特征在于所述液态界面缓冲层的厚度为2-3 微米，优选2微米；所述凝胶电解质层的厚度为30-60微米，优选50微米； 所述染料层为单分子层； 所述导电玻璃层的厚度为1. 1毫米， 所述对电极层的厚度为160纳米；所述构成所述液态界面缓冲层的材料中，所述纳米膨润土颗粒为长宽均为lOOnm、层间距为Inm的片状纳米颗粒，所述纳米氧化铝颗粒的粒径为200nm，所述纳米氧化镁颗粒的粒径为200nm ；构成所述导电玻璃层的材料为FTO导电玻璃。
5.根据权利要求1-4任一所述的电池，其特征在于所述液态界面缓冲层为下述液态界面缓冲层I-XIII中的任意一种；所述液态界面缓冲层I由单质碘、碘化锂、所述N-甲基苯并咪唑和所述溶剂混勻而得，所述单质碘、碘化锂、所述溶剂和所述N-甲基苯并咪唑的用量比为 0. Imol 0. Imol 6mL 0. 5_3g，优选 0. Imol 0. Imol 6mL 1. 5g ；所述液态界面缓冲层II由单质碘、碘化锂、所述4-叔丁基吡啶和所述溶剂混勻而得，所述单质碘、碘化锂、所述溶剂和所述4-叔丁基吡啶的用量比为 0. Imol 0. Imol 6mL 20_200uL，优选 0. Imol 0. Imol 6mL IOOuL ；所述液态界面缓冲层III由单质碘、碘化锂、所述醋酸镁和所述溶剂混勻而得，所述单质碘、碘化锂、所述溶剂和所述醋酸镁的用量比为0. Imol 0. Imol 6mL 0. 02g-0. Ig,优选 0. Imol 0. Imol 6mL 0. 05g ；所述液态界面缓冲层IV由单质碘、碘化锂、所述纳米膨润土颗粒和所述溶剂混勻而得，所述单质碘、碘化锂、所述溶剂和所述纳米硼润土颗粒的用量比为0. Imol 0. Imol 6mL 0. 2g-lg，优选 0. Imol 0. Imol 6mL 0. 6g ；所述液态界面缓冲层V由单质碘、碘化锂、所述纳米氧化铝颗粒和所述溶剂混勻而得，所述单质碘、碘化锂、所述溶剂和所述纳米氧化铝颗粒的用量比为0. Imol 0. Imol 6mL 0. lg-0. 8g，优选 0. Imol 0. Imol 6mL 0. 4g ；所述液态界面缓冲层VI由单质碘、碘化锂、所述纳米氧化镁颗粒和所述溶剂混勻而得，所述单质碘、碘化锂、所述溶剂和所述纳米氧化镁颗粒的用量比为0. Imol 0. Imol 6mL 0. lg-0. 8g，优选 0. Imol 0. Imol 6mL 0. 5g ；所述液态界面缓冲层VII由单质碘、碘化锂、所述N-甲基苯并咪唑、纳米氧化镁颗粒和所述溶剂混勻而得，所述单质碘、碘化锂、所述溶剂、所述N-甲基苯并咪唑和所述纳米氧化镁颗粒的用量比为0. Imol 0. Imol 6mL 0. 5_3g 0. 1-0. 8g，优选0. Imol 0. Imol 6mL 1. 5g ； 0. 5g ；所述液态界面缓冲层VIII由单质碘、碘化锂、所述N-甲基苯并咪唑、所述纳米氧化铝颗粒和所述溶剂混勻而得，所述单质碘、碘化锂、所述溶剂、所述N-甲基苯并咪唑和所述纳米氧化铝颗粒的用量比为0. Imol 0. Imol 6mL 0. 5_3g 0. 1-0. 8g，优选0. Imol 0. Imol 6mL 1. 5g ； 0. 5g ；所述液态界面缓冲层IX由单质碘、碘化锂、所述N-甲基苯并咪唑、所述纳米膨润土颗粒和所述溶剂混勻而得，所述单质碘、碘化锂、所述溶剂、N-甲基苯并咪唑和所述纳米膨润土颗粒的用量比为0. Imol 0. Imol 6mL 0. 5_3g 0. 2g_lg，优选0. Imol 0. Imol 6mL 1. 5g ； 0. 6g ；所述液态界面缓冲层X由单质碘、碘化锂、所述N-甲基苯并咪唑、所述醋酸镁和所述溶剂混勻而得，所述单质碘、碘化锂、所述溶剂、N-甲基苯并咪唑和所述醋酸镁的用量比为0.Imol 0. Imol 6mL 0. 5_3g 0. 02g-0. Ig,优选0. Imol 0. Imol 6mL 1. 5g 0. 05g ；所述液态界面缓冲层XI由单质碘、碘化锂、所述4-叔丁基吡啶、纳米氧化镁颗粒和所述溶剂混勻而得，所述单质碘、碘化锂、所述溶剂、所述4-叔丁基吡啶和所述纳米氧化镁颗粒的用量比为0. Imol 0. Imol 6mL 20_200uL 0. lg-0. 8g，优选0. Imol 0. Imol 6mL IOOuL 0. 4g ；所述液态界面缓冲层XII由单质碘、碘化锂、所述4-叔丁基吡啶、所述纳米氧化铝颗粒和所述溶剂混勻而得，所述单质碘、碘化锂、所述溶剂、所述4-叔丁基吡啶和所述纳米氧化铝颗粒的用量比为0. Imol 0. Imol 6mL 20_200uL 0. lg-0. 8g，优选0. Imol 0. Imol 6mL IOOuL 0. 4g ；所述液态界面缓冲层XIII由单质碘、碘化锂、所述4-叔丁基吡啶、所述纳米膨润土颗粒和所述溶剂混勻而得，所述单质碘、碘化锂、所述溶剂、所述4-叔丁基吡啶和所述纳米膨润土颗粒的用量比为0. Imol 0. Imol 6mL 20_200uL 0. 2g_lg，优选0. Imol 0. Imol 6mL IOOuL 0. 6g ；所述构成所述凝胶电解质层的材料中，所述单质碘、碘化锂、离子液体、凝胶剂和溶剂的用量比为 0. Imol 0. Imol 0. 4-0. 8mol 0. 15-0. 6g 6mL,优选·0. Imol 0. Imol 0. 6mol 0. 6g 6mL。
6.根据权利要求1-5任一所述的电池，其特征在于所述染料敏化太阳能电池是按照权利要求7-9任一所述方法制备而得。
7.一种制备权利要求1-6任一所述染料敏化太阳能电池的方法，包括如下步骤1)制备所述染料敏化太阳能电池的光阳极；2)制备所述液态界面缓冲层在所述步骤1)得到的光阳极表面涂敷一层所述液态界面缓冲层，得到涂敷有所述液态界面缓冲层的光阳极；3)制备所述凝胶电解质层在所述液态界面缓冲层表面涂敷一层所述凝胶电解质层，得到涂敷有所述凝胶电解质层的光阳极；4)组装电池将所述对电极盖在所述步骤幻得到的涂敷有所述凝胶电解质层的光阳极表面，烘干后，得到所述染料敏化太阳能电池。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于所述步骤4)烘干步骤中，温度为70-900C，优选800C，时间为10-40分钟，优选20分钟。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于构成所述多孔膜层的材料为二氧化钛时，所述染料敏化太阳能电池的光阳极按照包括如下步骤的方法制备而得a、将TW2纳米晶中加入0.15g重均分子量为2. OX IO6的聚氧乙烯、0. 75g重均分子量为2万的聚乙二醇和130uL曲拉通，混勻得到浆料；b、将FTO导电玻璃浸入30mmol/L钛酸四丁酯的石油醚溶液中，30s后取出，在空气中晾干，使所述FTO导电玻璃表面覆盖一层TW2薄膜，再将所述TW2薄膜表面覆盖所述步骤a制备所得浆料，并刮膜至TW2薄膜的厚度为10-12um，晾干后，在450°C下烧结30分钟后，得到TW2薄膜层，再在5mM染料的溶液中浸泡12小时后，即在所述TW2薄膜层上得到染料层，完成所述染料敏化电池的光阳极的制备；所述染料为顺-二(硫氰酸根)_ 二 G，4-二羧酸-2，2-联吡啶)合钌或N719染料，优选顺-二(硫氰酸根)_ 二(4，4-二羧酸-2，2-联吡啶)合钌；所述染料的溶液中，溶剂选自乙醇和乙腈中的至少一种，优选乙醇。
全文摘要
本发明公开一种染料敏化太阳能电池及其制备方法。该染料敏化太阳能电池，由光阳极、液态界面缓冲层、凝胶电解质层和对电极组成。构成液态界面缓冲层的材料是由如下组分混匀而得单质碘、碘化锂、界面添加剂、凝胶剂和溶剂；所述界面添加剂选自N-甲基苯并咪唑、4-叔丁基吡啶、醋酸镁、纳米膨润土颗粒、纳米氧化铝颗粒和纳米氧化镁颗粒中的至少一种；所述凝胶剂为聚氧化乙烯；所述溶剂为3-甲氧基丙腈和碳酸丙烯酯中的至少一种。本发明引入了一种新型的界面缓冲结构，拓展了可作用于TiO2/Dye/电解质界面的材料体系，为DSC界面行为的研究提供了新的思路，且能节约电解质添加剂，对降低DSC的成本有着重要意义。
文档编号H01M14/00GK102385993SQ201010271849
公开日2012年3月21日 申请日期2010年9月2日 优先权日2010年9月2日
发明者史彦涛, 王立铎, 耿怡, 邱勇, 高瑞 申请人:清华大学