技术领域
[0001] 本
发明涉及利用天然有机染料并结合ZnO单晶纳米阵列组装新型结构的天然有机染料敏化
太阳能电池，属于太阳能电池制作领域。
背景技术
[0002] 随着社会的飞速发展，人类对
能源的需求日益增加。目前，化石能源在能源结构中仍居于主导地位，然而过度开采和使用化石能源所造成的能源危机和环境污染问题已逐渐显现出来，并成为制约经济和社会持续、健康发展的决定因素。发展
可再生能源是解决上述问题的有效途径之一。新世纪以来我国能源消费总量急速增长，庞大的能源消费总量给我国的“能源安全供应体系”和“环境保护工作”带来了沉重压
力。我国能源消费结构中近90%是传统化石能源，排放了大量
温室气体、有毒有害物质和粉尘，以致今年冬春交替之际，全国范围内持续数月的严重的雾霾天气严重影响了人们的身体健康和生活秩序。政府先后出台了“太阳能
屋顶计划”和“金太阳工程”，最近的“十二五”规划提出了调整优化能源结构的方针，构建安全、稳定、经济、清洁的现代能源产业的战略体系，太阳能资源清洁环保，储量大，时间长久，在其中占据重要的战略地位。在诸多新能源中,太阳能以其丰富的储量、清洁无污染的优点和较小的地域限制而受到广泛关注。对太阳能的利用主要包括光热转换、光电转换和光
化学能转换三种形式。太阳能电池是一种将太阳能转换成
电能的光电转换器件，它可以直接为小型电器提供电能，也可以进行并网发电,因而有着十分广阔的应用前景。太阳能电池发电是太阳能资源利用的主要方式，但目前我国太阳电池研发和创新能力薄弱，光伏产业尚未建立起全面的研发和创新体系，关键生产设备及生产线还主要依赖进口。
[0003] 按照太阳能电池使用基本材料的不同，可分为：
硅太阳能电池、化合物太阳能电池、染料敏化电池和有机
薄膜电池。目前，硅基太阳能电池已广泛应用于并网发电、离网发电及商业应用等领域。硅基太阳能电池又可分为
单晶硅太阳能电池、
多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池。目前市场上占据主要地位的是硅基太阳能电池，但是这种太阳能电池在生产过程中会造成较为严重的环境污染，大大提高了生产成本。
[0004] 目前，国内外的实验组，都在进行敏化太阳能电池的研究，但是这些研究都集中于人工合成染料和无机
半导体材料。这些材料虽然可以获得较为理想的光电效率，但是其生产成本极其高昂，以N719为例，目前这种染料的市场价格约为15000元/g。同时该类敏化剂存在
稳定性的不足的缺点，使之还远远难以应用于生产。在新型敏化太阳能电池方面，有的实验组将目光放到了易于获得的天然有机染料上。该种天然染料成本低廉，易于获得，并作为很多农业生产的副产品具有很好地应用前景。
[0005] 染料敏化太阳能电池的研究主要集中于多孔
薄膜太阳能电池，而其多孔
电极带来的
电子耗散过程成为进一步提高光电性能的
瓶颈。希望通过寻求高效稳定的衬底，经济环保的敏化剂来提高敏华太阳能电池的光电性能。目前所有的研究都集中于将天然有机染料和多孔二
氧化
钛纳米薄膜相结合，国内外还没有将其与二氧化钛单晶纳米阵列相结合的相关报道。
发明内容
[0006] 我们将紫薯和麦冬果实的提取液应用于氧化锌单晶纳米阵列，组装新型结构的天然有机染料敏化太阳能电池，改进太阳能电池的性能。这种电池节能环保，成本低廉。相对于传统的薄膜敏化太阳能电池，这种氧化锌单晶纳米阵列衬底减少了电子耗散过程，并且相对于传统的多孔薄膜具有出色的可调控性，更适于生产和大范围应用。通过测试该电池的光电效率达到了2%，目前国内外还没有效率超过2%的相关报道。
[0007] 本发明采用的技术方案如下：
[0008] 一种制备敏化太阳能电池的方法，其特征在于：电极是通过将ZnO单晶纳米阵列在由天然染料获取的敏化剂中敏化获得的，其步骤包括：
[0009] （1）生长ZnO单晶纳米阵列；
[0010] （2）从
农作物中提取天然染液，制备天然有机敏化剂；
[0011] （3）将ZnO纳米阵列浸入上一步获得的敏化剂中，制得光
阳极；
[0012] （4）分别将ZnO单晶纳米阵列作为电池的阳极，将Pt
磁控溅射在FTO玻璃上作为
阴极，将密封材料贴在Pt电极上，Pt电极和样品导电侧向内被密封住，电极之间注射多硫
聚合物电解液。
[0013] 优选地，所述农作物为麦冬果实和紫薯。
[0014] 优选地，所述密封材料为包含3×3mm孔径的60μm的密封材料。
[0015] 优选地，所述电解液由1摩尔每升的硫和1摩尔每升的硫化钠和0.1摩尔每升的氢氧化钠在80℃条件下搅拌2小时制得。
附图说明
[0016] 图1为单晶氧化锌纳米阵列的扫描电子
显微镜的示意图；
[0017] 图2为基于氧化锌纳米阵列的有机染料敏化的太阳能电池的光电曲线。
具体实施方式
[0018] 本发明的方法具体包括以下步骤：
[0019] 1、溶液法生长ZnO单晶纳米阵列
[0021] 取0.75摩尔每升
醋酸锌和0.75摩尔每升的
乙醇胺0.45ml在室温下混合溶于100毫升乙二醇甲醚中，配成种子液。
[0022] （2）ZnO单晶纳米阵列的生长
[0023] 将种子液
旋涂在FTO样品的表面，旋涂的转速为3000转每分钟。并将样品在400摄氏度下加热1小时。随后将样品放入生长液中，在70°C下生长12小时。生长液中含有125毫摩尔每升的
硝酸锌、20毫摩尔每升的六次甲基四胺、和20毫摩尔每升的1,3丙二胺。
在生长过程结束之后，将样品放入管式炉中在500摄氏度下
退火1小时。
[0024] 2.天然有机敏化剂的获取
[0025] 麦冬果实通常因没有应用价值而被废弃；紫薯作为常见农作物，被大范围种植。将麦冬果实和紫薯分别与去离子
水混合榨取获得天然的染液，将染液置于4℃的
冰箱中储存，避免暴露在阳光下。
[0026] 3.电极的制备
[0027] 在黑暗的环境中，将ZnO纳米阵列浸入染液中8小时制得光阳极。分别将4种纳米结构组装为电池的阳极，磁控溅射在FTO玻璃上的约20nm厚的Pt电极作为阴极。将包含3×3mm孔径的60μm密封材料贴在Pt电极上。Pt电极和样品导电侧向内被密封住。电极之间注射多硫聚合物电解液。电解液由1摩尔每升的硫和1摩尔每升的硫化钠和0.1摩尔每升的氢氧化钠在80℃条件下搅拌2小时制得。
[0028] 利用扫描电子显微镜来观察样品的纳米结构特性，并使用X-射线衍射仪（XD-3，PG仪器有限公司）用CuKα射线（λ=0.154nm）以2°每分钟的扫描速率检查它们的
晶体结构，如图1所示。
X射线管的
电压和
电流分别设置在40KV和30mA。使用Keithley2400数字源和具有AM1.5的日光
模拟器照亮太阳能电池，测试在使用太阳模拟器（型号94022A，纽波特）产生的光强度为1的太阳照明（100mW·cm-2）下的光电流—电压关系，如图2所示。
[0029] 基于ZnO纳米阵列的有机染料敏化的太阳能电池的光电曲线如图2示。获得了光电效率为2%的太阳能电池。
[0030] 天然有机染料和ZnO纳米阵列结构在光电性质上优异的表现可以归结为以下原因：（1）ZnO的带隙被天然有机染料填充，导致更高的电流
密度；（2）FTO导电玻璃上直接生长的ZnO
纳米棒阵列避免了ZnO膜多发生在多晶
晶界上的粒子跳频现象；（3）ZnO纳米棒可以形成一个相对开放的结构，改进了与多孔ZnO光网络中的氧化还原电对有关的扩散问题。
[0031] 本发明证明用水热法制成3D
纳米结构材料以及充分利用麦冬果实与紫薯作为新的敏化染料用于敏化太阳能电池的可能性。根据我们的工作，麦冬果实的提取液比紫薯的更加稳定，为代替现有人工有机染料提供了可能。
[0032] 上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的
基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种
修改或
变形仍在本发明的保护范围以内。
