[發(fā)明專利]染料敏化太陽能電池

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201080014609.4
• 申請(qǐng)日: 2010-01-29
• 公開（公告）號(hào): CN102365696A
• 公開（公告）日: 2012-02-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: P.霍利曼;B.瓦卡維拉斯科
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 班戈大學(xué)
• 主分類號(hào): H01G9/20
• 分類號(hào): H01G9/20;H01M14/00
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務(wù)所 11105
• 代理人: 宋莉

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及染料敏化太陽能電池的領(lǐng)域、以及它們的快速且有效的制備 方法，所述方法聚焦于快速的染料敏化方法。

背景技術(shù)

太陽能電池通常使用固態(tài)半導(dǎo)體制備。電池是通過將兩種摻雜晶體并置 而制備的，一種晶體具有略負(fù)的電荷，因此具有額外的自由電子(n型半導(dǎo)體) 和另一種晶體具有略正的電荷，因此缺失自由電子(p型半導(dǎo)體)。當(dāng)使這兩 種摻雜晶體接觸時(shí)，來自n型半導(dǎo)體的額外的電子流經(jīng)n-p結(jié)以使p型半導(dǎo) 體中的電子缺失減輕。在p-n結(jié)處，載流子在一側(cè)損耗并在另一側(cè)積聚，從 而產(chǎn)生勢壘。當(dāng)通過太陽光產(chǎn)生的光子撞擊p型半導(dǎo)體時(shí)，它們引發(fā)束縛在 低能級(jí)中的電子向其中電子自由移動(dòng)的導(dǎo)帶轉(zhuǎn)移。跨接電池兩端布置負(fù)載以 通過外電路將電子從p型半導(dǎo)體轉(zhuǎn)移至n型半導(dǎo)體。然后電子自發(fā)地向所述 p型材料移動(dòng)，返回到已經(jīng)通過太陽能從其抽取(extract)所述電子的低能級(jí)。 該運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電流。

典型的太陽能電池晶體由硅制備，因?yàn)榫哂性诳梢姽夥秶鷥?nèi)的頻率的光 子具有足夠的能量使電子跨越所述低能級(jí)和所述導(dǎo)帶之間的帶隙 (band-gap)。這些太陽能電池的主要缺點(diǎn)之一是在紫色或者紫外頻率中的最 具能量的光子具有比使電子跨越所述帶隙所必需的能量高的能量，導(dǎo)致能量 的顯著浪費(fèi)，該浪費(fèi)的能量僅被轉(zhuǎn)化成熱。另一個(gè)重要缺點(diǎn)是p型層必須足 夠厚以便有機(jī)會(huì)捕獲光子，結(jié)果新抽提的電子也有機(jī)會(huì)在到達(dá)p-n結(jié)之前與 產(chǎn)生的空穴復(fù)合。因此，對(duì)于太陽能電池模塊，由于在將單個(gè)電池組合在一 起時(shí)的損失，硅型太陽能電池的最大報(bào)導(dǎo)效率為20-25％或者更低。

硅型太陽能電池的另一個(gè)重要間題是在貨幣價(jià)格方面以及在所配備的 能量(即，為制造所述器件所需要的能量)方面的成本。

染料敏化太陽能電池(DSSC)已經(jīng)在1991年被O′Regan和開發(fā)出 來(O′Regan?B.和M.，Nature，1991，353，737-740)。它們是使用低 成本材料制造的并且它們的制造不需要復(fù)雜的設(shè)備。它們將由硅提供的兩種 功能分離：半導(dǎo)體的主體用于電荷輸送和光電子由分離的光敏染料產(chǎn)生。所 述電池為圖1中所示的夾心結(jié)構(gòu)并且典型地通過如下步驟制備：

a)提供透明板(1)，其典型地由玻璃制備；

b)用透明的導(dǎo)電氧化物(TCO)(2)、優(yōu)選用摻雜的氧化錫涂覆該板；

c)在TCO側(cè)向該經(jīng)涂覆的玻璃板涂布金屬氧化物(3)(通常為二氧化鈦) 的糊；

d)將所述板加熱至約450℃-500℃的溫度至少1小時(shí)的時(shí)間；

e)將步驟d)的經(jīng)涂覆板在染料溶液中浸漬約24小時(shí)的時(shí)間以使所述染 料共價(jià)結(jié)合至二氧化鈦(4)的表面；

f)提供另一進(jìn)一步涂覆有鉑(5)的涂覆TCO的透明板；

g)將這兩塊玻璃板密封并且在所述板之間引入電解質(zhì)溶液(6)，以將染 色(dyed)的金屬氧化物和電解質(zhì)包在兩導(dǎo)電板之間和防止電解質(zhì)泄漏。

在這些電池中，光子撞擊染料，使其移向能夠?qū)㈦娮幼⑷氲蕉趸伒? 導(dǎo)帶中的激發(fā)態(tài)，所述電子從所述二氧化鈦的導(dǎo)帶擴(kuò)散至陽極。從染料/TiO₂體系失去的電子通過在對(duì)電極處將碘化物氧化成三碘化物而歸還，該反應(yīng)足 夠快以使光化學(xué)循環(huán)能夠繼續(xù)。

DSSC產(chǎn)生約0.8V的能與硅太陽能電池的最高電壓相比的最高電壓。 DSSC相比于硅太陽能電池的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是染料分子將電子注入到二氧化 鈦導(dǎo)帶中，產(chǎn)生激發(fā)態(tài)染料分子而不是在鄰近固體中產(chǎn)生電子空位 (vacancy)，從而降低電子/空穴的快速復(fù)合。因此，它們能夠這樣的低的光條 件下運(yùn)行：在所述低的光條件下，在硅太陽能電池中電子/空穴復(fù)合變?yōu)橹? 配性機(jī)理。然而，目前的DSSC在可見光頻率范圍的較長波長部分中在紅色 和紅外區(qū)域中不是非常有效，因?yàn)檫@些光子不具有足夠的能量來越過二氧化 鈦帶隙或激發(fā)最常規(guī)的聯(lián)吡啶釕染料。

DSSC的主要缺點(diǎn)在于使二氧化鈦納米顆粒染色所必需的長時(shí)間：使對(duì) 于太陽能電池應(yīng)用所必需的二氧化鈦層染色花費(fèi)12-24小時(shí)。DSSC的另一 主要難點(diǎn)是電解質(zhì)溶液：所述電池必須仔細(xì)地密封以防止液體電解質(zhì)泄漏。

因此，需要制備可以降低的成本快速制備的耐用(robust)的太陽能電池。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的一個(gè)目的是減少金屬氧化物染色所必需的時(shí)間量。

本發(fā)明的另一目的是減少制備染料敏化太陽能電池所必需的時(shí)間量。