专利名称：染料敏化太阳能电池及其制作方法
技术领域：
本发明涉及新能源领域，特别是涉及一种利用纳米颗粒表面等离子效应的染料敏化太阳能电池及其制作方法。
背景技术：
随着化石燃料的逐渐耗尽，以及伴随化石燃料的使用所带来的温室效应日渐加重，具环保价值的新能源的开发成为迫不容缓的事。由于太阳能为源源不绝和洁净不产生环境污染的能源，各国科学家致力于开发各种不同材料的太阳能电池以用于生活中的各种电器或电子产品。1991年瑞士洛桑高等工业学院的研究小组将纳米晶体多空薄膜引入染料敏化电池中，使其效率提升到了百分之一以上，逐渐成为最有希望得到应用的新型太阳电池之一。长久以来转换效率相对低下一直是染料敏化电池发展的主要瓶颈。为了进一步加强染料敏化太阳能电池的转换效率，需要找到一种有效促进光吸收的方法。采用Au/PVP核壳纳米颗粒正是利用了表面等离子体效应来增强光吸收效率和光电转化效率。表面等离子体(Surface Plasmons, SPs)是指在金属表面存在的自由振动的电子与光子相互作用产生的沿着金属表面传播的电子疏密波。在两种半无限大、各向同性介质构成的界面，介质的介电常数是正的实数，金属的介电常数是实部为负的复数。根据maxwell方程,结合边界条件和材料的特性,可以计算得出表面等离子体的场分布和色散特性。表面 等离子体是目前纳米光电子学科的一个重要的研究方向，它受到了包括物理学家，化学家，材料学家，生物学家等多个领域人士的极大的关注。随着纳米技术的发展，表面等离子体被广泛研究用于光子学，数据存储，显微镜，太阳能电池和生物传感等方面。
发明内容
(一)要解决的技术问题本发明要解决的技术问题是如何提高燃料敏化太阳能电池的转换效率的问题。(二)技术方案为了解决上述技术问题，本发明提供一种染料敏化太阳能电池，包括透明电极和对电极及位于所述透明电极和对电极之间的电解质层；所述透明电极的内侧表面设有纳米多孔半导体薄膜，所述透明电极的外侧设有透明衬底，所述对电极的外侧设有对透明衬底；所述电解质层包括电解液和染料敏化剂的混合液体；所述纳米多孔半导体薄膜中吸附有具有表面等离子体效应的核壳结构纳米颗粒。其中，所述核壳结构纳米颗粒包括PVP有机物壳体和内嵌于所述PVP有机物壳体内部的金属核体。其中，所述金属核体的直径为5 100nm，所述PVP有机物壳体的厚度为0.5 10nm。其中，所述金属核体采用金属金、银、铝或钼材料制成。其中，所述纳米多孔半导体薄膜采用二氧化钛纳米多孔材料制成。
其中，所述透明电极为FTO电极，所述对电极为Pt电极。本发明还提供一种染料敏化太阳能电池的制作方法，包括以下步骤:S1、制备核壳结构纳米颗粒溶胶；S2、在透明衬底的表面整镀一层透明导电材料形成透明电极；S3、以旋涂甩胶的方式将纳米多孔半导体浆料旋涂至所述透明电极的表面，高温加热使纳米多孔半导体浆料烧结为纳米多孔半导体薄膜；S4、将透明衬底、透明电极和纳米多孔半导体薄膜整体投入染料敏化剂中，并保证纳米多孔半导体薄膜完全浸没在染料敏化剂中足够的时间，以使染料敏化剂的染料分子充分吸附于纳米多孔半导体薄膜上；S5、再以滴定或旋涂的方式在纳米多孔半导体薄膜上滴入上述SI中制得的核壳纳米颗粒溶胶，即可得到吸附于纳米多孔半导体薄膜中的核壳结构纳米颗粒的电池基坯；S6、再通过蒸镀或溅射的方式在对透明衬底的表面覆盖一层金属钼电极作为对电极，并采用热封胶将所述对电极与所述电池基坯粘合，最后注入电解液，至此形成了染料敏化太阳电池。其中，所述步骤SI中制备核壳结构纳米颗粒溶胶的方法，包括以下步骤:S1 '、将含有金属元素溶液的氧化剂和还原剂溶液发生氧化还原反应，并在恒温条件下以固定转速频率搅拌，充分反应后保持搅拌状态下自然冷却至室温，得到金属纳米颗粒溶胶；S2 '、将PVP颗粒溶于水中形成PVP分子溶胶；S3 '、将上述的金属纳米颗粒溶胶和PVP分子溶胶混合后在常温条件下连续搅拌十个小时以上，得到在PVP有机物壳体内嵌金属核体的核壳结构纳米颗粒溶胶。本发明还提供一种染料敏化太阳能电池的制作方法，包括以下步骤:S10、制备核壳结构纳米颗粒溶胶；S20、在透明衬底的表面整镀一层透明导电材料形成透明电极；S30、将将纳米多孔半导体浆料和步骤SlO中制得的核壳纳米颗粒溶胶混合均匀后，以旋涂甩胶的方式涂至所述透明电极的表面，并在紫外光下照射使其固化形成吸附有核壳纳米颗粒的多孔半导体薄膜；S40、将透明衬底、透明电极和纳米多孔半导体薄膜整体投入染料敏化剂中，并保证纳米多孔半导体薄膜完全浸没在染料敏化剂中足够的时间，以使染料敏化剂的染料分子充分吸附于纳米多孔半导体薄膜上，即可得到吸附于纳米多孔半导体薄膜中的核壳结构纳米颗粒的电池基坯；S50、再通过蒸镀或溅射的方式在对透明衬底表面覆盖一层金属钼电极作为对电极，并采用 热封胶将所述对电极与所述电池基坯粘合，最后注入电解液，至此形成了染料敏化太阳电池。其中，所述步骤SlO中的核壳结构纳米颗粒溶胶的制备方法，包括以下步骤:SlO '、将含有金属元素溶液的氧化剂和还原剂溶液发生氧化还原反应，并在恒温条件下以固定转速频率搅拌，充分反应后保持搅拌状态下自然冷却至室温，得到金属纳米颗粒溶胶；S20 ,、将PVP颗粒溶于水中形成PVP分子溶胶；S30 ,、将上述的金属纳米颗粒溶胶和PVP分子溶胶混合后在常温条件下连续搅拌十个小时以上，得到在PVP有机物壳体内嵌金属核体的核壳结构纳米颗粒溶胶。(三)有益效果上述技术方案提供的一种染料敏化太阳能电池及其制作方法，在纳米多孔半导体薄膜中吸附有表面具有等离子体效应的核壳结构纳米颗粒，在太阳光照射下，可激励起局域表面等离子体振荡，扩宽吸收光谱，从而增强电池对可见光波段太阳光的吸收；同时核壳结构颗粒可以增强对入射光的散射，降低入射光的透射与全反射，核壳结构纳米颗粒的添加提闻了电池整体的光吸收效率，最终达到提闻染料敏化太阳电池的光电转化效率的目的。进一步地，核壳结构纳米颗粒采用包裹于金属核体外层的PVP有机物壳体，可有效减少金属颗粒对电子-空穴对的复合，降低金属损耗，并且通过设计、制备具有特定参数的核壳结构，例如调整介质壳层厚度，可以获得对不同波长具有表面等离子体谐振增强特性的纳米颗粒，最终实现对既定波长吸收增强的高效率染料敏化太阳电池；且可对直径为1-4纳米的小分子，例如染料分子，有较强的吸附性和粘附性，从而大量的染料分子将被吸附在核壳结构纳米颗粒表面，从而使尽可能多的染料分子处于局域表面等离子体(LSP)的光场增强的有效范围内，达到LSP增强染料分子光吸收特性的最佳效果；可以增强所吸附的染料分子31处于激发态的寿命，进而增强染料敏化电池中载流子的产生几率，提高电池整体的光电特性；在特定的溶液环境下，如弱酸性溶液，可具有电活性特性，能够传输负离子和电子，从而可以导出附着在PVP有机物壳体表面的染料分子所产生的自由电子至光阳极，达到增强染料敏化电池光电特性的目的。
图1是本发明一种染料敏化太阳能电池的结构示意图；图2是本发明中核壳结构纳米颗粒的结构示意图。其中:1、透明电极；2、对电极；3、电解质层；31、染料分子；4、纳米多孔半导体薄膜；5、透明衬底；6、对透明衬底；7、核壳结构纳米颗粒；71、金属核体；72、PVP有机物壳体。
具体实施例方式下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式
作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。如图1，本发明的一种染料敏化太阳能电池，包括透明电极I和对电极2及位于该透明电极I和对电极2之间的电解质层3 ;透明电极2的内侧表面设有纳米多孔半导体薄膜4，透明电极I的外侧设有透明衬底5，对电极2的外侧设有对透明衬底6 ;电解质层3包括电解液和染料敏化剂的混合液体；纳米多孔半导体薄膜4中吸附有具有表面等离子体效应的核壳结构纳米颗粒7。如图2，核壳结构纳米颗粒7包括PVP (聚乙烯基吡咯烷酮)有机物壳体72和内嵌于PVP有机物壳体72内部的金属核体71。金属核体71的直径为5 100nm，PVP有机物壳体的厚度为0.5 10nm。金属核体71采用金属金、银、铝或钼材料制成。纳米多孔半导体薄膜4采用二氧化钛纳米多孔材料制成。透明电极I为FTO电极，对电极2为Pt电极。本发明还提供一种染料敏化太阳能电池的制作方法，包括以下步骤:S1、制备核壳结构纳米颗粒溶胶；S2、在透明衬底5表面整镀一层透明导电材料形成透明电极I ;S3、以旋涂甩胶的方式将纳米多孔半导体浆料旋涂至透明电极I的表面，高温加热使纳米多孔半导体浆料烧结为纳米多孔半导体薄膜4 ；S4、将透明衬底5、透明电极I和纳米多孔半导体薄膜4整体投入染料敏化剂中，并保证纳米多孔半导 体薄膜4完全浸没在染料敏化剂中足够的时间，以使染料敏化剂中的染料分子31充分吸附于纳米多孔半导体薄膜4上；
S5、再以滴定或旋涂的方式在纳米多孔半导体薄膜4上滴入上述SI中制得的核壳纳米颗粒溶胶，即可得到吸附于纳米多孔半导体薄膜4中的核壳结构纳米颗粒7的电池基坯；S6、再通过蒸镀或溅射的方式在对透明衬底6的表面覆盖一层金属钼(Pt)电极作为对电极2，并采用热封胶将对电极2与电池基坯粘合，最后注入电解液，至此形成了染料敏化太阳电池。其中，步骤SI中制备核壳结构纳米颗粒溶胶的方法，包括以下步骤:SI '、将含有金属元素溶液的氧化剂和还原剂溶液发生氧化还原反应，并在恒温条件下以固定转速频率搅拌，充分反应后保持搅拌状态下自然冷却至室温，得到金属纳米颗粒溶胶；S2 ,、PVP颗粒溶于水中形成PVP分子溶胶；S3 ,、将上述的金属纳米颗粒溶胶和PVP分子溶胶混合后在常温条件下连续搅拌十个小时以上，得到在PVP有机物壳体72内嵌金属核体71的核壳结构纳米颗粒溶胶。本发明提供的另一种染料敏化太阳能电池的制作方法，包括以下步骤:S10、制备核壳结构纳米颗粒溶胶；S20、在透明衬底5的表面整镀一层透明导电材料形成透明电极I ;S30、将将纳米多孔半导体浆料和步骤SlO中制得的核壳纳米颗粒溶胶混合均匀后，以旋涂甩胶的方式涂至透明电极I的表面，并在紫外光下照射使其固化形成吸附有核壳纳米颗粒7的多孔半导体薄膜3 ；
S40、将透明衬底5、透明电极I和纳米多孔半导体薄膜4整体投入染料敏化剂中，并保证纳米多孔半导体薄膜4完全浸没在染料敏化剂中足够的时间，以使染料敏化剂的染料分子31充分吸附于纳米多孔半导体薄膜4上，即可得到吸附于纳米多孔半导体薄膜4中的核壳结构纳米颗粒7的电池基坯；S50、再通过蒸镀或溅射的方式在对透明衬底6的表面覆盖一层金属钼电极作为对电极2，并采用热封胶将对电极2与电池基坯粘合，最后注入电解液，至此形成了染料敏化太阳电池。其中，步骤SlO中的核壳结构纳米颗粒溶胶的制备方法，包括以下步骤:SlO '、将含有金属元素溶液的氧化剂和还原剂溶液发生氧化还原反应，并在恒温条件下以固定转速频率搅拌，充分反应后保持搅拌状态下自然冷却至室温，得到金属纳米颗粒溶胶；S20 ,、PVP颗粒溶于水中形成PVP分子溶胶；S30 '、将上述的金属纳米颗粒溶胶和PVP分子溶胶混合后在常温条件下连续搅拌十个小时以上，得到在PVP有机物壳体内嵌金属核体的核壳结构纳米颗粒溶胶。列举几个具体的实施例如下:实施例一:实施例一中选用以金为内核、外层包裹PVP的核壳结构纳米颗粒(Au/PVP)，并通过滴定旋涂法制备包含有Au/PVP的染料敏化电池。Au/PVP制备方法主要分为三步:1.制备金溶胶；2.制备PVP水溶液；3.将I与2混合反应得到Au/Ti02。金纳米颗粒制备方法采用氯金酸溶液与柠檬酸钠溶液发生氧化还原反应，该实施例中选用10-4mol/L的氯金酸溶液200mL与4*10-2mol/L的柠檬酸钠溶液2mL，在恒温100摄氏度下以500转/分钟的频率搅拌，充分反应15-20分钟后保持搅拌状态下自然冷却至室温，即得到金纳米颗粒溶胶，其平均直径约为15-100nm ;将分子量为10000-30000的PVP颗粒溶于水形成PVP水溶液；将得到的PVP水溶液和之前的金溶胶混合后并在常温下以700转/分钟的速度搅拌24小时，即可得到以金为内核、外层包裹PVP的金-聚乙烯吡咯烷酮核壳结构纳米颗粒溶胶，其金内核约为15-100nm，PVP层厚度约0.5_5nm。制备含有Au/PVP核壳纳米颗粒染料敏化太阳电池，首先需要在石英或玻璃基底表面蒸镀一层透明导电材料，然后在400转/分钟-1000转/分钟的条件下以旋涂甩胶的方式将纳米多孔半导体薄膜浆料，旋涂至透明导电材料表面上，高温加热使浆料烧结为薄膜，其厚度在500纳米-10微米。而后整体投入染料敏化剂中，保证纳米多孔半导体薄膜完全浸没在染料敏化剂中足够的时间，使染料分子充分吸附于纳米多孔半导体薄膜结构上，再以滴定或旋涂的方式在纳米多孔半导体薄膜上滴入上述方法制得的Au/PVP核壳纳米颗粒溶胶，Au/PVP的质量浓度比为2%-15%，即可得到包含于纳米多孔半导体薄膜中的Au/PVP核壳纳米颗粒结构电池基坯；再通过蒸镀或溅射的方式在另一块石英或玻璃基底表面覆盖一层金属钼电极作为对电极，将对电极与已经制备完成的电池基坯使用热封胶粘合，再注入电解液，至此完成了含有Au/PVP核壳纳米颗粒染料敏化太阳电池的制备。实施 例二:实施例二中选用以金为内核、外层包裹PVP的核壳结构纳米颗粒(Au/PVP)，并通过紫外固化法制备包含有Au/PVP的染料敏化电池。Au/PVP制备方法主要分为三步:1.制备金溶胶；2.制备PVP水溶液；3.将I与2混合反应得到Au/Ti02。金纳米颗粒制备方法采用氯金酸溶液与柠檬酸钠溶液发生氧化还原反应，该实施例中选用10-4mol/L的氯金酸溶液200mL与4*10-2mol/L的柠檬酸钠溶液2mL，在恒温100摄氏度下以500转/分钟的频率搅拌，充分反应15-20分钟后保持搅拌状态下自然冷却至室温，即得到金纳米颗粒溶胶，其平均直径约为15-100nm ;将分子量为10000-30000的PVP颗粒溶于水形成PVP水溶液；将得到的PVP水溶液和之前的金溶胶混合后并在常温下以700转/分钟的速度搅拌24小时，即可得到以金为内核、外层包裹PVP的金-聚乙烯吡咯烷酮核壳结构纳米颗粒溶胶，其金内核约为15-100nm，PVP层厚度约0.5_5nm。制备含有Au/PVP核壳纳米颗粒染料敏化太阳电池，首先需要在石英或玻璃基底表面蒸镀一层透明导电材料，然后将上述制备好的Au/PVP纳米颗粒溶胶与纳米多孔半导体薄膜浆料混合均匀，Au/PVP的质量浓度比为2%-15%，再在400转/分钟-1000转/分钟的条件下旋涂甩胶的方式将纳米多孔半导体薄膜浆料，旋涂至透明导电材料表面上，接下来用紫外光照射12-24小时，使纳米多孔半导体浆料固化为纳米多孔半导体薄膜，而后整体投入一定浓度的染料敏化剂中，保证纳米多孔半导体薄膜完全浸没在染料敏化剂中足够的时间，使染料分子充分吸附于纳米多孔半导体薄膜结构上，即可得到包含于纳米多孔半导体薄膜中的Au/PVP核壳纳米颗粒结构电池基坯；再通过蒸镀或溅射的方式在另一块石英或玻璃基底表面覆盖一层金属钼电极作为对电极，使用热封胶将对电极二者与电池基坯粘合，再注入电解液，至此完成了含有Au/PVP核壳纳米颗粒染料敏化太阳电池的制备。实施例三:实施例三中选用以银为内核、外层包裹PVP的核壳结构纳米颗粒(Ag/PVP)并通过滴定旋涂法制备包含有Ag/PVP的染料敏化电池。Ag/PVP制备方法主要分为三步:1.制备银溶胶；2.制备PVP水溶液；3.将I与2混合反应得到Ag/Ti02。银纳米颗粒制备方法采用硝酸银溶液与柠檬酸钠溶液发生氧化还原反应，该实施例中选用10-4mol/L的硝酸银溶液200mL与4*10-2mol/L的柠檬酸钠溶液2mL，在恒温100摄氏度下以500转/分钟的频率搅拌，充分反应15-20分钟后保持搅拌状态下自然冷却至室温，即得到银纳米颗粒溶胶，其平均直径约为15-100nm ;将分子量为10000-30000的PVP颗粒溶于水形成PVP水溶液；将得到的PVP水溶液和之前的银溶胶混合后并在常温下以700转/分钟的速度搅拌24小时，即可得到以银为内核、外层包裹PVP的银-聚乙烯吡咯烷酮核壳结构纳米颗粒溶胶，其银内核约为 15-100nm，PVP 层厚度约 0.5_5nm。制备含有Ag/PVP核壳纳米颗粒染料敏化太阳电池，首先需要在石英或玻璃基底表面蒸镀一层透明导电材料，然后在400转/分钟-1000转/分钟的条件下以旋涂甩胶的方式将纳米多孔半导体薄膜浆料旋涂至透明导电材料表面上，高温加热使浆料烧结为薄膜，而后整体投入染料敏化剂中，保证纳米多孔半导体薄膜完全浸没在染料敏化剂中足够的时间，使染料分子充分吸附于纳米多孔半导体薄膜结构上，再以滴定或旋涂的方式在纳米多孔半导体薄膜上滴入上述方法制得的Ag/PVP核壳纳米颗粒溶胶，Ag/PVP的质量浓度比为2%-15%，即可得到包含于纳米多孔半导体薄膜中的Ag/PVP核壳纳米颗粒结构电池基坯；再通过蒸镀或溅射的方式在另一块石英或玻璃基底表面覆盖一层金属钼电极作为对电极2，将对电极2与已经制备完成的电池基坯使用热封胶粘合，再注入电解液，至此完成了含有Ag/PVP核壳纳米颗粒染料敏化太阳电池的制备。实施例四:实施例四中选用以银为内核、外层包裹PVP的核壳结构纳米颗粒(Ag/PVP)并通过紫外固化法制备包含有Ag/PVP的染料敏化电池。Ag/PVP制备方法主要分为三步:1.制备银溶胶；2.制备PVP水溶液·；3.将I与2混合反应得到Ag/Ti02。银纳米颗粒制备方法采用硝酸银溶液与柠檬酸钠溶液发生氧化还原反应，该实施例中选用10-4mol/L的硝酸银溶液200mL与4*10-2mol/L的柠檬酸钠溶液2mL，在恒温100摄氏度下以500转/分钟的频率搅拌，充分反应15-20分钟后保持搅拌状态下自然冷却至室温，即得到银纳米颗粒溶胶，其平均直径约为15-100nm ;将分子量为10000-30000的PVP颗粒溶于水形成PVP水溶液；将得到的PVP水溶液和之前的银溶胶混合后并在常温下以700转/分钟的速度搅拌24小时，即可得到以银为内核、外层包裹PVP的银-聚乙烯吡咯烷酮核壳结构纳米颗粒溶胶，其银内核约为 15-100nm，PVP 层厚度约 0.5_5nm。制备含有Ag/PVP核壳纳米颗粒染料敏化太阳电池，首先需要在石英或玻璃基底表面蒸镀一层透明导电材料，然后将上述制备好的Ag/PVP纳米颗粒溶胶与纳米多孔半导体薄膜浆料混合均匀，Ag/PVP的质量浓度比为2%-15%，再以旋涂甩胶的方式在400转/分钟-1000转/分钟的条件下将纳米多孔半导体薄膜浆料，旋涂至透明导电材料表面上，接下来用紫外光照射12-24小时，使纳米多孔半导体浆料固化为纳米多孔半导体薄膜，而后整体投入一定浓度的染料敏化剂中，保证纳米多孔半导体薄膜完全浸没在染料敏化剂中足够的时间，使染料分子充分吸附于纳米多孔半导体薄膜结构上，即可得到包含于纳米多孔半导体薄膜中的Ag/PVP核壳纳米颗粒结构电池基坯；再通过蒸镀或溅射的方式在另一块石英或玻璃基底表面覆盖一层金属钼电极作为对电极，使用热封胶将对电极二者与电池基坯粘合，再注入电解液，至此完成了含有Ag/PVP核壳纳米颗粒染料敏化太阳电池的制备。实施例五:实施例五中选用以金为内核、外层包裹PVP的核壳结构纳米颗粒(Au/PVP)和以银为内核、外层包裹PVP的核壳结构纳米颗粒(Ag/PVP)，并通过滴定旋涂法制备包含有Au/PVP和Ag/PVP两种纳米颗粒的染料敏化电池。Au/PVP制备方法与实施例一中的相同或相近，Ag/PVP制备方法与实施例三中的相同或相近。将两种制备完成的纳米颗粒溶胶混合并搅拌均匀后，即可得到Au/PVP和Ag/PVP的混合核壳纳米颗粒溶胶。制备同时包含有Au/PVP核壳纳米颗粒和Ag/PVP核壳纳米颗粒染料敏化太阳电池，首先需要在石英或玻璃基底表面蒸镀一层透明导电材料，然后在400转/分钟-1000转/分钟的条件下以旋涂甩胶的方式将纳米多孔半导体薄膜浆料旋涂至透明导电材料表面上，高温加热使浆料烧结为薄膜，而后整体投入染料敏化剂中，保证纳米多孔半导体薄膜完全浸没在染料敏化剂中足够的时间，使染料分子充分吸附于纳米多孔半导体薄膜结构上，再以滴定或旋涂的方式在纳米多孔半导体薄膜上滴入上述方法制得的混合核壳纳米颗粒溶胶，混合纳米颗粒的质量浓度比为2%-15%，即可得到包含于纳米多孔半导体薄膜中的混合核壳纳米颗粒结构电 池基坯；再通过蒸镀或溅射的方式在另一块石英或玻璃基底表面覆盖一层金属钼电极作为对电极，将对电极与已经制备完成的电池基坯使用热封胶粘合，再注入电解液，至此完成了同时包含Au/PVP和Ag/PVP核壳纳米颗粒染料敏化太阳电池的制备。实施例六:实施例六中选用以金为内核、外层包裹PVP的核壳结构纳米颗粒(Au/PVP)和以银为内核、外层包裹PVP的核壳结构纳米颗粒(Ag/PVP)，并通过紫外固化法制备包含有Au/PVP和Ag/PVP两种纳米颗粒的染料敏化电池。Au/PVP制备方法与实施例一中的相同或相近，Ag/PVP制备方法与实施例三中的相同或相近。将两种制备完成的纳米颗粒溶胶混合并搅拌均匀后，即可得到Au/PVP和Ag/PVP的混合核壳纳米颗粒溶胶。制备同时包含有Au/PVP核壳纳米颗粒和Ag/PVP核壳纳米颗粒染料敏化太阳电池，首先需要在石英或玻璃基底表面蒸镀一层透明导电材料，然后将纳米多孔半导体薄膜浆料与上述制得的Au/PVP和Ag/PVP混合核壳纳米颗粒溶胶共混并搅拌均匀，混合纳米颗粒的质量浓度比为2%-15%，再以旋涂甩胶的方式在400转/分钟-1000转/分钟的条件下将纳米多孔半导体薄膜浆料旋涂至透明导电材料表面上，接下来用紫外光照射12-24小时，使纳米多孔半导体浆料固化为纳米多孔半导体薄膜，而后整体投入染料敏化剂中，保证纳米多孔半导体薄膜完全浸没在染料敏化剂中足够的时间，使染料分子充分吸附于纳米多孔半导体薄膜结构上，即可得到包含于纳米多孔半导体薄膜中的混合核壳纳米颗粒结构电池基坯；再通过蒸镀或溅射的方式在另一块石英或玻璃基底表面覆盖一层金属钼电极作为对电极，将对电极与已经制备完成的电池基坯使用热封胶粘合，再注入电解液，至此完成了同时包含Au/PVP和Ag/PVP核壳纳米颗粒染料敏化太阳电池的制备。上述四种染料敏化太阳能电池的制作方法中不限于金-PVP核壳颗粒与银-PVP核壳颗粒，还可以是以Pt、Al、Cu等金属为内核，以其他聚乙烯系列的有机聚合物、环氧基树脂材料、聚二甲基硅氧烷等为壳层的核壳结构纳米颗粒。上述技术方案所提供的染料敏化太阳能电池及其制作方法，具有以下优点:
1、利用核壳结构纳米颗粒4表面等离子体效应的染料敏化太阳电池，其核壳结构纳米颗粒4位于纳米多孔半导体薄膜处，在太阳光照射下，可激励起局域表面等离子体振荡，扩宽吸收光谱，从而增强电池对可见光波段太阳光的吸收；同时核壳结构颗粒可以增强对入射光的散射，降低入射光的透射与全反射。核壳结构纳米颗粒的添加能提高电池整体的光吸收效率，最终达到提高染料敏化太阳电池的光电转化效率的目的。2、包裹于金属核体71外层的PVP有机物壳体72，可有效减少金属颗粒对电子-空穴对的复合，降低金属损耗，并且通过设计、制备具有特定参数的核壳结构，例如调整介质壳层厚度，可以获得对不同波长具有表面等离子体谐振增强特性的纳米颗粒，最终实现对既定波长吸收增强的高效率染料敏化太阳电池。3、包裹于金属核体71外层的PVP有机物壳体72，可对直径为1_4纳米的小分子，例如染料分子，有较强的吸附性和粘附性，从而大量的染料分子将被吸附在核壳结构纳米颗粒表面，从而使尽可能多的染料分子处于局域表面等离子体(LSP)的光场增强的有效范围内，达到LSP增强染料分子光吸收特性的最佳效果。4、包裹于金属核体71外层的PVP有机物壳体72，可以增强所吸附的染料分子31处于激发态的寿命，进而增强染料敏化电池中载流子的产生几率，提高电池整体的光电特性。5、包裹于金属核体71外层的PVP有机物壳体72，在特定的溶液环境下，如弱酸性溶液，可具有电活性特性，能够传输负离子和电子，从而可以导出附着在PVP有机物壳体72表面的染料分子31所产生的自由电子至光阳极，达到增强染料敏化电池光电特性的目的。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理 的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种染料敏化太阳能电池，其特征在于，包括透明电极和对电极及位于所述透明电极和对电极之间的电解质层；所述透明电极的内侧表面设有纳米多孔半导体薄膜，所述透明电极的外侧设有透明衬底，所述对电极的外侧设有对透明衬底；所述电解质层包括电解液和染料敏化剂的混合液体；所述纳米多孔半导体薄膜中吸附有具有表面等离子体效应的核壳结构纳米颗粒。
2.如权利要求1所述的染料敏化太阳能电池，其特征在于，所述核壳结构纳米颗粒包括PVP有机物壳体和内嵌于所述PVP有机物壳体内部的金属核体。
3.如权利要求2所述的染料敏化太阳能电池，其特征在于，所述金属核体的直径为5 lOOnm，所述PVP有机物壳体的厚度为0.5 10nm。
4.如权利要求2所述的染料敏化太阳能电池，其特征在于，所述金属核体采用金属金、银、招或钼材料制成。
5.如权利要求1所述的染料敏化太阳能电池，其特征在于，所述纳米多孔半导体薄膜采用二氧化钛纳米多孔材料制成。
6.如权利要求1所述的 染料敏化太阳能电池，其特征在于，所述透明电极为FTO电极，所述对电极为Pt电极。
7.一种染料敏化太阳能电池的制作方法，其特征在于，包括以下步骤: 51、制备核壳结构纳米颗粒溶胶； 52、在透明衬底的表面整镀一层透明导电材料形成透明电极； 53、以旋涂甩胶的方式将纳米多孔半导体浆料旋涂至所述透明电极的表面，高温加热使纳米多孔半导体浆料烧结为纳米多孔半导体薄膜； 54、将透明衬底、透明电极和纳米多孔半导体薄膜整体投入染料敏化剂中，并保证纳米多孔半导体薄膜完全浸没在染料敏化剂中足够的时间，以使染料敏化剂的染料分子充分吸附于纳米多孔半导体薄膜上； 55、再以滴定或旋涂的方式在纳米多孔半导体薄膜上滴入上述SI中制得的核壳纳米颗粒溶胶，即可得到吸附于纳米多孔半导体薄膜中的核壳结构纳米颗粒的电池基坯； 56、再通过蒸镀或溅射的方式在对透明衬底的表面覆盖一层金属钼电极作为对电极，并采用热封胶将所述对电极与所述电池基坯粘合，最后注入电解液，至此形成了染料敏化太阳电池。
8.如权利要求7所述染料敏化太阳能电池的制作方法，其特征在于，所述步骤SI中制备核壳结构纳米颗粒溶胶的方法，包括以下步骤: 51'、将含有金属元素溶液的氧化剂和还原剂溶液发生氧化还原反应，并在恒温条件下以固定转速频率搅拌，充分反应后保持搅拌状态下自然冷却至室温，得到金属纳米颗粒溶胶； 52'将PVP颗粒溶于水中形成PVP分子溶胶； 53'、将上述的金属纳米颗粒溶胶和PVP分子溶胶混合后在常温条件下连续搅拌十个小时以上，得到在PVP有机物壳体内嵌金属核体的核壳结构纳米颗粒溶胶。
9.一种染料敏化太阳能电池的制作方法，其特征在于，包括以下步骤: S10、制备核壳结构纳米颗粒溶胶； S20、在透明衬底表面整镀一层透明导电材料形成透明电极；S30、将将纳米多孔半导体浆料和步骤SlO中制得的核壳纳米颗粒溶胶混合均匀后，以旋涂甩胶的方式涂至所述透明电极的表面，并在紫外光下照射使其固化形成吸附有核壳纳米颗粒的多孔半导体薄膜； S40、将透明衬底、透明电极和纳米多孔半导体薄膜整体投入染料敏化剂中，并保证纳米多孔半导体薄膜完全浸没在染料敏化剂中足够的时间，以使染料敏化剂的染料分子充分吸附于纳米多孔半导体薄膜上，即可得到吸附于纳米多孔半导体薄膜中的核壳结构纳米颗粒的电池基坯； S50、再通过蒸镀或溅射的方式在对透明衬底的表面覆盖一层金属钼电极作为对电极，并采用热封胶将所述对电极与所述电池基坯粘合，最后注入电解液，至此形成了染料敏化太阳电池。
10.如权利要求9所述的染料敏化太阳能电池的制作方法，其特征在于，所述步骤SlO中的核壳结构纳米颗粒溶胶的制备方法，包括以下步骤: SlO '、将含有金属元素溶液的氧化剂和还原剂溶液发生氧化还原反应，并在恒温条件下以固定转速频率搅拌，充分反应后保持搅拌状态下自然冷却至室温，得到金属纳米颗粒溶胶； S20 '、将PVP颗粒溶于水中形成PVP分子溶胶； S30 '、将上述的金属纳米颗粒溶胶和PVP分子溶胶混合后在常温条件下连续搅拌十个小时以上，得到在PVP有机物壳体内嵌金属核体的核壳结构纳米颗粒溶胶。
全文摘要
本发明涉及新能源技术领域，本发明公开了一种染料敏化太阳能电池，其包括透明电极和对电极及位于所述透明电极和对电极之间的电解质层；所述透明电极的内侧表面设有纳米多孔半导体薄膜，所述透明电极的外侧设有透明衬底，所述对电极的外侧设有对透明衬底；所述电解质层包括电解液和染料敏化剂的混合液体；所述纳米多孔半导体薄膜中吸附有具有表面等离子体效应的核壳结构纳米颗粒。其中，所述核壳结构纳米颗粒包括PVP有机物壳体和内嵌于所述PVP有机物壳体内部的金属核体。本发明的核壳结构纳米颗粒的添加提高了电池整体的光吸收效率，最终达到提高染料敏化太阳电池的光电转化效率的目的。
文档编号H01G9/042GK103236350SQ20121036591
公开日2013年8月7日 申请日期2012年9月27日 优先权日2012年9月27日
发明者刘仿, 许骐, 黄翊东, 奥良彰, 迁村讫裕 申请人:清华大学, 罗姆股份有限公司