[发明专利]一种基于不同形态纳米金的敏化太阳能电池

说明书

技术领域

本发明涉及敏化太阳能电池，特指一种基于不同形态纳米金的敏化太阳能电池。

背景技术

1991年，O’Regan和Grätzel报道了首例染料敏化太阳能电池，其能量转换效率为7%；至今，基于不同电解质和敏化剂的敏化太阳能电池效率已经突破11%，但其实用化仍依赖以下两个方面的突破：更高的能量转换效率（~15%）和更好的稳定性；短路光电流（J_sc）是影响敏化太阳能电池效率的重要因素之一，它主要由敏化剂（染料、量子点、金属等）所捕获光能的数量和电子在光阳极半导体中的输运决定；针对提高短路光电流的研究一般集中在新的染料的设计开发方面，因为被广泛使用的N719染料在600–750 nm波长范围内的光吸收较弱，而AM 1.5的太阳光中有超过60%的能量处于600 nm波长以上的范围内；目前，能量转换效率领先的染料敏化太阳能电池均采用了新型染料，包括原有敏化剂的改进和给–受体取代的卟啉敏化剂（Donor–Acceptor Substituted Porphyrin）等；然而，这些染料类敏化剂通常在光照下，特别是含有紫外线的光照下并不稳定，是染料敏化太阳能电池的性能在较短时间内劣化的原因之一。

2013年，Kamat等报道了一种金纳米团簇敏化的太阳能电池，其工作原理是纳米金受光激发，将电子注入到光阳极TiO₂中，从而形成光电流；由于敏化剂为金纳米团簇而非染料，因此这种敏化电池有望解决敏化剂在光照下分解的问题，从而提高电池的稳定性；然而，由于使用单一形态的金纳米团簇，这种敏化电池的光响应性能不佳，其光响应波长大约在550 nm以下，因此不利于充分利用太阳光和进一步提高电池的能量转换效率。

本发明针对Kamat等报道的电池存在的问题，提出利用两种不同形态纳米金共敏化的方法来提高金属纳米团簇敏化太阳能电池的光响应性能和能量转换效率，并且该方法未见专利或非专利文献报导。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷与不足，开发一种新型的纳米金敏化太阳能电池。

本发明提出的纳米金敏化太阳能电池的制备方法包括以下步骤：

1）制备光阳极：首先在透明导电玻璃电极上制备一定厚度的TiO₂颗粒层或TiO₂纳米棒层，接着对得到的电极进行煅烧，最后进行TiCl₄处理。

2）制备金纳米棒的胶体溶液：首先，以HAuCl₄•3H₂O作为金的前驱体，以十六烷基三甲基溴化铵作为表面活性剂，以硼氢化钠作为还原剂制备纳米金种；接着，以HAuCl4•3H2O作为金的前驱体，以十六烷基三甲基溴化铵作为表面活性剂，以抗坏血酸作为还原剂，并利用上述制备的纳米金种和硝酸银生长金纳米棒，最后利用离心的方法去除多余的表面活性剂，并将金纳米棒分散于水中得到金纳米棒的胶体溶液备用。

3）光阳极的敏化：首先，将步骤1）中制备的光阳极浸泡到一定浓度的和pH值的HAuCl₄•3H₂O水溶液中，待一定时间后取出光阳极，用水清洗后放入马弗炉中煅烧，从而制备球状纳米金敏化的光阳极；接着，将上述制备的球状纳米金敏化的光阳极浸泡在3-巯基丙酸的水溶液中进行表面修饰，再将修饰后的光阳极浸泡在步骤2）中制备的金纳米棒分散液中，浸泡后取出光阳极，清洗干燥后从而制得球状和棒状纳米金共敏化的光阳极（如图1所示）。

4）制备对电极：将H₂PtCl₆•3H₂O的异丙醇溶液涂敷于到事先打孔的透明导电玻璃上，待溶剂挥发后放入马弗炉中煅烧。

5）电池的组装：将步骤3）制备的纳米金敏化光阳极和步骤4）制备的对电极用一定厚度的沙林膜在加热的条件下进行粘合，接着将电解液通过对电极上的小孔注入到光阳极、对电极和沙林膜组成的空隙中，最后用沙林膜对对电极上的小孔进行密封，完成电池的组装（如图2所示）。

所述步骤1）中TiO₂光阳极的制备方法为但不限于涂布法或水热反应法。

所述涂布法用于制备颗粒状的TiO₂光阳极：首先将TiO₂纳米颗粒加入到含有表面活性剂的混合溶剂中；接着对溶液进行超声及搅拌，使其呈乳白色的泥浆状；