[发明专利]一种具有石墨相氮化碳纳米片界面层的染料敏化太阳电池及其制备方法

说明书

本发明公开一种具有石墨相氮化碳纳米片界面层的染料敏化太阳电池及其制备方法，该电池由透明导电基底、石墨相氮化碳纳米片界面层、氧化物薄膜、光敏染料、电解液和对电极组成，石墨相氮化碳纳米片界面层设置在透明导电基底和氧化物薄膜之间。在进行制备时，将石墨相氮化碳纳米片和含氮有机单体的混合分散液喷涂到透明导电基底上，并在氮气和氩气的混合气氛下热处理后得到石墨相氮化碳纳米片界面层。然后制备氧化物薄膜，并经过光敏染料敏化、电池组装等过程后制得成品电池。在透明导电基底和氧化物薄膜间引入石墨相氮化碳纳米片界面层，可以有效地抑制染料敏化太阳电池中的背传输反应，大幅提高光电转化效率。

技术领域

本发明涉及一种染料敏化太阳电池及其制备方法，具体地讲，涉及一种在透明导电基底和氧化物薄膜之间引入一个由石墨相氮化碳纳米片构成的界面层，用以阻隔电解液和基底的接触，从而抑制背传输反应，提高光电转化效率的染料敏化太阳电池及其制备方法。

背景技术

随着全球工业化进程的不断加速和世界人口的爆发式增长，人类社会面临着巨大的能源需求。然而，现今世界的能源消费结构仍然以煤炭、石油和天然气等化石能源为主。众所周知，地球上化石能源的储量是有限的。因此，需求和储量之间的矛盾必将导致严重的能源危机。此外，化石能源的开采、运输和使用的过程不可避免地给自然环境带来了严重的污染问题。因此，开发环境友好、可再生的新型能源成为人类社会在本世纪亟需解决的重大课题之一。

在各种新型能源中，太阳能以其储量巨大、时间长久且利用方便等独特优势受到了广大研究人员的普遍关注。目前，人们利用太阳能的主要方法是制造太阳电池，将太阳能转换成电能加以利用。在种类繁多的太阳电池中，染料敏化太阳电池由于具有光电转化效率高、制备工艺相对简单、原材料价格便宜、适宜大面积工业化生产等诸多优势，已经为各国竞相研发的一种新型太阳电池。

虽然染料敏化太阳电池具有许多优势，但是其效率和实际应用比起来还有一定差距。影响其效率进一步提高的原因之一是电池内部存在的背传输反应。具体来讲，电池中的电解液可以通过氧化物薄膜中的孔隙渗透到透明导电基底处，进而和基底上的光生电子发生复合，形成所谓的背传输反应。以常用的碘和碘化锂(I₂/LiI)电解液为例，反应方程式为2e^-+I₃^-→3I^-，反应机制如图1所示。背传输反应大大降低了光生电子的有效输出，严重影响了电池的光电转化效率。因此，阻止电解液和导电基底的接触，可以有效降低光生电子和电解液的复合，抑制背传输反应，显著增强染料敏化太阳电池的光电性能。

目前，人们多采用在透明导电基底和氧化物薄膜之间引入一个界面层的方法来达到上述效果。而所引入的界面层多为致密二氧化钛层、碳纳米管层或者石墨烯层。对于致密二氧化钛来说，染料敏化太阳电池的内阻被大大增加，这无益于电池性能的改进。对于碳纳米管或者石墨烯来说，疏水的表面特性导致了其很难在导电基底和氧化物薄膜间形成一个完整而且导电性能良好的界面层。因此，采用上述材料制备的界面层在抑制背传输反应方面的作用是有限的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中染料敏化太阳电池由于背传输反应降低其光电性能的问题，提供一种具有较高光电转化效率的染料敏化太阳电池及其制备方法。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：

一种具有石墨相氮化碳纳米片界面层的染料敏化太阳电池，自下而上由透明导电基底、石墨相氮化碳纳米片界面层、氧化物薄膜、光敏染料、电解液和对电极组成。

所述透明导电基底为铟锡氧化物导电玻璃或者氟锡氧化物导电玻璃中的一种。

所述氧化物薄膜为二氧化钛薄膜、二氧化锡薄膜或者氧化锌薄膜中的一种。

所述光敏染料为金属钌的多吡啶基配合物中的一种，如：N3、N719和Black dye。