[0001] 本发明涉及太阳能电池技术领域，尤其涉及基于复合结构光阳极的染敏太阳能电池及其制法和应用。

[0002] 新能源技术的发展极大地降低了化石能源的使用，而太阳能电池作为新能源技术的重要组成部分已经广泛应用在了社会生活中。相比于传统的硅基太阳能电池，染料敏化太阳能电池凭借更低的生产成本、更高的理论光电转换效率，尤其是透光的天然特性越来越受到市场的青睐。

[0003] 新能源技术的发展同样促使电动汽车行业快速发展，但是就目前来看，电动汽车充电远没有燃油车加油方便快捷，电动汽车充电不方便的问题急需解决。相比于多建充电桩，可以从电动汽车本身入手解决充电不方便的问题。传统电动汽车天窗仅仅只有透光、透气、美观等功能，大大浪费了电动汽车天窗面积大的优势。因此，利用染敏太阳能电池透光且能发电的优势，使用染敏太阳能电池集成到原有汽车天窗，充分利用汽车天窗面积较大的特点，只要在阳光下就可以为电动汽车充电。

[0004] 现有的大多数染敏太阳能电池都忽略了对波长较长能量较低部分的光的吸收利用，应当改进光阳极将这部分光也利用起来。并且染料一般用的是制备方法复杂的合成染料，价格非常昂贵。对电极通常用的也是昂贵的铂金对电极，这些都大大增加了染敏太阳能电池的生产成本。

[0005] 公开号为CN102360958B的发明专利中公开了一种ZnS/Au/TiO2纳米复合膜光阳极，该光阳极表现出优良的光生阴极保护效应，但是ZnS/Au/TiO2光阳极中由于ZnS和TiO2的禁带宽度都比较高，因此不能很好的吸收利用波长较长能量较低部分的光，造成了对这部分光资源的浪费。并且Au层被ZnS遮挡不能充分发挥Au层局域表面等离激元共振效应的作用，使得Au层对光阳极性能的增强有限。

[0057] 为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。

[0058] 如附图1所示，基于复合结构光阳极的染敏太阳能电池的制法，包括以下步骤，[0059] S1：制备Au/SnS/TiO2复合结构光阳极；

[0060] 具体的，S101：分别使用丙酮、乙醇、去离子水对导电玻璃(FTO)各进行2min的超声清洗，之后使用高温鼓风箱在60℃下风干；

[0061] 进一步的，S102：制备二氧化钛浆料、NaS溶液、SnCl2溶液和Au纳米溶液备用；

[0062] 其中，二氧化钛浆料的制备方法包括以下步骤，

[0063] S1021a：精密称量0.15g聚乙烯吡咯烷酮粉末和0.3g P25‑TiO2粉末置于烧杯中，搅拌使两种固体混合均匀；

[0064] S1022a：向步骤S1021a的烧杯中加入1mL无水乙醇和1mL去离子水，用玻璃棒搅拌2min，直至完全混合，得到二氧化钛浆料。

[0065] NaS溶液的制备方法具体为：将NaS固体和去离子水混合并充分搅拌，直至NaS完全溶解，制备成0.01mol/L的NaS溶液。

[0066] SnCl2溶液的制备方法包括以下步骤，

[0067] S1021b：将二水SnCl2和浓盐酸以1:5的比例混合均匀：

[0068] S1022b：将步骤S1021b中的混合溶液在100℃的温度下持续加热直至溶液由浑浊变为澄清透明，然后加入去离子水制备成0.01mol/L的SnCl2溶液。

[0069] Au纳米溶液的制备方法包括以下步骤，

[0070] S1021c：精密称量0.1g柠檬酸钠加入到装有10mL去离子水的烧杯中，使用玻璃棒搅拌至柠檬酸钠完全溶解，得到柠檬酸钠溶液；

[0071] S1022c：精密称量0.01g四氯金酸固体，加入到装有100mL去离子水的烧杯中，边搅拌边加热至沸腾；

[0072] S1023c：量取2mL步骤S1021c中的柠檬酸钠溶液，加入到步骤S1022c的烧杯中，继续搅拌加热10分钟，之后撤去热源继续搅拌15分钟，冷却至室温，获得富含Au纳米粒子的Au纳米溶液。

[0073] 进一步的，S103：将二氧化钛浆料旋涂到导电玻璃表面，转速为2400r/min，旋涂时间为1min，重复该步骤两次；然后使用箱式电阻炉将旋涂有二氧化钛浆料的FTO升温至450℃下煅烧2h，升温速度为7.5℃/min；

[0074] 进一步的，S104：使用NaS溶液和SnCl2溶液，采用连续离子层吸附反应法(SILAR)在涂有二氧化钛浆料的导电玻璃表面制备SnS层；具体操作为：将步骤S103中煅烧后的导电玻璃先浸没到NaS溶液中1min，取出后用去离子水冲洗5s，使用高温鼓风箱在60℃下风干；然后再浸没到SnCl2溶液中1min，取出用去离子水冲洗5s，使用高温鼓风箱在60℃下风干；
重复操作4次，然后使用快速退火系统将风干之后的导电玻璃在250℃下退火3分钟，升温速度为20℃/s；

[0075] 进一步的，S105：用滴管吸取Au纳米溶液均匀滴到步骤S104处理后的导电玻璃上，自然风干之后，使用快速退火系统在100℃下退火3分钟，升温速度为20℃/s，最终得到Au/SnS/TiO2复合结构光阳极。

[0076] 更进一步的，S2：制备电解质溶液；

[0077] 具体的，S201：精密称取0.635g碘单质加入到装有10mL乙二醇的烧杯中，搅拌至完全溶解；

[0078] S202：精密称取1.66g碘化钾加入到装有10mL乙二醇的烧杯中，搅拌至完全溶解；

[0079] S203：分别量取步骤S201和S202中的溶液各1mL，混合得到电解质溶液。

[0080] 更进一步的，S3：制备天然染料蓝莓汁；

[0081] 具体的，将购买的蓝莓果实充分研磨，用纱布过滤研磨后的蓝莓果实，用烧杯盛取过滤得到的蓝莓汁，得到天然染料蓝莓汁。

[0082] 更进一步的，S4：制备对电极；

[0083] 具体的，S401：分别使用丙酮、乙醇、去离子水对导电玻璃(FTO)各进行2min的超声清洗，之后使用高温鼓风箱在60℃下风干；

[0084] S402：使用碳棒在风干后的导电玻璃表面均匀涂敷石墨层，得到对电极。

[0085] 更进一步的，S5：将Au/SnS/TiO2复合结构光阳极、电解质、天然染料和对电极组装成染敏太阳能电池。

[0086] 具体的，S501：将步骤S1中制备的Au/SnS/TiO2复合结构光阳极置于步骤S3中制备的天然染料中，浸泡24h，使染料尽可能吸附在Au/SnS/TiO2复合结构光阳极表面，取出后用去离子水冲洗Au/SnS/TiO2复合结构光阳极表面，去除多余杂质；

[0087] S502：用夹子将经过步骤S501处理后的Au/SnS/TiO2复合结构光阳极和步骤S4中制备得到的对电极夹在一起；

[0088] S503：用吸管吸取步骤S2中制备得到的电解质溶液，注入Au/SnS/TiO2复合结构光阳极和对电极之间的间隙中，待电解质溶液扩散至整个间隙空间中，完成染敏太阳能电池的组装。

[0089] 本发明中染敏太阳能电池的结构如附图2所示，在附图2中，左侧为以FTO为基底的‑ ‑复合结构光阳极，右侧为以FTO为基底的对电极，电极中间是富含I和I3的电解质。该染敏太阳能电池的工作原理为：

[0090] 当有光照射到光阳极表面时，天然染料分子(D)首先被激发(D*)，[0091] D+hv→D*

[0092] 处于激发态(D*)的染料分子将电子注入SnS/TiO2所构成的半导体层的导带，D*→D+ ‑+e(CB)；

[0093] 随后电子扩散到导电基底FTO上扩散至外电路上产生电流，之后处于氧化态的染+ ‑ ‑料分子(D)可通过电解质中I氧化为I3而再生。

[0094]

[0095] 电解质氧化态的I3‑随后在对电极重新被还原为I‑从而构成一个循环。

[0096]

[0097] 当有能量大于TiO2禁带宽度(约为3.2eV)的的光照射到TiO2表面，光激发电子由价带跃迁到导带，而在价带留下空穴，形成的电场促进染料分子注入的电子的流动。

[0098] 而SnS的禁带宽度(约为1.01eV)远小于TiO2的禁带宽度，因此部分能量较低、波长较长的光可以激发SnS内部的电子，增强了光阳极对光线的利用率。

[0099] 当光线照射到Au粒子表面，会引发表面等离激元效应，使得Au粒子附近产生很强的电场，增强光阳极的电导率和电子传输效率。

[0100] 性能检测结果：

[0101] 对步骤S103中导电玻璃表面的二氧化钛(TiO2)层、步骤S104中导电玻璃表面的SnS/TiO2层以及步骤S105中导电玻璃表面的Au/SnS/TiO2层进行性能表征，具体表征方法采用现有的表征方法，本申请中不做赘述。表征结果如下：

[0102] TiO2层的SEM图如附图3所示，从附图3中可以观察到均匀排列的球状纳米TiO2阵列。无数TiO2纳米球颗粒组成的粗糙表面更有利于其他物质的附着，纳米球颗粒的紧密连接也有利于电子的传输。

[0103] SnS/TiO2层的SEM图如附图4所示，从附图4中可以观察到均匀排列的球状纳米TiO2阵列表面附着了不规则的SnS纳米颗粒。

[0104] Au/SnS/TiO2层的SEM图如附图5所示，从附图5中可以观察到少量Au纳米颗粒点缀在SnS/TiO2层表面，最终构成了Au/SnS/TiO2的复合结构。

[0105] 进一步的，分别对步骤S103中表面附有二氧化钛(TiO2)层的导电玻璃(TiO2光阳极)、步骤S104中表面附有SnS/TiO2层的导电玻璃(SnS/TiO2光阳极)和步骤S105中表面附有Au/SnS/TiO2层的导电玻璃(Au/SnS/TiO2复合结构光阳极)进行性能测试。

[0106] 不同光阳极在365nm紫光灯源的照射下的光电流响应结果如附图6所示，从附图6中可以看出，不同光阳极在365nm紫光灯源的照射下表现出了不同的光电流响应，并且在持续170S的测试中不同光阳极的光电流响应都比较稳定，其中Au/SnS/TiO2光阳极的光电流响应最强，说明了本发明中制备得到的Au/SnS/TiO2光阳极的光电流响应最强。

[0107] 对不同光阳极进行电化学阻抗谱测试，结果如附图7所示，在附图7中，高频部分半圆可以体现电极中的电子转移过程，半圆直径直径对应着电荷转移电阻(Rct)。结果显示，TiO2光阳极有着最大的电荷转移电阻，约为52Ω，Au/SnS/TiO2光阳极的电荷转移电阻最小，约为20Ω，也即Au/SnS/TiO2光电极有着优异的阻抗性能。附图7中右上角为电池等效电路，其中Rs表示外电路电阻，Cpe为界面电容。

[0108] 进一步的，使用以上三种光阳极分别按照步骤S2‑S5的操作组装成三种染敏太阳能电池，并进行性能测试。

[0109] 如附图8所示为搭载不同光阳极的天然染料敏化的染敏太阳能电池的J‑V曲线。经2
过测试可得到以下数据，搭载TiO2光阳极的DSSC短路电流密度(Jsc)为1.72mA/cm，开路电压(Voc)为330mV，填充系数(FF)为35.2％，光电转换效率(PCE)为0.20％。在修饰了SnS纳米
2
粒子层之后，相应光阳极的短路电流密度(Jsc)为1.92mA/cm ，开路电压(Voc)为338mV，填充因子(FF)为43.1％，光电转换效率(PCE)为0.28％。与搭载纯TiO2光阳极的DSSC相比，短路电流增加了11.6％，光电转换效率增加了40％，从而证明了SnS纳米颗粒由于在照明下更大的光吸收范围和更小的带隙而改善了DSSC的性能，从而产生了更多的电子，减少了电子复合。

[0110] 经纳米Au修饰后，搭载Au/SnS/TiO2光阳极的DSSC短路电流密度(Jsc)进一步提高2
到2.19mA/cm ，开路电压(Voc)为350mV，填充因子(FF)为53.4％，转换效率达到了0.41％。
与搭载SnS/TiO2光阳极的DSSC相比，光电转换效率提高了46％。

[0111] 进一步的，将利用本发明中的制备方法制备得到的染敏太阳能电池与现有的使用天然染料敏华光阳极的染敏太阳能电池进行对比，性能对比结果如下表1所示。

[0112] 表1本发明中的染料敏化太阳能电池性能与现有的其他染料敏化太阳能电池的性能对比结果

[0113]

[0114] 上表1中，[1]表示文献Surana K,Idris M G,Bhattacharya B.Natural dye extraction from Syzygium Cumini and its potential photovoltaic application as economical sensitizer[J].Applied Nanoscience,2020,10(10):1‑7.

[0115] [2]表示文献Kbe  A,Pyh A,Srs A,et al.Extraction of natural dye(specifically anthocyanin)from pomegranate fruit source and their subsequent use in DSSC[J].2021,43:2716‑2720.

[0116] [3]表示文献Al‑Alwani M.Electrochemical Properties of Natural Sensitizer from Garcinia mangostana and Archidendron pauciflorum Pericarps for Dye‑Sensitized Solar Cell(DSSC)Application[J].Sains Malaysiana,2020,49(12):3007‑3015.

[0117] [4]表示文献Najm A S,Ludin N A,Abdullah M F,et al.Areca catechu extracted natural new sensitizer for dye‑sensitized solar cell:Performance evaluation[J].Journal of Materials Science:Materials in Electronics,2020,31(4):3564‑3575.

[0118] 从上表1中可以看出，利用本发明中的制备方法制备得到的染敏太阳能电池仍然是具有性能优势的。

[0119] 实施例二：

[0120] 将实施例一中制备得到的基于Au/SnS/TiO2复合结构光阳极的染敏太阳能电池应用到电动汽车的天窗中，将多块染敏太阳能电池拼接在一起集成到原有电动汽车天窗，如附图9所示，凭借着染敏太阳能电池透光的天然特性和光生伏特特性，既可以实现原有汽车天窗的功能又可以为电动汽车实时充电，大大节省了原有汽车充电时间并且节省充电费用。

[0121] 以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。