[發明專利]全固態異質結太陽能電池

無效

• 申請號: 201180010269.2
• 申請日: 2011-02-18
• 公開（公告）號: CN102884648A
• 公開（公告）日: 2013-01-16
• 發明（設計）人: 石相日;任相赫;張禎娥;李在輝;李龍熙;金熙重
• 申請（專利權）人: 韓國化學研究院
• 主分類號: H01L51/42
• 分類號: H01L51/42;H01L51/46
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司 11002
• 代理人: 王瑩;經志強

技術領域

本發明涉及一種全固態的納米結構無機-有機異質結太陽能電池及其制備方法，詳細地，涉及在廉價而可高效率的染料敏化太陽能電池（DSSC；dye?sensitized?solar?cell）的結構上，結合容易對從可見光到近紅外線區域的寬區域的太陽能進行吸收的無機半導體基板薄膜型太陽能電池（inorganic?thin-film?solar?cell）的優點和通過溶液工序可進行廉價制備的有機太陽能電池（organic?solar?cell）的優點的新型結構的太陽能電池及其制備方法。所述太陽能電池具有高效率，并且隨時間穩定性優異，通過應用廉價的組成物質和廉價工序，容易制備廉價的太陽能電池。

背景技術

為了解決化石能源的枯竭及其使用所帶來的地球環境問題，對像太陽能、風力、水力一樣可以再生且清潔的替代能源正積極地展開研究。

其中，對從太陽光直接轉化為電能的太陽能電池的關注大大增加。此處所謂的太陽能電池，是指從太陽光吸收光能，利用產生電子和空穴的光伏效應，從而生成電流-電壓的電池。

現在可以制備光能轉換效率超過20%的n-p二極管型硅（Si）單結晶基板太陽能電池，應用在實際的太陽光發電中，此外還有利用比其能量轉換效率還要優異的如的砷化鎵（GaAs）等化合物半導體的太陽能電池。但是，這種無機半導體基板的太陽能電池為了高效率化，需要高純度的精制材料，因此在原材料的精制方面要消耗大量的能量，而且，在利用原材料進行單結晶或薄膜化的過程中，需要昂貴的工序設備，在降低太陽能電池的制備費用上有限，成為在大規模的應用上的障礙。

由此，為了以廉價制備太陽能電池，有必要大幅減少用作太陽能電池核心的原料或制備工序的費用，從而作為無機半導體基板太陽能電池的代行方案，正在積極展開利用廉價的原料和工序可以制備的染料敏化太陽能電池和有機太陽能電池的研究。

染料敏化太陽能電池是1991年由瑞士洛桑聯邦理工大學的邁克爾.格蘭澤爾（Michael?Gratzel）教授首次開發成功，并報道在《自然》雜志中（第353卷，第737頁）。

初期的染料敏化太陽能電池的結構是在通光通電的透明電極薄膜上，在多孔性光陰極（photoanode）上吸附吸光的染料后，再在上面設置另外的傳導性玻璃基板，填充液體電解質的簡單的結構。

染料敏化太陽能電池的工作原理是一旦在多孔光陰極表面上化學吸附的染料分子吸收太陽光，染料分子就會形成電子-空穴對，電子注入到作為多孔性光陰極使用的半導體氧化物的傳導帶，被傳遞到透明的傳導性膜，產生電流。留在染料分子中的空穴，通過液體或固體型電解質的氧化-還原反應的空穴傳導或空穴傳導性聚合物，以向光陽極（photocathode）傳輸的形式構成完整的太陽能電池回路，在外部做功（work）。

在這種染料敏化太陽能電池的構成中，透明電導性膜主用使用FTO（Fluorine?doped?Tin?Oxied，氟摻雜氧化錫）或ITO（Indium?dopted?Tin?Oxide，銦摻雜氧化錫），作為多孔性光陰極使用能帶隙寬的納米粒子。此時，在選擇染料敏化太陽能電池用納米半導體氧化物（光陰極）時，首先考慮的部分為傳導帶的能量值。到目前為止一直在研究的氧化物主要為TiO₂、SnO₂、ZnO、Nb₂O₅等。在這些物質中，到目前為止已知表現為最好效率的物質為TiO₂。

特別是將光吸收良好且染料的最低未占分子軌道（lowest?unoccupied?molecular?orbital）能級高于光陰極材料的傳導帶（conduction?band）的能級，從而生成的激子分離變得容易，能夠提高太陽能電池的效率的多種物質通過化學合成用作染料。到目前為止所報道的液體型染料敏化太陽能電池的最高效率在約20年間停留在11%~12%。雖然因液體型染料敏化太陽能電池的效率相對高而具有商用化的可能性，但存在由于揮發性電解質導致的隨時間的穩定性問題和由于使用昂貴的釕系染料帶來的需要廉價化的問題。

為了解決這一問題，雖然進行著代替揮發性液體電解質，利用離子性溶劑的非揮發性電解質的使用、聚合物凝膠電解質的使用及廉價的純有機物染料的使用等研究，但比起利用了揮發性液體電解質和釕系染料的染料敏化太陽能電池，存在效率低的問題。