专利名称：一种染料敏化太阳能电池及其制作方法
技术领域：
本发明涉及新能源技术领域，尤其涉及一种太阳能电池及其制备方法，更具体地说，涉及一种具有表面等离子体效应的纳米颗粒的染料敏化太阳能电池及其制备方法。
背景技术：
随着人类工业文明的迅速发展，化石燃料日益枯竭，伴随化石燃料的使用带来的温室效应日渐加重，具有环保价值的新能源的开发成为刻不容缓的事。太阳能由于其取之不尽、用之不竭、无污染、不受地理环境制约等优点，成为各国科学家青睐的研究对象。目前，很多科学家致力于开发各种不同材料的太阳能电池，使其应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孔薄膜引入染料敏化电池，使其光电转换效率由原来的不到1%提高到7.1%-7.9%，接近了多晶硅光电池的转换效率，使染料敏化太阳能电池由理论阶段向实用阶段迈进了一大步，也使染料敏化太阳能电池逐渐成为最有希望得到应用的新型太阳能电池之一。长久以来，光电转换效率相对低下一直是染料敏化太阳能电池发展的主要瓶颈。为了进一步提高染料敏化太阳能电池的光电转换效率，需要找到一种有效促进光吸收的方法。表面等离子体效应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。表面等离子体效应是目前纳米光电子学科的一个重要的研究方向，受到了包括物理学家、化学家、材料学家等多个领域人士的极大关注。随着纳米技术的发展，表面等离子体效应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器等方面。将具有表面等离子体效应的纳米颗粒应用于染料敏化太阳能电池成为目前太阳能电池发展的主要方向之一。
发明内容
(一)要解决的技术问题本发明的目的是提供一种具有表面等离子体效应的核壳结构纳米颗粒的染料敏化太阳能电池；本发明还提供制备上述具有表面等离子体效应的核壳结构纳米颗粒的染料敏化太阳能电池的方法。(二)技术方案为实现以上目的，本发明提供一种染料敏化太阳能电池，其包括透明电极、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。其中，所述纳米多孔半导体薄膜中吸附具有表面等离子体效应的核壳结构纳米颗粒。优选的，所述具有表面等离子体效应的核壳结构纳米颗粒表面不光滑，具有细小的凸状结构。优选的，所述具有表面等离子体效应的核壳结构纳米颗粒包括壳体和嵌于所述壳体内部的核体。进一步，所述壳体为金属氧化物、有机聚合物或环氧基树脂材料，所述核体为合金或者金属单质。更进一步，所述金属氧化物为氧化银，所述有机聚合物为聚二甲基硅氧烷；所述合金为金银合金、金钼合金、金铝合金、金铜合金、银钼合金、银铝合金、银铜合金、铜铝合金中的一种，所述金属单质为金、银、铝、铜中的一种。其中，所述核体直径为100 - 300nm，所述壳体的壁厚为I 一 3nm。进一步，所述纳米多孔半导体薄膜是二氧化钛纳米多孔半导体薄膜。更进一步，所述透明电极为掺氟的氧化锡导电玻璃电极，所述对电极为钼电极。本发明还提供一种染料敏化太阳能电池的制备方法，其包括以下步骤:S1.制备核壳结构纳米颗粒溶胶；S2.在透明衬底表面蒸镀一层透明导电材料形成透明电极；S3.在纳米多孔半导体浆料中混入核壳结构纳米颗粒溶胶，高速搅拌均匀，得到混有表面等离子体效应的纳米颗粒的纳米多孔半导体浆料；S4.将上述混有表面等离子体效应的纳米颗粒的纳米多孔半导体浆料涂至所述透明电极表面，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；S5.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，完全浸没在染料敏化剂中，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，透明衬底、透明电极、纳米多孔半导体薄膜及吸附的染料敏化剂构成染料敏化太阳能电池基坯；S6.在对透明衬底的表面覆盖一层金属钼电极作为对电极，将所述对电极与所述染料敏化太阳能电池基坯粘合，在所述对电极与染料敏化太阳能电池基坯粘合体中间的间隙注入电解液，形成染料敏化太阳能电池。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:Sll.将含有一种或两种金属元素的溶液作为氧化剂与还原剂溶液混合，在低于溶液沸点的温度下恒温以固定转速搅拌，反应特定时间得到金属纳米颗粒溶胶；S12.在步骤Sll中制备的金属纳米颗粒溶I父溶液中加入还原剂溶液混合；S13.在低于溶液沸点温度下恒温对步骤S12的混合溶液以固定转速搅拌，之后在空气中冷却至室温，得到在金属氧化物壳体内嵌入金属核体的核壳结构纳米颗粒溶胶。优选的，步骤S13中得到的核壳结构纳米颗粒溶胶的金属氧化物壳体为氧化银，其金属核体为金银合金、金钼合金、金铝合金、金铜合金、银钼合金、银铝合金、银铜合金、铜铝合金、金、银、铝、铜中的一种。进一步，在步骤S4中，以旋涂甩胶的方式将混有表面等离子体效应的纳米颗粒的纳米多孔半导体浆料涂至所述透明电极的表面；在步骤S6中，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，采用热封胶的方法将所述对电极与所述电池基坯粘合。
(三)有益效果本发明提供的染料敏化太阳能电池，其纳米多孔半导体薄膜中吸附具有表面等离子体效应的核壳结构纳米颗粒，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，增强染料敏化太阳能电池对可见光波段的太阳光的吸收；进一步地，具有表面等离子体效应的核壳结构纳米颗粒可以增强入射光的散射，降低入射光的透射与全反射，提高染料敏化太阳能电池的光吸收效率，达到提高染料敏化太阳能电池的光电转换效率的目的；进一步地，具有表面等离子体效应的核壳结构纳米颗粒对直径为l_4nm的小分子(如染料分子)具有较强的吸附性和粘附性，大量的染料分子被吸附在纳米颗粒表面，使尽可能多的染料分子处于局域表面等离子体效应的光场增强的有效范围内，达到局域表面等离子体效应增强染料分子光吸收特性的效果；进一步地，具有表面等离子体效应的核壳结构纳米颗粒可以增强所吸附的染料分子处于激发状态的寿命，进而增强染料敏化太阳能电池中载流子的产生几率，提高染料敏化太阳能电池的光吸收效率，从而增强染料敏化太阳能电池的光电转换效率；更进一步地，核壳结构纳米颗粒采用包裹于金属核体外层的金属氧化物壳体，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纳米颗粒(例如调整金银合金的金银配比及纳米颗粒尺寸)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，最终实现染料敏化太阳能电池对较宽波长范围太阳光的吸收。
图1是本发明提供的染料敏化太阳能电池的结构示意图；图2是本发明核壳结构纳米颗粒的结构示意图；图3是本发明核壳结构纳米颗粒的紫外-可见光吸收强度谱；图4是含核壳结构纳米颗粒的染料敏化太阳能电池与不含核壳结构纳米颗粒的染料敏化太阳能电池的光电转换效率曲线图。图中，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:氧化银壳体；72:金银合金核体。
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，而非限制本发明的范围。如图1所示，本发明提供一种染料敏化太阳能电池，其包括透明电极1、对电极2及位于透明电极I和对电极2之间的电解质层3，透明电极I的内侧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所示，核壳结构纳米颗粒7形如“爆米花”，为不规则球状，其表面同“爆米花”表面——不光滑且具有细小的凸状结构；图2显示了外壳是氧化银壳体71，内核是金银合金核体72的核壳结构纳米颗粒，其中金银合金核体72嵌于氧化银壳体71内部。一般情况下，金银合金核体72的直径约为100-300nm，氧化银壳体71的壁厚约为l_3nm ;为了得到最佳光电吸收效率和光电转换效率，金银合金核体72的直径约为200nm，氧化银壳体71的壁厚为2-3nm。由于该种纳米颗粒成分为合金，其制备原料中包含两种及以上的金属离子，利用不同金属离子氧化还原活性不同，调节反应温度，可以令多种金属离子同时被还原但还原后的金属原子呈不规则排列，随着反应进行，就得到了不规则的合金纳米颗粒，其形状如“爆米花”一为不规则球状，表面亦如“爆米花”表面一不光滑且具有细小凸状结构。纳米颗粒的制造是在溶液环境下高速搅拌进行，受重力和离心力影响，金属原子易在此环境下呈光滑球形结构，因此其凸起结构都为球形或椭球形。如图1所示的纳米多孔半导体薄膜4采用TiO2纳米多孔材料制成，透明电极I为FIO (掺杂氟的氧化锡导电玻璃)电极，对电极2为Pt (钼)电极。由于具有表面等离子体效应的金银合金核壳结构纳米颗粒形状、大小不同，其表面不光滑且具有细小的凸状结构，因此金银合金核壳结构纳米颗粒可对不同波长的入射光都有较强的陷光特性。图3显示了核壳结构纳米颗粒的紫外-可见光吸收强度谱图。本发明提供的具有表面等离子体效应的金银合金核壳结构纳米颗粒的染料敏化太阳能电池，对不同波长的入射光都有较强的吸附作用，扩宽吸收光谱，提高染料敏化太阳能电池的光电转换效率。本发明提供的具有表面等离子体效应的金银合金核壳结构纳米颗粒的染料敏化太阳能电池，太阳光照射下，可激励起局域表面等离子体振荡，增强染料敏化太阳能电池对可见光波段的太阳光的吸收，提高敏化太阳能电池光电转换效率。本发明提供的染料敏化太阳能电池，其多孔半导体薄膜中吸附的大小不一、形如“爆米花”、表面不光滑、具有细小凸状结构的具有表面等离子体效应的金银合核壳结构纳米颗粒可以增强入射光的散射，降低入射光的透射与全反射，提高染料敏化太阳能电池整体的光吸收效率，提高敏化太阳能电池光电转换效率。如图4所示，含核壳结构纳米颗粒的染料敏化太阳能电池对于波长为350nm-750nm的入射光的光电转换效率明显高于不含核壳结构纳米颗粒的染料敏化太阳能电池。尤其是对于波长为450nm左右的入射光，不含核壳结构纳米颗粒的染料敏化太阳能电池的光电转换效率为51%左右，而含核壳结构纳米颗粒的染料敏化太阳能电池的光电转换效率达到56%。上述染料敏化太阳能电池中，纳米多孔半导体薄膜中吸附的具有表面等离子体效应的核壳结构纳米颗粒，其内核不限于金银合金，还可以是金钼合金、银钼合金、金铝合金、银铝合金、金铜合金、银铜合金、铝铜合金等合金或者金、银、铝、铜等金属单质；其外壳不限于氧化银，还可以是聚二甲基硅氧烷等有机聚合物以及环氧基树脂材料。本发明还提供了制备所述具有表面等离子体效应的核壳结构纳米颗粒的染料敏化太阳能电池的方法。实施例1本实施例选用金银合金为内核、外层包裹氧化银的核壳结构纳米颗粒(Au-Ag/Ag2O核壳结构纳米颗粒),并通过滴定旋涂法制备包含Au-Ag/Ag20核壳结构纳米颗粒的染料敏化太阳能电池。首先,制备Au-Ag/Ag20核壳结构纳米颗粒,其制备方法如下:1、将 l(T4mol/L 的氯金酸溶液 100ml、l(T4mol/L 的硝酸银溶液 100ml，与 4*l(T2mol/L的柠檬酸钠溶液2ml混合，在恒温95摄氏度下以500转/分钟的频率搅拌，充分反应6_7分钟；2、在上述溶液中加入4*l(T2mol/L柠檬酸纳溶液8ml ；3、在恒温100摄氏度下以500转/分钟的频率搅拌，充分反应20_25分钟后保持搅拌状态下自然冷却至室温。上述方法即可得到外层有氧化银包裹，内核为金银合金的核壳结构纳米颗粒。由于该种纳米颗粒成分为合金，其制备原料中包含金、银两种金属离子，利用不同金属离子氧化还原活性不同，调节反应温度，令金、银两种金属离子同时被还原，但还原后的金原子、银原子呈不规则排列，随着反应进行，就得到了不规则的金银合金纳米颗粒，其形状如“爆米花”状，即:其形为不规则球状，表面不光滑，且具有细小的凸状结构。由于上述制造纳米颗粒的反映在溶液环境下高速搅拌进行，受重力和离心力影响，金、银原子易在此环境下呈光滑球形结构，因此其凸起结构都为球形或椭球形。上述方法制备的Au-Ag/Ag20核壳结构纳米颗粒,其金银内核直径约为150_200nm,氧化银外壳壁厚约为2_3nm。下述为制备含有Au-Ag/Ag20核壳结构纳米颗粒的染料敏化太阳能电池的步骤:首先,将Au-Ag/Ag2O核壳结构纳米颗粒与纳米多孔半导体TiO2薄膜衆料用酒精作为溶剂混合，通过调节混合液中Au-Ag/Ag20核壳结构纳米颗粒的浓度调节TiO2多孔半导体薄膜中Au-Ag/Ag20核壳结构纳米颗粒含量，一般其质量分数控制在1%_10% ；其次，在石英或玻璃基底表面蒸镀一层透明导电材料；然后，在400-1000转/分钟的条件下，以旋涂甩胶的方式将含有Au_Ag/Ag20核壳结构纳米颗粒的纳米多孔半导体TiO2薄膜衆料旋涂至透明导电材料表面,高温加热使衆料烧结为薄膜，薄膜厚度为500nm-15um。再次，将上述涂有Au-Ag/Ag20核壳结构纳米颗粒的透明电极整体投入染料敏化剂中18-24小时，使染料分子充分吸附于纳米多孔半导体TiO2薄膜上，上述即可得到敏化过的包含Au-Ag/Ag20核壳结构纳米颗粒的纳米多孔半导体TiO2薄膜电池基还；最后，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，在粘合体中间的间隙注入电解液。至此完成了含有Au-Ag/Ag20核壳结构纳米颗粒的染料敏化太阳能电池的制备。实施例2本实施例选用金钼合金为内核、外层包裹氧化银的核壳结构纳米颗粒(Au-Pt/Ag2O核壳结构纳米颗粒),并通过滴定旋涂法制备包含Au-Pt/Ag20核壳结构纳米颗粒的染料敏化太阳能电池。首先，制备Au-PVAg2O核壳结构纳米颗粒，其制备方法如下:1、将 l(T4mol/L 的氯金酸溶液 100ml、l(T4mol/L 的氯钼酸溶液 100ml，与 4*l(T2mol/L的柠檬酸钠溶液2ml混合，在恒温95摄氏度下以500转/分钟的频率搅拌，充分反应6_7分钟；2、在上述溶液中加入4*10_2mol/L柠檬酸纳溶液8ml和10_4mol/L的硝酸银溶液20ml ；3、在恒温100摄氏度下以500转/分钟的频率搅拌，充分反应20_25分钟后保持搅拌状态下自然冷却至室温。上述方法即可得到外层有氧化银包裹，内核为金钼合金的核壳结构纳米颗粒。且上述方法制备的Au-PVAg2O核壳结构纳米颗粒，其金钼内核直径约为150-200nm，氧化银外壳壁厚约为2-3nm。下述为制备含有Au-Pt/Ag20核壳结构纳米颗粒染料敏化太阳能电池的步骤:首先,将Au-Pt/Ag20核壳结构纳米颗粒与纳米多孔半导体TiO2薄膜楽；料用酒精作为溶剂混合，通过调节混合液中Au-Pt/Ag20核壳结构纳米颗粒浓度调节TiO2多孔半导体薄膜中Au-PVAg2O核壳结构纳米颗粒含量，一般其质量分数控制在1%_10% ；其次，在石英或玻璃基底表面蒸镀一层透明导电材料；然后，在400-1000转/分钟的条件下以旋涂甩胶的方式将含有Au-PVAg2O核壳结构纳米颗粒的纳米多孔半导体TiO2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，薄膜厚度为500nm-15um。再次，将上述涂有Au-Pt/Ag20核壳结构纳米颗粒的透明电极整体投入染料敏化剂中18-24小时，使染料分子充分吸附于纳米多孔半导体TiO2薄膜上，上述即可得到敏化过的包含Au-PVAg2O核壳结构纳米颗粒的纳米多孔半导体TiO2薄膜电池基坯；最后，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，在粘合体中间的间隙注入电解液。至此完成了含有Au-Pt/Ag20核壳结构纳米颗粒的染料敏化太阳能电池的制备。实施例3本实施例选用，银钼合金为内核、外层包裹氧化银的核壳结构纳米颗粒(Ag-Pt/Ag2O核壳结构纳米颗粒),并通过滴定旋涂法制备包含Ag-Pt/Ag20核壳结构纳米颗粒的染料敏化太阳能电池。首先，制备Ag-PVAg2O核壳结构纳米颗粒，其制备方法如下:1、将 l(T4mol/L 的硝酸银溶液 100ml、l(T4mol/L 的氯钼酸溶液 100ml，与 4*l(T2mol/L的柠檬酸钠溶液2ml混合，在恒温95摄氏度下以500转/分钟的频率搅拌，充分反应6_7分钟；2、在上述溶液中加入4*l(T2mol/L柠檬酸纳溶液8ml ；3、在恒温100摄氏度下以500转/分钟的频率搅拌，充分反应20_25分钟后保持搅拌状态下自然冷却至室温。上述方法即可得到外层有氧化银包裹，内核为银钼合金的核壳结构纳米颗粒。且上述方法制备的Ag-PVAg2O核壳结构纳米颗粒，其银钼内核直径约为150-200nm，氧化银外壳壁厚约为2-3nm。下述为制备含有Ag-Pt/Ag20核壳结构纳米颗粒染料敏化太阳能电池的步骤:
首先，将Ag-Pt/Ag20核壳结构纳米颗粒与纳米多孔半导体TiO2薄膜楽；料用酒精作为溶剂混合，通过控制混合液中Ag-PVAg2O核壳结构纳米颗粒浓度控制TiO2多孔半导体薄膜中Ag-PVAg2O核壳结构纳米颗粒含量，一般其质量分数控制在1%_10% ；其次，在石英或玻璃基底表面蒸镀一层透明导电材料；然后，在400-100转/分钟的条件下以旋涂甩胶的方式将含有Ag-PVAg2O核壳结构纳米颗粒的纳米多孔半导体TiO2薄膜衆料,旋涂至透明导电材料表面上,高温加热使衆料烧结为薄膜，其厚度在500nm-15um。再次，将上述涂有Ag-Pt/Ag20核壳结构纳米颗粒的透明电极整体投入染料敏化剂中18-24小时，使染料分子充分吸附于纳米多孔半导体TiO2薄膜上，上述即可得到敏化过的包含Ag-PVAg2O核壳结构纳米颗粒的纳米多孔半导体TiO2薄膜电池基坯；最后，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，在粘合体中间的间隙注入电解液。至此完成了含有Ag-Pt/Ag20核壳结构纳米颗粒的染料敏化太阳能电池的制备。实施例4本实施例选用金为内核、外层包裹氧化银的核壳结构纳米颗粒(Au/Ag20核壳结构纳米颗粒)，并通过滴定旋涂法制备包含Au/Ag20核壳结构纳米颗粒的染料敏化太阳能电池。首先,制备Au/Ag20核壳结构纳米颗粒,其制备方法如下:1、将 10_4mol/L 的氯金酸溶液 100ml、10_4mol/L 的硝酸银溶液 100ml，与 4*10_2mol/L的柠檬酸钠溶液2ml混合，在恒温95摄氏度下以500转/分钟的频率搅拌，充分反应6_7分钟；2、在上述溶液中加入4*10_2mol/L柠檬酸纳溶液8ml和10_4mol/L的硝酸银溶液IOOml ；3、在恒温100摄氏度下以500转/分钟的频率搅拌，充分反应20_25分钟后保持搅拌状态下自然冷却至室温。上述方法即可得到外层有氧化银包裹，内核为金的核壳结构纳米颗粒溶胶。且上述方法制备的Au/Ag20核壳结构纳米颗粒，其金内核直径约为150-200nm，氧化银外壳壁厚约为2_3nm。下述为制备含有Au/Ag20核壳结构纳米颗粒染料敏化太阳能电池的步骤:首先，将Au/Ag20核壳结构纳米颗粒与纳米多孔半导体TiO2薄膜浆料用酒精作为溶剂混合，通过控制混合液中Au/Ag20核壳结构纳米颗粒浓度控制TiO2多孔半导体薄膜中AuAg2O核壳结构纳米颗粒含量，一般其质量分数控制在1%_10% ；其次，在石英或玻璃基底表面蒸镀一层透明导电材料；然后，在400-1000转/分钟的条件下以旋涂甩胶的方式将含有Au/Ag20核壳结构纳米颗粒的纳米多孔半导体TiO2薄膜衆料,旋涂至透明导电材料表面上,高温加热使衆料烧结为薄膜，薄膜厚度为500nm-15um。再次，将上述涂有Au/Ag20核壳结构纳米颗粒的透明电极整体投入染料敏化剂中18-24小时，使染料分子充分吸附于纳米多孔半导体TiO2薄膜上，上述即可得到敏化过的包含Au/Ag20核壳结构纳米颗粒的纳米多孔半导体TiO2薄膜电池基坯；最后，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，在粘合体中间的间隙注入电解液。至此完成了含有Au/Ag20核壳结构纳米颗粒的染料敏化太阳能电池的制备。实施例5本实施例选用银为内核、外层包裹氧化银的核壳结构纳米颗粒(Ag/Ag20核壳结构纳米颗粒)，并通过滴定旋涂法制备包含Ag/Ag20核壳结构纳米颗粒的染料敏化太阳能电池。首先，制备Ag/Ag20核壳结构纳米颗粒,其制备方法如下:1、将ΙθΛιοΙ/L的硝酸银溶液100ml，与4*l(T2mol/L的柠檬酸钠溶液2ml混合，在恒温95摄氏度下以500转/分钟的频率搅拌，充分反应6-7分钟；2、在上述溶液中加入4*10_2mol/L柠檬酸纳溶液8ml ；3、在恒温100摄氏度下以500转/分钟的频率搅拌，充分反应20_25分钟后保持搅拌状态下自然冷却至室温。上述方法即可得到外层有氧化银包裹，内核为银的核壳结构纳米颗粒。且上述方法制备的Ag/Ag20核壳结构纳米颗粒，其银内核直径约为150-200nm，氧化银外壳壁厚约为2-3nm。下述为制备含有Ag/Ag20核壳结构纳米颗粒染料敏化太阳能电池的步骤:首先，将Ag/Ag20核壳结构纳米颗粒与纳米多孔半导体TiO2薄膜浆料用酒精作为溶剂混合，通过控制混合液中Ag/Ag20核壳结构纳米颗粒浓度控制TiO2多孔半导体薄膜中AgAg2O核壳结构纳米颗粒含量，一般其质量分数控制在1%_10% ；其次，在石英或玻璃基底表面蒸镀一层透明导电材料；然后，在400-1000转/分钟的条件下以旋涂甩胶的方式将含有Ag/Ag20核壳结构纳米颗粒的纳米多孔半导体TiO2薄膜衆料,旋涂至透明导电材料表面上,高温加热使衆料烧结为薄膜，薄膜厚度为500nm-15um。再次，将上述涂有Ag/Ag20核壳结构纳米颗粒的透明电极整体投入染料敏化剂中18-24小时，使染料分子充分吸附于纳米多孔半导体TiO2薄膜上，上述即可得到敏化过的包含Ag/Ag20核壳结构纳米颗粒的纳米多孔半导体TiO2薄膜电池基坯；最后，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，在粘合体中间的间隙注入电解液。至此完成了含有Ag/Ag20核壳结构纳米颗粒的染料敏化太阳能电池的制备。上述方法制备的具有等离子体效应的核壳结构纳米颗粒，其内核不限于金银合金、银钼合金等合金或金、银等金属单质，还可以是金铝合金、银铝合金、金铜合金、银铜合金、铝铜合金等合金或铝、铜等金属单质；其外壳不限于氧化银，还可以是其他金属氧化物。本发明提供的染料敏化太阳能电池的制造方法，制备工艺简单，制备材料容易获得，制备成本较低。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:其包括透明电极(I)、对电极(2)及位于所述透明电极(I)和对电极(2)之间的电解质层(3)，所述透明电极(I)的内侧设有纳米多孔半导体薄膜(4)，所述透明电极(I)的外侧设有透明衬底(5)，所述对电极(2)的外侧设有对透明衬底(6 )，所述电解质层(3 )包括电解液和染料敏化剂的混合液体。
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:所述纳米多孔半导体薄膜(4)中吸附具有表面等离子体效应的核壳结构纳米颗粒(7)。
3.根据权利要求2所述的染料敏化太阳能电池，其特征在于:所述具有表面等离子体效应的核壳结构纳米颗粒(7)表面不光滑，具有细小的凸状结构。
4.根据权利要求3所述的染料敏化太阳能电池，其特征在于:所述具有表面等离子体效应的核壳结构纳米颗粒(7)包括壳体和嵌于所述壳体内部的核体。
5.根据权利要求4所述的染料敏化太阳能电池，其特征在于:所述壳体为金属氧化物、有机聚合物或环氧基树脂材料，所述核体为合金或者金属单质。
6.根据权利要求5所述的染料敏化太阳能电池，其特征在于:所述金属氧化物为氧化银，所述有机聚合物为聚二甲基硅氧烷；所述合金为金银合金、金钼合金、金铝合金、金铜合金、银钼合金、银铝合金、银铜合金、铜铝合金中的一种，所述金属单质为金、银、铝、铜中的一种。
7.根据权利要求4所述的染料敏化太阳能电池，其特征在于:所述核体直径为100-300nm,所述壳体的壁厚为I 一 3nm。
8.根据权利要求1一 7任一项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(4)是二氧化钛纳米多孔半导体薄膜。
9.根据权利要求1一 7任一项所述的染料敏化太阳能电池，其特征在于:所述透明电极(I)为掺氟的氧化锡导电玻璃电极，所述对电极(2)为钼电极。
10.一种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: 51.制备核壳结构纳米颗粒溶胶； 52.在透明衬底表面蒸镀一层透明导电材料形成透明电极； 53.在纳米多孔半导体浆料中混入核壳结构纳米颗粒溶胶，高速搅拌均匀，得到混有表面等离子体效应的纳米颗粒的纳米多孔半导体浆料； 54.将上述混有表面等离子体效应的纳米颗粒的纳米多孔半导体浆料涂至所述透明电极表面，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； 55.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，完全浸没在染料敏化剂中，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，透明衬底、透明电极、纳米多孔半导体薄膜及吸附的染料敏化剂构成染料敏化太阳能电池基坯； 56.在对透明衬底的表面覆盖一层金属钼电极作为对电极，将所述对电极与所述染料敏化太阳能电池基坯粘合，在所述对电极与染料敏化太阳能电池基坯粘合体中间的间隙注入电解液，形成染料敏化太阳能电池。
11.根据权利要求10所述的染料敏化太阳能电池的制备方法，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: Sll.将含有一种或两种金属元素的溶液作为氧化剂与还原剂溶液混合，在低于溶液沸点的温度下恒温以固定转速搅拌，反应特定时间得到金属纳米颗粒溶胶；·512.在步骤Sll中制备的金属纳米颗粒溶胶溶液中加入还原剂溶液混合；·513.在低于溶液沸点温度下恒温对步骤S12的混合溶液以固定转速搅拌，之后在空气中冷却至室温，得到在金属氧化物壳体内嵌入金属核体的核壳结构纳米颗粒溶胶。
12.根据权利要求11所述的染料敏化太阳能电池的制备方法，其特征在于:步骤S13中得到的核壳结构纳米颗粒溶胶的金属氧化物壳体为氧化银，其金属核体为金银合金、金钼合金、金铝合金、金铜合金、银钼合金、银铝合金、银铜合金、铜铝合金、金、银、铝、铜中的一种。
13.根据权利要求10所述的染料敏化太阳能电池的制备方法，其特征在于: 在步骤S4中， 以旋涂甩胶 的方式将混有表面等离子体效应的纳米颗粒的纳米多孔半导体浆料涂至所述透明电极的表面； 在步骤S6中，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，采用热 封 胶的方法将所述对电极与所述电池基坯粘合。
全文摘要
本发明涉及新能源技术领域，公开了一种染料敏化太阳能电池，其包括透明电极、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表面等离子体效应的核壳结构纳米颗粒。本发明提供的含有纳米颗粒的染料敏化太阳能电池，扩宽了吸收光谱，提高了光吸收效率，增强了电池的光电转换效率。本发明还提供了一种制造染料敏化太阳能电池的方法。
文档编号H01G9/14GK103151177SQ201310074949
公开日2013年6月12日 申请日期2013年3月8日 优先权日2013年3月8日
发明者刘仿, 许骐, 黄翊东 申请人:清华大学