專利名稱：染料敏化太陽能電池及其制作方法
技術領域：
本發明涉及新能源領域，特別是涉及一種利用納米顆粒表面等離子效應的染料敏化太陽能電池及其制作方法。
背景技術：
隨著化石燃料的逐漸耗盡，以及伴隨化石燃料的使用所帶來的溫室效應日漸加重，具環保價值的新能源的開發成為迫不容緩的事。由于太陽能為源源不絕和潔凈不產生環境污染的能源，各國科學家致力于開發各種不同材料的太陽能電池以用于生活中的各種電器或電子產品。1991年瑞士洛桑高等工業學院的研究小組將納米晶體多空薄膜引入染料敏化電池中，使其效率提升到了百分之一以上，逐漸成為最有希望得到應用的新型太陽電池之一。長久以來轉換效率相對低下一直是染料敏化電池發展的主要瓶頸。為了進一步加強染料敏化太陽能電池的轉換效率，需要找到一種有效促進光吸收的方法。采用Au/PVP核殼納米顆粒正是利用了表面等離子體效應來增強光吸收效率和光電轉化效率。表面等離子體(Surface Plasmons, SPs)是指在金屬表面存在的自由振動的電子與光子相互作用產生的沿著金屬表面傳播的電子疏密波。在兩種半無限大、各向同性介質構成的界面，介質的介電常數是正的實數，金屬的介電常數是實部為負的復數。根據maxwell方程,結合邊界條件和材料的特性,可以計算得出表面等離子體的場分布和色散特性。表面 等離子體是目前納米光電子學科的一個重要的研究方向，它受到了包括物理學家，化學家，材料學家，生物學家等多個領域人士的極大的關注。隨著納米技術的發展，表面等離子體被廣泛研究用于光子學，數據存儲，顯微鏡，太陽能電池和生物傳感等方面。

發明內容
(一)要解決的技術問題本發明要解決的技術問題是如何提高燃料敏化太陽能電池的轉換效率的問題。(二)技術方案為了解決上述技術問題，本發明提供一種染料敏化太陽能電池，包括透明電極和對電極及位于所述透明電極和對電極之間的電解質層；所述透明電極的內側表面設有納米多孔半導體薄膜，所述透明電極的外側設有透明襯底，所述對電極的外側設有對透明襯底；所述電解質層包括電解液和染料敏化劑的混合液體；所述納米多孔半導體薄膜中吸附有具有表面等離子體效應的核殼結構納米顆粒。其中，所述核殼結構納米顆粒包括PVP有機物殼體和內嵌于所述PVP有機物殼體內部的金屬核體。其中，所述金屬核體的直徑為5 100nm，所述PVP有機物殼體的厚度為0.5 10nm。其中，所述金屬核體采用金屬金、銀、鋁或鉬材料制成。其中，所述納米多孔半導體薄膜采用二氧化鈦納米多孔材料制成。
其中，所述透明電極為FTO電極，所述對電極為Pt電極。本發明還提供一種染料敏化太陽能電池的制作方法，包括以下步驟:S1、制備核殼結構納米顆粒溶膠；S2、在透明襯底的表面整鍍一層透明導電材料形成透明電極；S3、以旋涂甩膠的方式將納米多孔半導體漿料旋涂至所述透明電極的表面，高溫加熱使納米多孔半導體漿料燒結為納米多孔半導體薄膜；S4、將透明襯底、透明電極和納米多孔半導體薄膜整體投入染料敏化劑中，并保證納米多孔半導體薄膜完全浸沒在染料敏化劑中足夠的時間，以使染料敏化劑的染料分子充分吸附于納米多孔半導體薄膜上；S5、再以滴定或旋涂的方式在納米多孔半導體薄膜上滴入上述SI中制得的核殼納米顆粒溶膠，即可得到吸附于納米多孔半導體薄膜中的核殼結構納米顆粒的電池基坯；S6、再通過蒸鍍或濺射的方式在對透明襯底的表面覆蓋一層金屬鉬電極作為對電極，并采用熱封膠將所述對電極與所述電池基坯粘合，最后注入電解液，至此形成了染料敏化太陽電池。其中，所述步驟SI中制備核殼結構納米顆粒溶膠的方法，包括以下步驟:S1 '、將含有金屬元素溶液的氧化劑和還原劑溶液發生氧化還原反應，并在恒溫條件下以固定轉速頻率攪拌，充分反應后保持攪拌狀態下自然冷卻至室溫，得到金屬納米顆粒溶膠；S2 '、將PVP顆粒溶于水中形成PVP分子溶膠；S3 '、將上述的金屬納米顆粒溶膠和PVP分子溶膠混合后在常溫條件下連續攪拌十個小時以上，得到在PVP有機物殼體內嵌金屬核體的核殼結構納米顆粒溶膠。本發明還提供一種染料敏化太陽能電池的制作方法，包括以下步驟:S10、制備核殼結構納米顆粒溶膠；S20、在透明襯底的表面整鍍一層透明導電材料形成透明電極；S30、將將納米多孔半導體漿料和步驟SlO中制得的核殼納米顆粒溶膠混合均勻后，以旋涂甩膠的方式涂至所述透明電極的表面，并在紫外光下照射使其固化形成吸附有核殼納米顆粒的多孔半導體薄膜；S40、將透明襯底、透明電極和納米多孔半導體薄膜整體投入染料敏化劑中，并保證納米多孔半導體薄膜完全浸沒在染料敏化劑中足夠的時間，以使染料敏化劑的染料分子充分吸附于納米多孔半導體薄膜上，即可得到吸附于納米多孔半導體薄膜中的核殼結構納米顆粒的電池基坯；S50、再通過蒸鍍或濺射的方式在對透明襯底表面覆蓋一層金屬鉬電極作為對電極，并采用 熱封膠將所述對電極與所述電池基坯粘合，最后注入電解液，至此形成了染料敏化太陽電池。其中，所述步驟SlO中的核殼結構納米顆粒溶膠的制備方法，包括以下步驟:SlO '、將含有金屬元素溶液的氧化劑和還原劑溶液發生氧化還原反應，并在恒溫條件下以固定轉速頻率攪拌，充分反應后保持攪拌狀態下自然冷卻至室溫，得到金屬納米顆粒溶膠；S20 ,、將PVP顆粒溶于水中形成PVP分子溶膠；S30 ,、將上述的金屬納米顆粒溶膠和PVP分子溶膠混合后在常溫條件下連續攪拌十個小時以上，得到在PVP有機物殼體內嵌金屬核體的核殼結構納米顆粒溶膠。(三)有益效果上述技術方案提供的一種染料敏化太陽能電池及其制作方法，在納米多孔半導體薄膜中吸附有表面具有等離子體效應的核殼結構納米顆粒，在太陽光照射下，可激勵起局域表面等離子體振蕩，擴寬吸收光譜，從而增強電池對可見光波段太陽光的吸收；同時核殼結構顆?？梢栽鰪妼θ肷涔獾纳⑸洌档腿肷涔獾耐干渑c全反射，核殼結構納米顆粒的添加提聞了電池整體的光吸收效率，最終達到提聞染料敏化太陽電池的光電轉化效率的目的。進一步地，核殼結構納米顆粒采用包裹于金屬核體外層的PVP有機物殼體，可有效減少金屬顆粒對電子-空穴對的復合，降低金屬損耗，并且通過設計、制備具有特定參數的核殼結構，例如調整介質殼層厚度，可以獲得對不同波長具有表面等離子體諧振增強特性的納米顆粒，最終實現對既定波長吸收增強的高效率染料敏化太陽電池；且可對直徑為1-4納米的小分子，例如染料分子，有較強的吸附性和粘附性，從而大量的染料分子將被吸附在核殼結構納米顆粒表面，從而使盡可能多的染料分子處于局域表面等離子體(LSP)的光場增強的有效范圍內，達到LSP增強染料分子光吸收特性的最佳效果；可以增強所吸附的染料分子31處于激發態的壽命，進而增強染料敏化電池中載流子的產生幾率，提高電池整體的光電特性；在特定的溶液環境下，如弱酸性溶液，可具有電活性特性，能夠傳輸負離子和電子，從而可以導出附著在PVP有機物殼體表面的染料分子所產生的自由電子至光陽極，達到增強染料敏化電池光電特性的目的。


圖1是本發明一種染料敏化太陽能電池的結構示意圖；圖2是本發明中核殼結構納米顆粒的結構示意圖。其中:1、透明電極；2、對電極；3、電解質層；31、染料分子；4、納米多孔半導體薄膜；5、透明襯底；6、對透明襯底；7、核殼結構納米顆粒；71、金屬核體；72、PVP有機物殼體。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式
作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發明，但不用來限制本發明的范圍。如圖1，本發明的一種染料敏化太陽能電池，包括透明電極I和對電極2及位于該透明電極I和對電極2之間的電解質層3 ;透明電極2的內側表面設有納米多孔半導體薄膜4，透明電極I的外側設有透明襯底5，對電極2的外側設有對透明襯底6 ;電解質層3包括電解液和染料敏化劑的混合液體；納米多孔半導體薄膜4中吸附有具有表面等離子體效應的核殼結構納米顆粒7。如圖2，核殼結構納米顆粒7包括PVP (聚乙烯基吡咯烷酮)有機物殼體72和內嵌于PVP有機物殼體72內部的金屬核體71。金屬核體71的直徑為5 100nm，PVP有機物殼體的厚度為0.5 10nm。金屬核體71采用金屬金、銀、鋁或鉬材料制成。納米多孔半導體薄膜4采用二氧化鈦納米多孔材料制成。透明電極I為FTO電極，對電極2為Pt電極。本發明還提供一種染料敏化太陽能電池的制作方法，包括以下步驟:S1、制備核殼結構納米顆粒溶膠；S2、在透明襯底5表面整鍍一層透明導電材料形成透明電極I ;S3、以旋涂甩膠的方式將納米多孔半導體漿料旋涂至透明電極I的表面，高溫加熱使納米多孔半導體漿料燒結為納米多孔半導體薄膜4 ；S4、將透明襯底5、透明電極I和納米多孔半導體薄膜4整體投入染料敏化劑中，并保證納米多孔半導 體薄膜4完全浸沒在染料敏化劑中足夠的時間，以使染料敏化劑中的染料分子31充分吸附于納米多孔半導體薄膜4上；
S5、再以滴定或旋涂的方式在納米多孔半導體薄膜4上滴入上述SI中制得的核殼納米顆粒溶膠，即可得到吸附于納米多孔半導體薄膜4中的核殼結構納米顆粒7的電池基坯；S6、再通過蒸鍍或濺射的方式在對透明襯底6的表面覆蓋一層金屬鉬(Pt)電極作為對電極2，并采用熱封膠將對電極2與電池基坯粘合，最后注入電解液，至此形成了染料敏化太陽電池。其中，步驟SI中制備核殼結構納米顆粒溶膠的方法，包括以下步驟:SI '、將含有金屬元素溶液的氧化劑和還原劑溶液發生氧化還原反應，并在恒溫條件下以固定轉速頻率攪拌，充分反應后保持攪拌狀態下自然冷卻至室溫，得到金屬納米顆粒溶膠；S2 ,、PVP顆粒溶于水中形成PVP分子溶膠；S3 ,、將上述的金屬納米顆粒溶膠和PVP分子溶膠混合后在常溫條件下連續攪拌十個小時以上，得到在PVP有機物殼體72內嵌金屬核體71的核殼結構納米顆粒溶膠。本發明提供的另一種染料敏化太陽能電池的制作方法，包括以下步驟:S10、制備核殼結構納米顆粒溶膠；S20、在透明襯底5的表面整鍍一層透明導電材料形成透明電極I ;S30、將將納米多孔半導體漿料和步驟SlO中制得的核殼納米顆粒溶膠混合均勻后，以旋涂甩膠的方式涂至透明電極I的表面，并在紫外光下照射使其固化形成吸附有核殼納米顆粒7的多孔半導體薄膜3 ；

S40、將透明襯底5、透明電極I和納米多孔半導體薄膜4整體投入染料敏化劑中，并保證納米多孔半導體薄膜4完全浸沒在染料敏化劑中足夠的時間，以使染料敏化劑的染料分子31充分吸附于納米多孔半導體薄膜4上，即可得到吸附于納米多孔半導體薄膜4中的核殼結構納米顆粒7的電池基坯；S50、再通過蒸鍍或濺射的方式在對透明襯底6的表面覆蓋一層金屬鉬電極作為對電極2，并采用熱封膠將對電極2與電池基坯粘合，最后注入電解液，至此形成了染料敏化太陽電池。其中，步驟SlO中的核殼結構納米顆粒溶膠的制備方法，包括以下步驟:SlO '、將含有金屬元素溶液的氧化劑和還原劑溶液發生氧化還原反應，并在恒溫條件下以固定轉速頻率攪拌，充分反應后保持攪拌狀態下自然冷卻至室溫，得到金屬納米顆粒溶膠；S20 ,、PVP顆粒溶于水中形成PVP分子溶膠；S30 '、將上述的金屬納米顆粒溶膠和PVP分子溶膠混合后在常溫條件下連續攪拌十個小時以上，得到在PVP有機物殼體內嵌金屬核體的核殼結構納米顆粒溶膠。列舉幾個具體的實施例如下:實施例一:實施例一中選用以金為內核、外層包裹PVP的核殼結構納米顆粒(Au/PVP)，并通過滴定旋涂法制備包含有Au/PVP的染料敏化電池。Au/PVP制備方法主要分為三步:1.制備金溶膠；2.制備PVP水溶液；3.將I與2混合反應得到Au/Ti02。金納米顆粒制備方法采用氯金酸溶液與檸檬酸鈉溶液發生氧化還原反應，該實施例中選用10-4mol/L的氯金酸溶液200mL與4*10-2mol/L的檸檬酸鈉溶液2mL，在恒溫100攝氏度下以500轉/分鐘的頻率攪拌，充分反應15-20分鐘后保持攪拌狀態下自然冷卻至室溫，即得到金納米顆粒溶膠，其平均直徑約為15-100nm ;將分子量為10000-30000的PVP顆粒溶于水形成PVP水溶液；將得到的PVP水溶液和之前的金溶膠混合后并在常溫下以700轉/分鐘的速度攪拌24小時，即可得到以金為內核、外層包裹PVP的金-聚乙烯吡咯烷酮核殼結構納米顆粒溶膠，其金內核約為15-100nm，PVP層厚度約0.5_5nm。制備含有Au/PVP核殼納米顆粒染料敏化太陽電池，首先需要在石英或玻璃基底表面蒸鍍一層透明導電材料，然后在400轉/分鐘-1000轉/分鐘的條件下以旋涂甩膠的方式將納米多孔半導體薄膜漿料，旋涂至透明導電材料表面上，高溫加熱使漿料燒結為薄膜，其厚度在500納米-10微米。而后整體投入染料敏化劑中，保證納米多孔半導體薄膜完全浸沒在染料敏化劑中足夠的時間，使染料分子充分吸附于納米多孔半導體薄膜結構上，再以滴定或旋涂的方式在納米多孔半導體薄膜上滴入上述方法制得的Au/PVP核殼納米顆粒溶膠，Au/PVP的質量濃度比為2%-15%，即可得到包含于納米多孔半導體薄膜中的Au/PVP核殼納米顆粒結構電池基坯；再通過蒸鍍或濺射的方式在另一塊石英或玻璃基底表面覆蓋一層金屬鉬電極作為對電極，將對電極與已經制備完成的電池基坯使用熱封膠粘合，再注入電解液，至此完成了含有Au/PVP核殼納米顆粒染料敏化太陽電池的制備。實施 例二:實施例二中選用以金為內核、外層包裹PVP的核殼結構納米顆粒(Au/PVP)，并通過紫外固化法制備包含有Au/PVP的染料敏化電池。Au/PVP制備方法主要分為三步:1.制備金溶膠；2.制備PVP水溶液；3.將I與2混合反應得到Au/Ti02。金納米顆粒制備方法采用氯金酸溶液與檸檬酸鈉溶液發生氧化還原反應，該實施例中選用10-4mol/L的氯金酸溶液200mL與4*10-2mol/L的檸檬酸鈉溶液2mL，在恒溫100攝氏度下以500轉/分鐘的頻率攪拌，充分反應15-20分鐘后保持攪拌狀態下自然冷卻至室溫，即得到金納米顆粒溶膠，其平均直徑約為15-100nm ;將分子量為10000-30000的PVP顆粒溶于水形成PVP水溶液；將得到的PVP水溶液和之前的金溶膠混合后并在常溫下以700轉/分鐘的速度攪拌24小時，即可得到以金為內核、外層包裹PVP的金-聚乙烯吡咯烷酮核殼結構納米顆粒溶膠，其金內核約為15-100nm，PVP層厚度約0.5_5nm。制備含有Au/PVP核殼納米顆粒染料敏化太陽電池，首先需要在石英或玻璃基底表面蒸鍍一層透明導電材料，然后將上述制備好的Au/PVP納米顆粒溶膠與納米多孔半導體薄膜漿料混合均勻，Au/PVP的質量濃度比為2%-15%，再在400轉/分鐘-1000轉/分鐘的條件下旋涂甩膠的方式將納米多孔半導體薄膜漿料，旋涂至透明導電材料表面上，接下來用紫外光照射12-24小時，使納米多孔半導體漿料固化為納米多孔半導體薄膜，而后整體投入一定濃度的染料敏化劑中，保證納米多孔半導體薄膜完全浸沒在染料敏化劑中足夠的時間，使染料分子充分吸附于納米多孔半導體薄膜結構上，即可得到包含于納米多孔半導體薄膜中的Au/PVP核殼納米顆粒結構電池基坯；再通過蒸鍍或濺射的方式在另一塊石英或玻璃基底表面覆蓋一層金屬鉬電極作為對電極，使用熱封膠將對電極二者與電池基坯粘合，再注入電解液，至此完成了含有Au/PVP核殼納米顆粒染料敏化太陽電池的制備。實施例三:實施例三中選用以銀為內核、外層包裹PVP的核殼結構納米顆粒(Ag/PVP)并通過滴定旋涂法制備包含有Ag/PVP的染料敏化電池。Ag/PVP制備方法主要分為三步:1.制備銀溶膠；2.制備PVP水溶液；3.將I與2混合反應得到Ag/Ti02。銀納米顆粒制備方法采用硝酸銀溶液與檸檬酸鈉溶液發生氧化還原反應，該實施例中選用10-4mol/L的硝酸銀溶液200mL與4*10-2mol/L的檸檬酸鈉溶液2mL，在恒溫100攝氏度下以500轉/分鐘的頻率攪拌，充分反應15-20分鐘后保持攪拌狀態下自然冷卻至室溫，即得到銀納米顆粒溶膠，其平均直徑約為15-100nm ;將分子量為10000-30000的PVP顆粒溶于水形成PVP水溶液；將得到的PVP水溶液和之前的銀溶膠混合后并在常溫下以700轉/分鐘的速度攪拌24小時，即可得到以銀為內核、外層包裹PVP的銀-聚乙烯吡咯烷酮核殼結構納米顆粒溶膠，其銀內核約為 15-100nm，PVP 層厚度約 0.5_5nm。制備含有Ag/PVP核殼納米顆粒染料敏化太陽電池，首先需要在石英或玻璃基底表面蒸鍍一層透明導電材料，然后在400轉/分鐘-1000轉/分鐘的條件下以旋涂甩膠的方式將納米多孔半導體薄膜漿料旋涂至透明導電材料表面上，高溫加熱使漿料燒結為薄膜，而后整體投入染料敏化劑中，保證納米多孔半導體薄膜完全浸沒在染料敏化劑中足夠的時間，使染料分子充分吸附于納米多孔半導體薄膜結構上，再以滴定或旋涂的方式在納米多孔半導體薄膜上滴入上述方法制得的Ag/PVP核殼納米顆粒溶膠，Ag/PVP的質量濃度比為2%-15%，即可得到包含于納米多孔半導體薄膜中的Ag/PVP核殼納米顆粒結構電池基坯；再通過蒸鍍或濺射的方式在另一塊石英或玻璃基底表面覆蓋一層金屬鉬電極作為對電極2，將對電極2與已經制備完成的電池基坯使用熱封膠粘合，再注入電解液，至此完成了含有Ag/PVP核殼納米顆粒染料敏化太陽電池的制備。實施例四:實施例四中選用以銀為內核、外層包裹PVP的核殼結構納米顆粒(Ag/PVP)并通過紫外固化法制備包含有Ag/PVP的染料敏化電池。Ag/PVP制備方法主要分為三步:1.制備銀溶膠；2.制備PVP水溶液·；3.將I與2混合反應得到Ag/Ti02。銀納米顆粒制備方法采用硝酸銀溶液與檸檬酸鈉溶液發生氧化還原反應，該實施例中選用10-4mol/L的硝酸銀溶液200mL與4*10-2mol/L的檸檬酸鈉溶液2mL，在恒溫100攝氏度下以500轉/分鐘的頻率攪拌，充分反應15-20分鐘后保持攪拌狀態下自然冷卻至室溫，即得到銀納米顆粒溶膠，其平均直徑約為15-100nm ;將分子量為10000-30000的PVP顆粒溶于水形成PVP水溶液；將得到的PVP水溶液和之前的銀溶膠混合后并在常溫下以700轉/分鐘的速度攪拌24小時，即可得到以銀為內核、外層包裹PVP的銀-聚乙烯吡咯烷酮核殼結構納米顆粒溶膠，其銀內核約為 15-100nm，PVP 層厚度約 0.5_5nm。制備含有Ag/PVP核殼納米顆粒染料敏化太陽電池，首先需要在石英或玻璃基底表面蒸鍍一層透明導電材料，然后將上述制備好的Ag/PVP納米顆粒溶膠與納米多孔半導體薄膜漿料混合均勻，Ag/PVP的質量濃度比為2%-15%，再以旋涂甩膠的方式在400轉/分鐘-1000轉/分鐘的條件下將納米多孔半導體薄膜漿料，旋涂至透明導電材料表面上，接下來用紫外光照射12-24小時，使納米多孔半導體漿料固化為納米多孔半導體薄膜，而后整體投入一定濃度的染料敏化劑中，保證納米多孔半導體薄膜完全浸沒在染料敏化劑中足夠的時間，使染料分子充分吸附于納米多孔半導體薄膜結構上，即可得到包含于納米多孔半導體薄膜中的Ag/PVP核殼納米顆粒結構電池基坯；再通過蒸鍍或濺射的方式在另一塊石英或玻璃基底表面覆蓋一層金屬鉬電極作為對電極，使用熱封膠將對電極二者與電池基坯粘合，再注入電解液，至此完成了含有Ag/PVP核殼納米顆粒染料敏化太陽電池的制備。實施例五:實施例五中選用以金為內核、外層包裹PVP的核殼結構納米顆粒(Au/PVP)和以銀為內核、外層包裹PVP的核殼結構納米顆粒(Ag/PVP)，并通過滴定旋涂法制備包含有Au/PVP和Ag/PVP兩種納米顆粒的染料敏化電池。Au/PVP制備方法與實施例一中的相同或相近，Ag/PVP制備方法與實施例三中的相同或相近。將兩種制備完成的納米顆粒溶膠混合并攪拌均勻后，即可得到Au/PVP和Ag/PVP的混合核殼納米顆粒溶膠。制備同時包含有Au/PVP核殼納米顆粒和Ag/PVP核殼納米顆粒染料敏化太陽電池，首先需要在石英或玻璃基底表面蒸鍍一層透明導電材料，然后在400轉/分鐘-1000轉/分鐘的條件下以旋涂甩膠的方式將納米多孔半導體薄膜漿料旋涂至透明導電材料表面上，高溫加熱使漿料燒結為薄膜，而后整體投入染料敏化劑中，保證納米多孔半導體薄膜完全浸沒在染料敏化劑中足夠的時間，使染料分子充分吸附于納米多孔半導體薄膜結構上，再以滴定或旋涂的方式在納米多孔半導體薄膜上滴入上述方法制得的混合核殼納米顆粒溶膠，混合納米顆粒的質量濃度比為2%-15%，即可得到包含于納米多孔半導體薄膜中的混合核殼納米顆粒結構電 池基坯；再通過蒸鍍或濺射的方式在另一塊石英或玻璃基底表面覆蓋一層金屬鉬電極作為對電極，將對電極與已經制備完成的電池基坯使用熱封膠粘合，再注入電解液，至此完成了同時包含Au/PVP和Ag/PVP核殼納米顆粒染料敏化太陽電池的制備。實施例六:實施例六中選用以金為內核、外層包裹PVP的核殼結構納米顆粒(Au/PVP)和以銀為內核、外層包裹PVP的核殼結構納米顆粒(Ag/PVP)，并通過紫外固化法制備包含有Au/PVP和Ag/PVP兩種納米顆粒的染料敏化電池。Au/PVP制備方法與實施例一中的相同或相近，Ag/PVP制備方法與實施例三中的相同或相近。將兩種制備完成的納米顆粒溶膠混合并攪拌均勻后，即可得到Au/PVP和Ag/PVP的混合核殼納米顆粒溶膠。制備同時包含有Au/PVP核殼納米顆粒和Ag/PVP核殼納米顆粒染料敏化太陽電池，首先需要在石英或玻璃基底表面蒸鍍一層透明導電材料，然后將納米多孔半導體薄膜漿料與上述制得的Au/PVP和Ag/PVP混合核殼納米顆粒溶膠共混并攪拌均勻，混合納米顆粒的質量濃度比為2%-15%，再以旋涂甩膠的方式在400轉/分鐘-1000轉/分鐘的條件下將納米多孔半導體薄膜漿料旋涂至透明導電材料表面上，接下來用紫外光照射12-24小時，使納米多孔半導體漿料固化為納米多孔半導體薄膜，而后整體投入染料敏化劑中，保證納米多孔半導體薄膜完全浸沒在染料敏化劑中足夠的時間，使染料分子充分吸附于納米多孔半導體薄膜結構上，即可得到包含于納米多孔半導體薄膜中的混合核殼納米顆粒結構電池基坯；再通過蒸鍍或濺射的方式在另一塊石英或玻璃基底表面覆蓋一層金屬鉬電極作為對電極，將對電極與已經制備完成的電池基坯使用熱封膠粘合，再注入電解液，至此完成了同時包含Au/PVP和Ag/PVP核殼納米顆粒染料敏化太陽電池的制備。上述四種染料敏化太陽能電池的制作方法中不限于金-PVP核殼顆粒與銀-PVP核殼顆粒，還可以是以Pt、Al、Cu等金屬為內核，以其他聚乙烯系列的有機聚合物、環氧基樹脂材料、聚二甲基硅氧烷等為殼層的核殼結構納米顆粒。上述技術方案所提供的染料敏化太陽能電池及其制作方法，具有以下優點:
1、利用核殼結構納米顆粒4表面等離子體效應的染料敏化太陽電池，其核殼結構納米顆粒4位于納米多孔半導體薄膜處，在太陽光照射下，可激勵起局域表面等離子體振蕩，擴寬吸收光譜，從而增強電池對可見光波段太陽光的吸收；同時核殼結構顆?？梢栽鰪妼θ肷涔獾纳⑸洌档腿肷涔獾耐干渑c全反射。核殼結構納米顆粒的添加能提高電池整體的光吸收效率，最終達到提高染料敏化太陽電池的光電轉化效率的目的。2、包裹于金屬核體71外層的PVP有機物殼體72，可有效減少金屬顆粒對電子-空穴對的復合，降低金屬損耗，并且通過設計、制備具有特定參數的核殼結構，例如調整介質殼層厚度，可以獲得對不同波長具有表面等離子體諧振增強特性的納米顆粒，最終實現對既定波長吸收增強的高效率染料敏化太陽電池。3、包裹于金屬核體71外層的PVP有機物殼體72，可對直徑為1_4納米的小分子，例如染料分子，有較強的吸附性和粘附性，從而大量的染料分子將被吸附在核殼結構納米顆粒表面，從而使盡可能多的染料分子處于局域表面等離子體(LSP)的光場增強的有效范圍內，達到LSP增強染料分子光吸收特性的最佳效果。4、包裹于金屬核體71外層的PVP有機物殼體72，可以增強所吸附的染料分子31處于激發態的壽命，進而增強染料敏化電池中載流子的產生幾率，提高電池整體的光電特性。5、包裹于金屬核體71外層的PVP有機物殼體72，在特定的溶液環境下，如弱酸性溶液，可具有電活性特性，能夠傳輸負離子和電子，從而可以導出附著在PVP有機物殼體72表面的染料分子31所產生的自由電子至光陽極，達到增強染料敏化電池光電特性的目的。以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理 的前提下，還可以做出若干改進和替換，這些改進和替換也應視為本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種染料敏化太陽能電池，其特征在于，包括透明電極和對電極及位于所述透明電極和對電極之間的電解質層；所述透明電極的內側表面設有納米多孔半導體薄膜，所述透明電極的外側設有透明襯底，所述對電極的外側設有對透明襯底；所述電解質層包括電解液和染料敏化劑的混合液體；所述納米多孔半導體薄膜中吸附有具有表面等離子體效應的核殼結構納米顆粒。
2.如權利要求1所述的染料敏化太陽能電池，其特征在于，所述核殼結構納米顆粒包括PVP有機物殼體和內嵌于所述PVP有機物殼體內部的金屬核體。
3.如權利要求2所述的染料敏化太陽能電池，其特征在于，所述金屬核體的直徑為5 lOOnm，所述PVP有機物殼體的厚度為0.5 10nm。
4.如權利要求2所述的染料敏化太陽能電池，其特征在于，所述金屬核體采用金屬金、銀、招或鉬材料制成。
5.如權利要求1所述的染料敏化太陽能電池，其特征在于，所述納米多孔半導體薄膜采用二氧化鈦納米多孔材料制成。
6.如權利要求1所述的 染料敏化太陽能電池，其特征在于，所述透明電極為FTO電極，所述對電極為Pt電極。
7.一種染料敏化太陽能電池的制作方法，其特征在于，包括以下步驟: 51、制備核殼結構納米顆粒溶膠； 52、在透明襯底的表面整鍍一層透明導電材料形成透明電極； 53、以旋涂甩膠的方式將納米多孔半導體漿料旋涂至所述透明電極的表面，高溫加熱使納米多孔半導體漿料燒結為納米多孔半導體薄膜； 54、將透明襯底、透明電極和納米多孔半導體薄膜整體投入染料敏化劑中，并保證納米多孔半導體薄膜完全浸沒在染料敏化劑中足夠的時間，以使染料敏化劑的染料分子充分吸附于納米多孔半導體薄膜上； 55、再以滴定或旋涂的方式在納米多孔半導體薄膜上滴入上述SI中制得的核殼納米顆粒溶膠，即可得到吸附于納米多孔半導體薄膜中的核殼結構納米顆粒的電池基坯； 56、再通過蒸鍍或濺射的方式在對透明襯底的表面覆蓋一層金屬鉬電極作為對電極，并采用熱封膠將所述對電極與所述電池基坯粘合，最后注入電解液，至此形成了染料敏化太陽電池。
8.如權利要求7所述染料敏化太陽能電池的制作方法，其特征在于，所述步驟SI中制備核殼結構納米顆粒溶膠的方法，包括以下步驟: 51'、將含有金屬元素溶液的氧化劑和還原劑溶液發生氧化還原反應，并在恒溫條件下以固定轉速頻率攪拌，充分反應后保持攪拌狀態下自然冷卻至室溫，得到金屬納米顆粒溶膠； 52'將PVP顆粒溶于水中形成PVP分子溶膠； 53'、將上述的金屬納米顆粒溶膠和PVP分子溶膠混合后在常溫條件下連續攪拌十個小時以上，得到在PVP有機物殼體內嵌金屬核體的核殼結構納米顆粒溶膠。
9.一種染料敏化太陽能電池的制作方法，其特征在于，包括以下步驟: S10、制備核殼結構納米顆粒溶膠； S20、在透明襯底表面整鍍一層透明導電材料形成透明電極；S30、將將納米多孔半導體漿料和步驟SlO中制得的核殼納米顆粒溶膠混合均勻后，以旋涂甩膠的方式涂至所述透明電極的表面，并在紫外光下照射使其固化形成吸附有核殼納米顆粒的多孔半導體薄膜； S40、將透明襯底、透明電極和納米多孔半導體薄膜整體投入染料敏化劑中，并保證納米多孔半導體薄膜完全浸沒在染料敏化劑中足夠的時間，以使染料敏化劑的染料分子充分吸附于納米多孔半導體薄膜上，即可得到吸附于納米多孔半導體薄膜中的核殼結構納米顆粒的電池基坯； S50、再通過蒸鍍或濺射的方式在對透明襯底的表面覆蓋一層金屬鉬電極作為對電極，并采用熱封膠將所述對電極與所述電池基坯粘合，最后注入電解液，至此形成了染料敏化太陽電池。
10.如權利要求9所述的染料敏化太陽能電池的制作方法，其特征在于，所述步驟SlO中的核殼結構納米顆粒溶膠的制備方法，包括以下步驟: SlO '、將含有金屬元素溶液的氧化劑和還原劑溶液發生氧化還原反應，并在恒溫條件下以固定轉速頻率攪拌，充分反應后保持攪拌狀態下自然冷卻至室溫，得到金屬納米顆粒溶膠； S20 '、將PVP顆粒溶于水中形成PVP分子溶膠； S30 '、將上述的金屬納米顆粒溶膠和PVP分子溶膠混合后在常溫條件下連續攪拌十個小時以上，得到在PVP有機物殼體內嵌金屬核體的核殼結構納米顆粒溶膠。
全文摘要
本發明涉及新能源技術領域，本發明公開了一種染料敏化太陽能電池，其包括透明電極和對電極及位于所述透明電極和對電極之間的電解質層；所述透明電極的內側表面設有納米多孔半導體薄膜，所述透明電極的外側設有透明襯底，所述對電極的外側設有對透明襯底；所述電解質層包括電解液和染料敏化劑的混合液體；所述納米多孔半導體薄膜中吸附有具有表面等離子體效應的核殼結構納米顆粒。其中，所述核殼結構納米顆粒包括PVP有機物殼體和內嵌于所述PVP有機物殼體內部的金屬核體。本發明的核殼結構納米顆粒的添加提高了電池整體的光吸收效率，最終達到提高染料敏化太陽電池的光電轉化效率的目的。
文檔編號H01G9/042GK103236350SQ20121036591
公開日2013年8月7日 申請日期2012年9月27日 優先權日2012年9月27日
發明者劉仿, 許騏, 黃翊東, 奧良彰, 遷村訖裕 申請人:清華大學, 羅姆股份有限公司