[發明專利]太陽能向電能轉化的裝置

有效

• 申請號: 200980113680.5
• 申請日: 2009-04-16
• 公開（公告）號: CN102027556A
• 公開（公告）日: 2011-04-20
• 發明（設計）人: H·米格斯;S·克洛德雷羅
• 申請（專利權）人: NLAB太陽能股份公司
• 主分類號: H01G9/20
• 分類號: H01G9/20
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所 11038
• 代理人: 李帆

技術領域

本發明涉及太陽能向電能轉化的裝置，該裝置具有配合至多孔光子晶體或多層布拉格反射體的光吸收電極。多孔反射元件通過選擇性增加電極中的光吸收，用于增加太陽能電池裝置的能量轉化效率。

背景技術

近年來，關于由替代硅的材料制成的不同的太陽能向電能的轉換裝置的研究快速發展，這是因為數個原因，例如為更低成本方法的研究或附加價值特征如透明度的研究。其中，顯示較高效率的裝置之一是染料敏化太陽能電池(DSSC)，也稱作電池，US5084365。DSSC將固態寬能帶隙半導體與液態離子導體結合。前者通常由一個電極組成，該電極由幾微米的二氧化鈦納米晶體(nc-TiO₂，平均晶體尺寸約20nm)層制成，在其表面吸收了染料，典型地是聚吡啶釕配合物。使該納米晶膜沉積在導電透明襯底上，典型地是銦錫氧化物(ITO)或氟化SnO₂，并且用氧化還原電解質浸泡，典型地含有I^-/I₃^-離子對。該電解質也與涂覆膠體鉑催化劑的對電極接觸。染料捕獲陽光，產生光激發電子，該電子注入納米晶半導體網絡的導帶，然后注入導電襯底。同時，氧化還原電解質將氧化的染料還原并將電子受體物質(I₃^-)傳送到對電極。已經報告了11％的能量轉換效率記錄值，盡管良好品質的電池典型地提供5％-8％。為了改善電池的耐久性，人們進行了不同的嘗試，將液態電解質替換為固態空穴(hole)導體例如聚合物，或離子液體。盡管改善了穩定性，卻得到了較低的效率值。不同類型的電池的電流效率與硅基裝置相比仍然是低的，其具有15％的平均能量轉換效率，毫無疑問不同類型的電池因不同原因具有大的潛力。首先，盡管效率較低，仍需要可用于光伏應用中的替換硅的材料。電池可制成透明的，這表明其可用作窗戶的涂層。該電池還具有被制成柔性的潛力，這將簡化在不同類型表面的整合(integration)。最后，它們通常由不如硅貴的材料制造，并且有各種各樣的化合物(半導體、染料、電解質)可用于構建該電池。

最初提出的電池已經進行了許多不同的改性以改善其性能，這些改性中大多數基于使用不同的半導體、染料或離子導體、或基于其納米結構的改變。然而在許多情況下，電池組成的變化導致了短路電流的改善，但同時引起開路電壓的降低或反之亦然。這是因為電荷傳輸和復合動力對電池中存在的界面性質的改變極其敏感。

一種提高電池效率又不影響電荷分離和復合之間的精細動力平衡的方式是改變電池的光學設計以便改善其光捕獲效率(LHE)或吸光率。這種方法基本上依靠光程的增加，該光程的增加源自非吸收的光被置于吸收電極后面的無序的大尺寸(約為目標波長)顆粒層的散射。遺憾的是，一些為硅光伏裝置改善LHE所開發的最成功的方法，其是基于高反射分布的布拉格反射體(reflector)、表面衍射光柵、或二者組合的實施，由于下列原因不能容易地實現液體-半導體異質結電池：

1.電解質和該電解質中的敏化半導體極板之間電接觸的需要迫使任何潛在的后反射體為多孔的以允許液態導體合適地流過它。

2.這些電池的處理涉及從膠體懸浮液沉積固體層，這使得在裝置內光學品質的元件的實施復雜化。

最近，提出了通過在太陽能電池結構中實施高孔隙的光子晶體的該問題潛在的解決方法(T.Mallouk?et?al.”Standing?waveenhancement?of?red?absorbance?and?photocurrent?in?dye-sensitizedtitanium?dioxide?photoelectrodes?coupled?to?photonic?crystals”J.Amer.Chem.Soc.2003，125，6306；A.Mihi，H.Míguez，“Origin?of?LightHarvesting?Efficiency?Enhancement?in?Photonic?Cristal?BasedDye-Sensitized?Solar?Cells”，J.Phys.Chem.B.2005，109，15968)。光子晶體主要根據空間維數的數量進行分級，沿著該空間維數存在折射率的周期性調制，然后被分為一維(1D)、二維(2D)和三維(3D)光子晶體。它們最具有代表性的特征之一是它們衍射光的能力。

在WO?2008102046中，公開了由納米顆粒制成的多層結構，該納米顆粒充當一維光子晶體，用于光化學傳感器件或頻率選擇過濾器。