[发明专利]具有仿生结构孔道的染料敏化太阳电池

说明书

技术领域

本发明属于太阳电池领域尤其是染料敏化太阳电池技术领域，具体涉及一种具有仿生设计结构孔道的染料敏化太阳电池。

背景技术

太阳电池能够直接将太阳能转化成电能，是太阳能的主要利用形式之一。目前所研究的太阳电池主要包括：硅太阳电池、化合物半导体电池、聚合物膜太阳电池和染料敏化纳米晶太阳电池。自1991年等在Nature上报道了染料敏化纳米晶太阳电池(dye-sensitized solar cell，DSC)的太阳能转化效率＞7％以来，DSC便受到了广泛的关注。迄今，DSC的能量转化效率已经超过了11％。根据电解质材料的状态不同，分为液态DSC和固态DSC两类。

染料敏化太阳电池主要由光阳极、阴极、电解质以及封装部件组成。在导电玻璃基底(或导电柔性基底、导线、筛网等基底)上沉积的多孔TiO₂膜吸附染料后构成光阳极，其中的孔隙主要用于实现：(1)染料向薄膜内的扩散渗入以实现染料吸附到内部TiO₂表面的目的，染料从薄膜表面向膜基界面的方向扩散，越靠近膜基界面的位置越难以到达；(2)实现液态、固态或半固态电解质向薄膜内部的扩散渗入以实现对孔道的有效填充，电解质从薄膜表面向膜基界面的方向渗入，对于半固态电解质尤其是固态电解质，越靠近膜基界面的位置越难以到达；(3)实现液态或半固态电解质的离子扩散传递以实现电流传递的目的，电解质离子从膜基界面向薄膜表面方向进行正反双向的传递，越靠近薄膜表面的扩散流量越大。此外，电池的TiO₂连通网络承担传递导带电子的功能，电子从薄膜表面向膜基界面的方向传递，越靠近膜基界面的位置电子扩散量越大，因此对此处薄膜的电子传递性能的需求也越高。

目前的薄膜内部的孔道结构，尚未考虑如何协调解决上述问题，因为薄膜内部的孔道结构一般呈现相对均匀的分布情况。

光电转化效率是由染料采光效率、电子从染料向TiO₂膜的注入效率、电子在TiO₂膜中的传递并达到导电玻璃的收集效率、电解质离子在TiO₂膜中传递过程所决定。在孔隙结构方面，从染料向薄膜内部的扩散吸附、电解质向薄膜内部的渗透扩散和电解质载流子扩散角度，希望孔道尺寸不能太小。

以液态电池为例，进一步深入考虑电解质载流基团I^-和I₃^-在光阳极内的传输问题，本质在于阳极内不同厚度处均有I₃^-产生，这些从不同厚度处产生的I₃^-离子均沿填充电解质的孔道扩散出阳极表面朝对侧阴极的表面方向泳动，因此从膜基界面向着阳极表面的方向，薄膜内各处I₃^-的扩散通量逐渐加大，同理，从阳极表面向着膜基界面的方向，薄膜内各处I^-的扩散通量逐渐减小。实际上，为了让离子在孔道内尽可能实现阻力最小的等阻力扩散，基于这些扩散通量的不断变化，所需要的扩散通道的尺度和量也应逐渐变化。

其次，考虑薄膜的染料吸附过程，由于纳晶薄膜内部的孔道尺寸一般较小，一般小于20～100nm，相当部分空隙尺寸甚至小于2～10nm，因此染料分子经常在一些部位不能充分快速渗入，造成纳晶半导体材料表面裸露不能充分吸附染料。

再次，考虑固态电解质向纳晶薄膜内部的渗入问题，一般为了保证纳晶半导体材料初级颗粒之间的良好连接，采用先做好薄膜吸附染料后再向其中渗入固态电解质的方式。此时由于纳晶薄膜内部的孔道尺寸一般较小，吸附染料后变得更小，因此固态电解质经常难以充分快速渗入，造成固态电解质无法有效与全部染料之间进行电子传递。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有仿生结构孔道的染料敏化太阳电池，该电池的光阳极充分利用孔道的扩散性能，提高孔道网络的整体扩散能力。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：由光阳极、阴极、电解质以及封装部件构成，所说的光阳极的多孔纳晶薄膜内部的孔道结构具有仿生物脉络的结构，从阳极薄膜的膜基界面向薄膜表面，其孔道结构呈现梯度变化，孔道尺寸逐渐增加或孔隙率逐渐增加。