引 言
传统的固态太阳电池具有较高的光电转换率，但通常利用高纯度的晶体硅材料制成，制备工艺复杂，同常规发电相比成本过高，难于达到地面大规模应用的目标。Gratzel等人提出了染料敏化TiO2纳米结构电极为阳极的光电化学电池，光电转换效率达10%。这种电池的阳极发生光敏化后，电子注入纳米TiO2导带，空穴仍留在表面的染料上，使电荷重新复合受到限制，从而可以使用纯度不高的材料，大大降低了成本。但是由于这种电池需要使用液态电解质还原氧化态的染料分子，造成密封工艺复杂、染料易脱附、易降解、电池外形和使用场合受限等问题。
Mcfarland等人提出了一种新型的多层太阳电池结构，通过金属表面的染料分子俘获光子，并且获得了较高的量子效率。与硅基太阳电池相比，这种电池的性能对材料的纯度和缺陷不敏感。与纳米染料敏化太阳电池相比，电池可以自动使染料还原，不需要附加电解质。电池具有材料成本低廉、工艺简单等优点，具有很好的研究价值和应用前景。
由于材料方面存在的种种局限性，尽管这种电池的理论最高效率与传统固态太阳电池相同，但目前的实际光电转换效率仅为0.01%。Au薄膜表面过低的染料分子吸附量(1.33×10-9mol/cm2)是限制电池的量子效率和光电转换效率的主要原因之一。此外，Mcfarland等人采用的氰化物电镀金方法，由于电镀液中的氰化物含有剧毒，严重危害环境和操作者的健康，这也将限制电池未来的实用性。
本文采用无毒的亚硫酸盐电镀工艺制备了纳米Au薄膜，研究了Au薄膜的形成过程，各种实验因素对汞溴红在Au薄膜表面的吸附性能的影响，并计算出Au薄膜表面的最大染料吸附量。利用亚硫酸盐电镀的Au薄膜制作出多层太阳电池，测试了其光电转换效率。
多层太阳能电池的结构和原理
电池是固态多层结构，依次为染料分子层-50nmAu薄膜-200nmTiO2-Ti基底。选择Au和TiO2来制备电池使得在金属半导体界面上形成的肖特基势垒高度约为0.9V，选择汞溴红作为光敏染料，是由于汞溴红的激发态施主能级高于肖特基势垒。
电池中的光电转化过程有4步：第1步是在电池表面的染料分子吸收光子，产生能量较高的电子；第2步是来自感光层激发态的电子被注入到相邻导体的导带中，以高于费米能级Ef ，的能量Ee穿越金属；第3步是电子能量Ee远大于肖特基势垒，并且电子的平均自由程相对于金属厚度来说很长，电子穿越金属并且进入半导体的导带(内电子发射)。当在后欧姆接触上被收集时，吸收的光子能量保存在剩余的电子自由能中，提供电压的升高；第4步是通过临近金属中的热电子的传输，还原氧化态的染料。
与Gratzel染料敏化太阳电池一样，电池结构从空间上将光子的吸收过程和电荷分离，传输过程分离开，而不存在需要电解液中的还原质进行分子间电荷传输的弊端。
实验
1.制备Au薄膜
将纯度为99.999%的金箔切碎，清洗和烘干，用王水溶解金。待金完全溶解后，不断搅拌下加热浓缩(温度控制在100℃以下，避免生成不溶于水的一价金化合物)，除去二氧化氮，直至得到血红色浓稠的氯金酸。
将氯金酸稀释到浓度为20%，用氢氧化钾溶液中和到pH值8～10，得到浅酱色的A溶液；将亚硫酸钠溶解到50～60℃蒸馏水中，得到溶液B；将B溶液缓慢加入到A溶液中，得到浅黄色溶液；在溶液中加入一定量的柠檬酸钾、氯化钾、EDTA，调节镀液 pH值到9。
采用金电极作为阳极，导电玻璃/溅射TiO2电极作为阴极。电镀过程中，电镀液温度保持在40～60℃，pH值保持在8～10，用柠檬酸和氢氧化钠调节pH值。不停搅拌电镀液，防止电镀液的局部浓度过低或温度过高。电镀完成后用去离子水反复冲洗后烘干，采用S4500型扫描电子显微镜观察Au薄膜表面形貌。
2.染料的吸附性能实验
本文使用的染料为汞溴红(mercuroc-hrome)，是一种绿色的结晶状有机化合物，可以形成红色水溶剂。汞溴红的化学名称为2，7-二溴-羟基汞荧光黄素一钠盐，分子式为C20H8O6Br2HgNa2，分子量为750.71。
用染料配成各种浓度的染料溶液，将Au薄膜样品浸泡在染料溶液中数小时后取出，清洗后用氮气吹干。采用NaOH水溶液使汞溴红分子从Au薄膜表面解吸，然后用TU1800型紫外及可见分光光度计测定解吸后染料溶液的吸光度，由溶液浓度和吸光度的标准曲线得到解吸后溶液中染料的浓度，从而计算出汞溴红分子的吸附量。
3.电池的制作和性能测试
在ITO导电玻璃上溅射200nm致密的TiO2薄膜，在350℃退火1h。在TiO2薄膜上用亚硫酸盐电镀方法制备100nm的多孔Au薄膜。将TiO2/Au复合薄膜样品在2.5g/L的汞溴红水溶液中浸泡8h，取出样品后清洗烘干。在Au薄膜表面涂少许导电银胶作为电池的引出电极。电池测试采用250W的氙灯光源，光强是100mW/cm2，I-V曲线用伏安分析仪测得，光强用光度计测得。