[发明专利]具有陷光结构的染料敏化纳米晶薄膜太阳能电池

说明书

技术领域

本发明属于太阳能电池领域，主要涉及一种陷光结构染料敏化纳米晶太阳能电池及其制备方法。

背景技术

面对严峻的环境、能源危机以及全球性节能减排要求，寻找新能源已经刻不容缓。太阳能作为一种取之不尽，用之不竭的可再生清洁能源，已越来越受到各国的关注。太阳能电池，直接将光能转化为电能，是利用太阳能最为有效的方式之一。目前研究技术最为成熟的是硅太阳能电池，并已实现工业化生产，但其高昂的成本以及繁琐的制备工艺限制了其大规模应用。染料敏化纳米晶太阳能电池(DSSC)作为新一代电池，以其低廉的成本和简单的工艺而广泛赢得人们的重视。据估算，DSSC的成本仅为硅太阳能电池的1/5～1/10。另外，DSSC优于硅太阳能电池的一大特点是DSSC可以收集任意角度的光线，无论日光强弱都能加以捕捉，还可以在高温下工作。但较低的光电转化效率限制了其大规模工业化发展，因此如何提高DSSC的转化效率成为人们目前的研究热点。

DSSC主要模仿光合作用原理，由半导体吸附的染料经光照激发产生电子，电子通过半导体导带转移到导电基底，经外电路传输到对电极而产生电流。因此对太阳光的吸收利用是影响DSSC性能的一个重要因素，设计合适的DSSC光阳极结构来增强光的吸收利用率可以显著提高DSSC的光电转化效率。目前采用最多的方法是在光阳极的最上层使用大颗粒纳米晶作为反射层或在光阳极中掺杂大颗粒纳米晶作为散射中心，通过光在薄膜中的多级反射和散射来提高染料对光的吸收，从而改善电池的光电转化效率。但这种结构对光的吸收利用毕竟有限，更加无法达到陷光的目的。而且大颗粒纳米晶的比表面积较低，从而减少了对染料分子的吸附，影响了光生电子数量。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，在全反射光纤结构的启发下，根据纳米晶材料的折射率不同，提供一种具有渐变折射率或伴随有颗粒度渐变薄膜组成电池光阳极薄膜的陷光染料敏化太阳能电池。此电池的光阳极的优势在于即使使用小粒径纳米晶制备太阳能电池光阳极，也可以增加光在薄膜中的折射和反射次数，提高光的吸收。通过改变入射光的角度或使用大颗粒纳米晶制备高折射率薄膜层，可以达到陷光的目的，从而增强光在膜中的散射，极大增强了染料分子对光的吸收利用，大大优化了电池的光电转化性能。此发明可以在任何条件下都能捕获不同波长的光，实现弱光高效发电，对于大规模产业化应用具有重要意义。

本发明根据全反射原理，光从光密介质(高折射率介质)射向光疏介质(低折射率介质)时，当光线入射角超过临界角时，折射光线完全消失，只剩下反射光线。因此，我们在两层低折射率纳米晶薄膜之间制备一层高折射率纳米晶薄膜，形成“三明治”形式的太阳能电池光阳极薄膜，或者在两层低折射率纳米晶薄膜之间制备多层渐变式的高折射率纳米晶薄膜，这样就可以在高折射率纳米晶薄膜层中实现全反射，从而达到陷光目的。另外，在薄膜中通过改变纳米晶颗粒度的大小，可以增大光在薄膜中发生全反射的几率，使染料分子受更多光的激发从而产生更多的电子，提高电池的短路电流，优化电池的性能。

本发明的目的可以通过以下措施达到：

一种具有陷光结构的染料敏化太阳能电池用光阳极，该光阳极主要由导电基底和纳米晶膜组成，其中：所述纳米晶膜由至少一层单元薄膜组成，其中每层单元薄膜由三层以上具有不同折射率的纳米晶薄膜叠加而成，所述单元薄膜两边最外层的纳米晶薄膜的光线折射率低于该单元薄膜里层的各纳米晶薄膜的光线折射率，且里层各纳米晶薄膜的光线折射率沿光线投射方向逐渐增大或先逐渐增大再逐渐减小。

本发明所指的光线投射方向一般是指垂直于导电基底的方向，也可以指太阳能电池吸收光线并转化为电能时，各光线射入太阳能电池的方向，即从太阳能电池的迎光面到太阳能电池内部的方向。本发明所指的“不同折射率纳米晶”不仅仅限于物质不同，还包括同一物质的晶型不同，以及同一物质的不同改性等。单元薄膜的各内层也可称为折射率渐变的纳米晶薄膜层。

本发明还提供了一种具有陷光结构的染料敏化纳米晶薄膜太阳能电池，包括光阳极、电解质和对电极，其中的光阳极采用上述光阳极，即光阳极主要由导电基底和纳米晶膜组成，所述纳米晶膜由至少一层单元薄膜组成，其中每层单元薄膜由三层以上具有不同折射率的纳米晶薄膜叠加而成，所述单元薄膜两边最外层的纳米晶薄膜的光线折射率低于该单元薄膜里层的各纳米晶薄膜的光线折射率，且里层各纳米晶薄膜的光线折射率沿光线投射方向逐渐增大或先逐渐增大再逐渐减小。