专利名称：一种经离子注入处理的染料敏化太阳能电池及其制备方法
技术领域：
本发明涉及染料敏化太阳能电池领域，尤其涉及一种经离子注入处理的染料敏化 太阳能电池及其制备方法。
背景技术：
从1%4年美国贝尔实验室发明太阳能电池以来，人们对太阳能的利用在不断 的提高，其光电转化率也随之提高。瑞士洛桑联邦理工学院的教授于1991年在《自然》 (Nature)上发表的染料敏化太阳能电池制备方法，引起国内外相关学者对该技术广泛关 注。这种有机薄膜电池与传统晶体电池相比制作成本更低、制备工艺更简易、污染性更少， 而且其理论光伏转化效率可达31%。因此该技术具有较开阔的发展前景。染料敏化太阳能电池发电原理类似于植物的光和作用，其结构又类似于三明治叠 层结构，即在两导电基底之间依次分布多孔T^2薄膜、有机染料、电解液以及钼薄膜层。入 射光激发染料产生的电子-空穴对，电子通过T^2导带注入到导电基底由外部导线引出经 过负载回到对电极。被激发的染料在电解液中得到还原，完成一次光伏发电。目前已有文献报道的染料敏化太阳能电池实验室转换率仅达为1 左右，远低于 传统晶体硅电池的20%以上。影响染料敏化太阳能电池光伏转化率的因素较多，其中TiA 导带能级与染料最低未占有轨道能级匹配度影响受激发的染料释放的电子能不能更多的 注入到TiA导带能级，而不会回流至电解液中与其释放的空穴复合。如果TW2导带能级与 染料最低未占有轨道能级匹配度较低，使得光成电子过多的与光生空穴复合，造成光伏损 失。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高光电转换效率的染料敏化太阳能电池 的制备方法以及利用该方法制备的染料敏化太阳能电池，该方法利用离子注入技术产生光 生电子-空穴浅俘获势阱，在TiO2导带与价带之间形成新能级，提高TW2导带与染料最低 未占有轨道能级的匹配度；从而使利用该方法制备的太阳能电池具有较高的光电转化率。为了达到上述目的，本发明提出了一种经离子注入处理的染料敏化太阳能电池的 制备方法，包括以下步骤
a.清洗光阳极基底；
b.制备光吸收层；
c.对经步骤b处理后的光阳极进行第一次热处理；
d.将金属离子注入到经步骤C处理后的光阳极，完成对光阳极的离子注入改性，所述 离子注入改性为Cu/ TiO2改性或Zn/ TiO2改性或Fe/ TiO2改性；
e.对经离子注入改性后的光阳极进行第二次热处理；
f.制备对电极；
g.将步骤f制备的对电极与步骤e制备的光阳极对接，封装制得染料敏化太阳能电池。
上述经离子注入处理的染料敏化太阳能电池的制备方法，所述步骤a中清洗光阳 极基底是指将所述溅射有第一掺氟SnO2导电层的光阳极基底一侧在超声清洗器内将所述 光阳极基底依次使用去离子水、无水乙醇和丙酮清洗10分钟，在烘干箱内烘干后置于浓度 为40 mmol/L的TiCl4溶液中浸泡，水浴加热至70°C下浸泡30分钟后，取出烘干。上述经离子注入处理的染料敏化太阳能电池的制备方法，所述步骤b中制备光吸 收层是指将已配制好的20nm Τ 02料浆和20nm与200nm TiO2混合浆料丝网印刷于所述光 阳极的第一掺氟SnO2导电层表面，通过均化、干燥工艺形成厚度为14 16 μ m的纳米透明 TiO2膜层和TW2混合层，在TW2混合层之上再丝网印刷一层400nm TiO2散射层形成光阳 极光吸收层。上述经离子注入处理的染料敏化太阳能电池的制备方法，所述步骤c中对光阳极 进行第一次热处理是指将经步骤b处理后的光阳极置于气氛炉内，在325°C下保温5 10 分钟后升至375°C保温5 10分钟，再升温到450°C保温10 15分钟，最后将温度升至 500°C并保温10 15分钟，完成所述光阳极的制备。上述经离子注入处理的染料敏化太阳能电池的制备方法，所述步骤d中离子注入 改性是指使用离子注入机，调节触发电压在5 kv 10kv，注入剂量在lX1015/CnTl0X1015/ cm2,束流2. 5mA,将1 3+注入到步骤c所述光阳极，完成对所述光阳极的改性处理。上述经离子注入处理的染料敏化太阳能电池的制备方法，所述步骤e中对经离 子注入改性后的光阳极进行第二次热处理是指将经步骤d改性处理后的光阳极再次置于 40mmol/L的TiCl4溶液中浸泡后烘干，再将所述光阳极置于气氛炉内450°C下保温30分 钟。上述经离子注入处理的染料敏化太阳能电池的制备方法，所述步骤f中对电极制 备是指在对电极基底的一侧溅射第二掺氟SnO2导电层，接着利用丝网印刷法将钼浆印刷至 所述第二掺氟SnA导电层表面，再在400°C下处理10分钟制成所述对电极。上述经离子注入处理的染料敏化太阳能电池的制备方法，所述步骤g中封装制得 染料敏化太阳能电池是指将步骤f制备的对电极与步骤e制备的光阳极对接后，使用沙林 膜进行封装，接着在真空环境中注入电解液，并使用沙林膜密封电解液注入口，制得染料敏 化太阳能电池。为了达到上述目的，本发明同时提出了一种染料敏化太阳能电池，包括表面设置 有光吸收层的光阳极、吸附于所述光阳极光吸收层表面的染料敏化剂、面对所述光阳极并 位于所述光吸收层一侧的对电极，设置在所述光阳极和所述对电极之间的电解液，所述光 阳极经过离子注入改性处理，所述离子注入改性为Cu/ TiO2改性或ai/ TiO2改性或 TiO2改性。上述染料敏化太阳能电池，所述光阳极包括光阳极基底、溅射在所述光阳极基底 上的第一掺氟SnO2导电层以及光吸收层；所述光吸收层包括依次丝网印刷于所述第一掺氟 SnO2导电层上的纳米透明TiA膜层、TiA混合层和TiA散射层；所述对电极包括对电极基 底、溅射在所述对电极基底朝向所述光阳极一侧的第二掺氟SnO2导电层、丝网印刷于所述 第二掺氟SnA导电层表面的钼电极。与现有的染料敏化太阳能电池相比，本发明利用MEVVA (metal vapor vacuum arc，金属蒸汽真空弧)离子源离子注入机对光阳极光吸收层表面进行金属离子改性，产生光生电子-空穴浅俘获势阱，在TW2导带与价带之间形成了新能级，提高了 TW2导带与染 料最低未占有轨道能级的匹配度，从而使染料敏化太阳能电池具有较高的光电转化率。利 用线性缀加平面波法分析，经过狗3+注入后，TW2能带结构会改变，不仅使得TW2自身带隙 产生微小位移，而且在TiA的禁带区域1. 19 1. 63 eV产生新的间隙能带，这种间隙能带 的产生可以提高染料最低未占有轨道能级与TiO2导带能级的匹配度，更多的光生电子被注 入到TiA导带和新生间隙能级，还可以产生晶格缺陷形成光生电子浅俘获势阱能够及时有 效的分离染料激发的光生电子-空穴对，减少电子-空穴的复合率，达到提高光伏转化率的 目的。经过实验对比，注入1 3+后染料敏化太阳能电池效率提高超过30%，而且在注入剂量 1 X 1015/cm2-9 X IO1Vcm2范围内呈凸型抛物线形状。
通过下面结合附图对其示例性实施例进行的描述，本发明上述特征和优点将会变 得更加清楚和容易理解。图1为本发明的染料敏化太阳能电池结构示意图。附图符号说明
1-光阳极，101-光阳极基底，102-第一掺氟Sn02导电层，
2-光阳极光吸收层，201-纳米透明Ti02膜层，202- 02混合层，203_Ti02散射层，
3-对电极，301-对电极基底，302-第二掺氟SnO2导电层，303-钼电极。4-电解液， 5-染料敏化剂。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步详细说明。图1示出了本发明经离子注入处理的染料敏化太阳能电池的结构，由图可以看 出，该染料敏化太阳能电池包括表面设置有光吸收层2的光阳极1、吸附于光阳极光吸收层 2表面的染料敏化剂、面对光阳极1并位于光吸收层2 —侧的对电极3，设置在光阳极1和 对电极3之间的电解液4，光阳极1经过离子注入改性处理，离子注入改性为Cu/ TiO2改性 或Si/ TiO2改性或Fe/ TiO2改性。光阳极1包括光阳极基底101、溅射在光阳极基底101 上的第一掺氟SnA导电层102以及光吸收层2 ；光吸收层2包括依次丝网印刷于第一掺氟 SnO2导电层102上的纳米透明TW2膜层201、TiO2混合层202和TW2散射层203 ；对电极 3包括对电极基底301、溅射在对电极基底301朝向光阳极1 一侧的第二掺氟SnA导电层 302、丝网印刷于第二掺氟SnO2导电层302表面的钼电极303。
本发明染料敏化太阳能电池的制备方法包括以下步骤
a.清洗光阳极基底；
b.制备光吸收层；
c.对经步骤b处理后的光阳极进行第一次热处理；
d.将金属离子注入到经步骤C处理后的光阳极，完成对光阳极的离子注入改性，所述 离子注入改性为Cu/ TiO2改性或Zn/ TiO2改性或Fe/ TiO2改性；e.对经离子注入改性后的光阳极进行第二次热处理；
f.制备对电极；
g.将步骤f制备的对电极与步骤e制备的光阳极对接，经注入电解质后封装制得染料 敏化太阳能电池。下面给出本发明染料敏化太阳能电池的一个具体制备方法。实施例一
步骤a 清洗光阳极基底。在光阳极基底101的一侧溅射第一掺氟Sr^2导电层102，对 光阳极第一掺氟SnO2导电层102进行表面清洗，在超声清洗器内将其依次使用去离子水、 无水乙醇和丙酮清洗10分钟，在烘干箱内烘干后置于浓度为40 mmol/L的TiCl4溶液中浸 泡，水浴加热至70°C下浸泡30分钟后，取出烘干。步骤b 制备光吸收层。将已配制好的20nm TiO2料浆和20nm与200nm TiO2混合 浆料丝网印刷于光阳极1的第一掺氟SnO2导电层102表面，通过均化、干燥工艺形成厚度 为14 16 μ m的纳米透明TW2膜层201和TW2混合层202，在TW2混合层202之上再丝 网印刷一层400nm TiO2散射层203形成光吸收层2。步骤c 对经步骤b处理后的光阳极进行第一次热处理。将经步骤b处理后的光 阳极1置于气氛炉内，在325°C下保温5 10分钟后升至375°C保温5 10分钟，再升温 到450°C保温10 15分钟，最后将温度升至500°C并保温10 15分钟，完成光阳极1的 制备。步骤d 将金属离子注入到经步骤c处理后的光阳极，完成对光阳极的离子注入改 性，所述离子注入改性为Cu/ TiO2改性或Si/ TiO2改性或Fe/ TiO2改性。使用MEVVA源离 子注入机，调节触发电压在5 kv 101 ，注入剂量在1\1015/0112 10\1015/0112，束流2.5·， 将狗3+注入到步骤c所述光阳极1，完成对光阳极1的改性处理。步骤e 对经离子注入改性后的光阳极进行第二次热处理。将经步骤d改性处理 后的光阳极1再次置于40mmol/L的TiCl4溶液中浸泡后烘干，再将光阳极1置于气氛炉内 450°C下保温30分钟。步骤f 制备对电极。在对电极基底301的一侧溅射第二掺氟SnA导电层302，接 着利用丝网印刷法将钼浆印刷至第二掺氟SnO2导电层302表面，再在400°C下处理10分钟 制成对电极3。步骤g 将步骤f制备的对电极与步骤e制备的光阳极对接，封装制得染料敏化太 阳能电池。将步骤f制备的对电极3与步骤e制备的光阳极1对接后，使用沙林膜进行封 装，接着在真空环境中注入电解液，并使用沙林膜密封电解液注入口，制得染料敏化太阳能 电池。
实施例二
在步骤d中也可以使用不同过度金属离子对步骤c中的光阳极1进行改性处理。如 Co/ TiO2改性、Ni/ TiO2改性、Cu/ TiO2改性、Zn/ TiO2改性等，其中只有Cu/ TiO2改性和 Zn/ TiO2改性对电池的光能转化率有所提高，Co/ TiO2改性虽然在TiO2禁带区域产生新能 级但效果不明显，Ni/ TiO2改性后TW2自身能带未发生变化、所形成的新能级要高于TW2 导带能级，产生负影响，降低了电池的光能转化率。
需要注意的是，以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说 明，不能认定本发明的具体实施方式
仅限于此，在本发明的上述指导下，本领域技术人员可 以在上述实施例的基础上进行各种改进和变形，而这些改进或者变形落在本发明的保护范 围内。
权利要求
1.一种经离子注入处理的染料敏化太阳能电池的制备方法，其特征在于包括以下步骤a.清洗光阳极基底；b.制备光吸收层；c.对经步骤b处理后的光阳极进行第一次热处理；d.将金属离子注入到经步骤C处理后的光阳极，完成对光阳极的离子注入改性，所述 离子注入改性为Cu/ Τ 02改性或Si/ Τ 02改性或Fe/ Τ 02改性；e.对经离子注入改性后的光阳极进行第二次热处理；f.制备对电极；g.将步骤f制备的对电极与步骤e制备的光阳极对接，经注入电解液后封装制得染料 敏化太阳能电池。
2.根据权利要求1所述的经离子注入处理的染料敏化太阳能电池的制备方法，其特征 在于所述步骤a中清洗光阳极基底是指将溅射有第一掺氟Sn02导电层的光阳极基底一侧 在超声清洗器内将所述光阳极基底依次使用去离子水、无水乙醇和丙酮清洗10分钟，在烘 干箱内烘干后置于浓度为40 mmol/L的TiC14溶液中浸泡，水浴加热至70°C下浸泡30分 钟后，取出烘干。
3.根据权利要求1所述的经离子注入处理的染料敏化太阳能电池的制备方法，其特征 在于所述步骤b中制备光吸收层是指将已配制好的20nm Τ 02料浆和20nm与200nm Τ 02 混合浆料丝网印刷于所述光阳极的第一掺氟Sn02导电层表面，通过均化、干燥工艺形成厚 度为14 16μπι的纳米透明Ti02膜层和Ti02混合层，在Ti02混合层之上再丝网印刷一 层400nm Τ 02散射层形成光阳极光吸收层。
4.根据权利要求1所述的经离子注入处理的染料敏化太阳能电池的制备方法，其特征 在于所述步骤c中对光阳极进行第一次热处理是指将经步骤b处理后的光阳极置于气氛炉 内，在325°C下保温5 10分钟后升至375°C保温5 10分钟，再升温到450°C保温10 15分钟，最后将温度升至500°C并保温10 15分钟，完成所述光阳极的制备。
5.根据权利要求1所述的经离子注入处理的染料敏化太阳能电池的制备方法，其特征 在于所述步骤d中离子注入改性是指使用离子注入机，调节触发电压在5 kv 10kv，注入剂 量在1 X 1015/cm2 10 X 1015/cm2，束流2. 5mA,将!^3+注入到步骤c所述光阳极，完成对所 述光阳极的改性处理。
6.根据权利要求1所述的经离子注入处理的染料敏化太阳能电池的制备方法，其特征 在于所述步骤e中对经离子注入改性后的光阳极进行第二次热处理是指将经步骤d改性处 理后的光阳极再次置于40mmol/L的TiC14溶液中浸泡后烘干，再将所述光阳极置于气氛 炉内450°C下保温30分钟。
7.根据权利要求1所述的经离子注入处理的染料敏化太阳能电池的制备方法，其特征 在于所述步骤f中对电极制备是指在对电极基底的一侧溅射第二掺氟Sn02导电层，接着利 用丝网印刷法将钼浆印刷至所述第二掺氟Sn02导电层表面，再在400°C下处理10分钟制成 所述对电极。
8.根据权利要求1所述的经离子注入处理的染料敏化太阳能电池的制备方法，其特征 在于所述步骤g中封装制得染料敏化太阳能电池是指将步骤f制备的对电极与步骤e制备 的光阳极对接后，使用沙林膜进行封装，接着在真空环境中注入电解液，并使用沙林膜密封 电解液注入口，制得染料敏化太阳能电池。
9.一种根据权利要求1至8中任一项所述的方法制备的染料敏化太阳能电池，包括表 面设置有光吸收层的光阳极、吸附于所述光阳极光吸收层表面的染料敏化剂、面对所述光 阳极并位于所述光吸收层一侧的对电极，设置在所述光阳极和所述对电极之间的电解液， 其特征在于所述光阳极经过离子注入改性处理，所述离子注入改性为Cu/ Ti02改性或Si/ Τ 02 改性或狗/ Τ 02改性。
10.根据权利要求9所述的染料敏化太阳能电池，其特征在于所述光阳极包括光阳极基底、溅射在所述光阳极基底上的第一掺氟Sn02导电层以及 光吸收层；所述光吸收层包括依次丝网印刷于所述第一掺氟Sn02导电层上的纳米透明Ti02膜 层、Ti02混合层和Ti02散射层；所述对电极包括对电极基底、溅射在所述对电极基底朝向所述光阳极一侧的第二掺氟 Sn02导电层、丝网印刷于所述第二掺氟Sn02导电层表面的钼电极。
全文摘要
本发明公开了一种经离子注入处理的染料敏化太阳能电池的制备方法，包括以下步骤清洗光阳极基底；制备光吸收层；对光阳极进行第一次热处理；将金属离子注入光阳极；对经离子注入改性后的光阳极进行第二次热处理；制备对电极；将对电极与光阳极对接，封装制得染料敏化太阳能电池。本发明还公开了一种染料敏化太阳能电池，包括光阳极、染料敏化剂、对电极，电解液，其中，光阳极经过离子注入改性处理，离子注入改性为Cu/TiO2改性或Zn/TiO2改性或Fe/TiO2改性。本发明利用MEVVA源离子注入机对光阳极光吸收层表面进行金属离子改性，产生光生电子-空穴浅势俘获势阱，在TiO2导带与价带之间形成了新能级，提高了TiO2导带与染料最低未占有轨道能级的匹配度。
文档编号H01L51/48GK102136372SQ20111002426
公开日2011年7月27日 申请日期2011年1月22日 优先权日2011年1月22日
发明者张根发, 李帅, 王长君, 罗军, 苏青峰, 赖建明 申请人:上海联孚新能源科技有限公司