[发明专利]一种用于染料敏化太阳能电池的核壳结构阳电极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于染料敏化太阳能电池阳电极的研究领域，涉及在ZnO纳米棒阵列膜上射频磁控溅射沉积TiO₂层，制备TiO₂修饰的ZnO/TiO₂核壳结构电极应用于染料敏化太阳能电池。

背景技术

ZnO的载流子迁移率比TiO₂高将近10倍，用一维ZnO纳米棒阵列来代替普遍采用的TiO₂纳米颗粒多孔膜作为阳电极，可以为电子传输提供直接的途径，有利于减小电池内阻，降低电荷复合并提高电池的光电转换效率。而目前报道的ZnO基染料敏化太阳能电池效率都很不理想，这是由于ZnO在负载染料的过程中易和染料反应，降低了染料的活性，限制了电池效率的提高。

TiO₂具有化学稳定性。用TiO₂表面修饰一维ZnO阵列，有利于减少界面电荷复合，提高电子传输速度和电池稳定性。国内外研究者尝试采用化学法，用宽禁带半导体修饰ZnO纳米棒，以减少界面复合，提高光电转换效率，取得了一定的成就。但采用射频磁控溅射制备ZnO/TiO₂核壳结构阳电极，改善电池参数，提高电池效率的研究目前还未见报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种制备染料敏化太阳能电池的核壳结构电极的制备方法，该方法可以减小电池的暗电流，同时提高电池的短路电流，开路电压和填充因子，是一种提高染料敏化太阳能电池光电转换效率的有效方法。同时，ZnO/TiO₂的核壳结构抑制了染料对阳电极的腐蚀，提高了ZnO基染料敏化太阳能电池的化学稳定性。

本发明采用水热法合成ZnO纳米棒阵列膜，然后采用射频磁控溅射在ZnO纳米棒阵列膜上沉积TiO₂层，制备ZnO/TiO₂核壳结构阳电极。

本发明采用水热法，以六水合硝酸锌(或醋酸锌或乌洛托品)和氨水(或氢氧化钠或碳酸氢铵)为原料制备ZnO纳米棒阵列膜。

本发明采用射频磁控溅射方法在ZnO纳米棒上沉积3-20纳米的无定型相或锐钛矿相TiO₂层。

对本发明制得的ZnO/TiO₂核壳结构电极进行敏化，并滴加氧化还原电解质于敏化后的电极上，加盖对电极组装成染料敏化太阳能电池。所述的氧化还原电解质为商用电解质DHS-E23；所用的染料为N719或有机染料；所用的对电极为Pt对电极。

本发明的有益效果在于：

1.本发明提出了一种制备染料敏化太阳能电池核壳结构阳电极的方法。射频磁控溅射制备的ZnO/TiO₂核壳结构电极较好的解决了染料敏化太阳能电池中阳电极/染料/电解质界面电荷复合的缺点，并抑制了染料对ZnO的化学腐蚀，提高了电池的稳定性。

2.射频磁控溅射法制备的ZnO/TiO₂核壳结构电极，降低了电池的暗电流，同时改善了电池的开路电压，短路电流和填充因子，提高了染料敏化太阳能电池的光电转换效率。

3.射频磁控溅射方法制备ZnO/TiO₂核壳结构电极，可以有效地控制TiO₂层的结晶度和厚度，有利于ZnO纳米棒阵列膜表面电子的注入，降低电荷复合，提高光电转换效率。同时磁控溅射制备ZnO/TiO₂核壳结构电极的工艺简单，成本低廉，无污染，重复性好。

附图说明

图1是由实施例1所得到ZnO/TiO₂核壳结构的扫描电子显微图像(SEM)。

图2是由实施例1所得到ZnO/TiO₂核壳结构的透射电子显微图像(TEM)。

图3是TiO₂表面修饰ZnO纳米棒阵列膜前后组装的染料敏化太阳能电池的I-V曲线：(a)表面修饰前，(b)表面修饰后(实施例2)

图4是TiO₂表面修饰ZnO纳米棒阵列膜前后组装的染料敏化太阳能电池的暗电流与电压的变化曲线：(a)表面修饰前，(b)表面修饰后(实施例2)

具体实施方式

以下结合具体的实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，而不是限制本发明的应用范围。

实施例1：在2微米ZnO纳米棒阵列膜上，射频磁控溅射约10nm的无定型TiO₂层，制备ZnO/TiO₂核壳结构电极。