[发明专利]纳米晶太阳电池光阳极的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能电池技术，具体指一种纳米晶太阳电池光阳极的制备方法。

背景技术

能源与新材料、生物技术、信息技术一起构成了文明社会的四大支柱。能源是推动社会发展和经济进步的主要物质基础，能源技术的每次进步都推动了人类社会的发展。随着经济和社会的不断发展，煤、石油、天然气等不可再生能源的日益枯竭，能源需求的持续增长，能源问题已经成为全人类生存与发展面临的严重挑战。发展新能源及新能源材料是解决能源危机和环境保护问题的金钥匙，是人类进入21世纪必须解决的重大课题。太阳能具有取之不尽、用之不竭，安全可靠，无污染，不受地理环境制约等优点，愈来愈受到广泛的重视。新近发展的纳米晶太阳电池因其制作工艺简单，原材料便宜，生产成本低，适合在非直射光、多云等弱光条件下及光线条件不足的室内应用，以及可以使用柔性基底等优点受到了科学家和工业界的青睐。然而，目前纳米晶太阳电池的光电转换效率还不足以满足该电池大规模的商业化应用的需求。

改善纳米晶太阳电池的光阳极，增强太阳光的收集效率，是提高纳米晶太阳电池转换效率和加快纳米晶太阳电池实用化进程的重要途径之一。增加光阳极的比表面积使其吸附更多的敏化功能材料，利用光散射介质增加太阳光在光阳极中的传输路径，是两种改善光阳极光收集效率的有效手段。已有报道中，采用大比表面的有序介孔材料作为光阳极，充分利用了介孔材料大的比表面积提高光收集效率，但是该电极对太阳光的散射效应基本可以忽略。也有报道采用纳米微球作为纳米晶太阳电池的光阳极，虽然充分利用了微球的光散射性能，但是牺牲了光阳极的比表面积和空隙率，从而不能得到理想的光电转换特性。鉴于此，探索新方法制备一种既能吸附敏化功能材料，又能参与电子输运，同时还能增强光散射特性的高效光阳极，对提高纳米晶太阳电池的转换效率具有较大意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种简单可行的制备新型高效的纳米晶太阳电池光阳极的方法，解决了单一微球光阳极仅有较小比表面积的问题，克服了难以得到同时具备较大比表面积和良好光学散射特性的高效光阳极的困难。

本发明的方法是利用化学溶液法，以嵌段聚合物为模板，结合快速退火工艺和旋涂法在FTO(掺氟的氧化锡)导电玻璃上制备大表面积的介孔TiO₂厚膜。将TiO₂纳米微球均匀分散在钛前驱溶胶中，高温热处理后TiO₂微球分散在TiO₂膜中，并和周围的纳米颗粒紧密接触。最终得到的纳米晶太阳电池光阳极同时具有介孔材料大的比表面积和微球的良好的光散射特性。光阳极的厚度可由旋涂和快速退火工艺的次数由几百纳米至十几个微米内控制。

本发明制备的纳米晶太阳电池光阳极的方法包括如下步骤：

1.钛前驱溶胶的制备

将1～3克的嵌段聚合物溶于15-30ml的无水乙醇中，完全溶解后滴加1.0～3.0ml的浓盐酸和0.2～1.0ml的乙酰丙酮，搅拌30分钟；然后边搅拌边滴加5～15ml钛前驱体溶液，30分钟后再加入0～1ml去离子水；在室温下搅拌0.5～6小时即可得到钛前驱溶胶。

钛前驱体溶液为钛酸四正丁酯或钛酸异丙酯或钛酸乙酯。

嵌段聚合物为三嵌段共聚物聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯或两嵌段共聚物聚苯乙烯-聚氧乙烯。

无水乙醇可用正丁醇或异丙醇替代。

2.TiO₂微球和钛前驱复合溶胶的制备

将TiO₂纳米微球加入到钛前驱溶胶中，采用超声波分散溶胶20-60分钟，使得TiO₂微球充分分散均匀。其中TiO₂纳米微球尺寸为200-800nm，质量分数为0.5-20％。

3.纳米晶太阳电池光阳极的制备

利用旋涂法成膜，将2所得的复合驱溶胶在FTO导电玻璃上成膜，转速为1000～3000转/分钟，旋涂时间为20～60秒；

成膜后，将导电玻璃上的膜在空气氛围中400～500℃温度下快速退火5～30分钟，自然冷却至室温；

多次重复以上旋涂和快速退火工艺步骤可获得厚度在几百纳米至十几个微米的TiO₂膜；最后TiO₂厚膜在400～500℃热处理2-4小时，自然冷却到室温，即得可到具有大比表面积和良好光散射特性的纳米晶太阳电池光阳极。

其中FTO导电玻璃为在玻璃上沉积掺氟的氧化锡导电层。

本发明利用多次旋涂和快速退火工艺可在几百纳米到十几微米范围内调控纳米晶太阳电池光阳极的厚度。