[發明專利]具有改善的輔助電極的光伏染料電池

有效

• 申請號: 201210365063.8
• 申請日: 2008-08-28
• 公開（公告）號: CN102969167A
• 公開（公告）日: 2013-03-13
• 發明（設計）人: I·亞庫波維;J·R·高德斯坦;B·布林;E·羅施·候德施
• 申請（專利權）人: 3G太陽能光電有限公司
• 主分類號: H01G9/20
• 分類號: H01G9/20;H01G9/04
• 代理公司: 北京市鑄成律師事務所 11313
• 代理人: 孟銳

本申請是申請號為200880113787.5，發明名稱為“具有改善的輔助電極的光伏染料電池”，申請人為“3G太陽能光電有限公司”的中國專利申請的分案申請。

技術領域

本發明涉及從太陽光產生電能的光伏染料電池，也被稱為染料敏化太陽能電池。

背景技術

從太陽光產生電能的染料敏化光伏電池已被Graetzel等人的美國專利第5,350,644號公開。美國專利第5,350,644號教導了具有沉積在玻璃板或透明聚合物片上（已應用了一系列的二氧化鈦層）的光透射導電層的光伏電池。

美國專利第5,350,644號之后，Kay的美國專利第6,069,313號教導了在普通透明襯底上以分離的、平行的、狹窄的細長帶排列的許多串聯的電池元件。每個元件包括由納米晶二氧化鈦組成的面向光的陽極，使用二氧化鈦粘結劑粘結在一起的多孔的催化導電碳基結構的碳輔助電極（陰極），及放置基于氧化鋁、二氧化硅、二氧化鈦或氧化鋯粉末的中間電絕緣多孔層以分離陽極與陰極。在用光敏染料涂覆納米晶二氧化鈦后，中間層的孔隙至少部分填充有液相、離子遷移電解質?；谘趸a的透明導電材料的電流收集層位于透明襯底和陽極之間。當陽極受到光照射時，給定電池的陽極和陰極提供直流電壓，使得可以容易地構建電池的串聯組件。通過分離這兩個元件的各自中間層的間隙使每個連續元件的陰極與前面的陽極元件的中間導電層連接。然后用有機聚合物密封電池組，尤其確保每個單獨的帶電池與其相鄰的電池密封隔開，此組件被稱為電池整體組件。

通常，上面參考專利中的染料電池比常規的光伏電池在概念上更接近蓄電池組電池，因為電荷生成器被電解質隔開并不直接接觸。這些電池組具有兩個被電解質隔開的電極，其中一個電極（光電極或光電陽極）面向太陽或光源。每個電極支撐在其自身的通常是導電玻璃片的電流收集器上，該導電玻璃是在一個面上涂覆薄的（～0.5微米）、一般基于導電氧化錫的透明層的玻璃。導電玻璃片作為染料電池的透明壁。

可以使用透明聚合物代替玻璃來支撐氧化錫。光電極或光電陽極包括基于二氧化鈦的約10微米厚（與氧化錫層接觸）的透明多孔層，所述二氧化鈦具有10-50nm的納米晶特征粒度，通過烘焙應用到導電玻璃或透明聚合物上，并浸漬特定的染料。通過下述各種方法中的一種以分散的形式應用烘焙好的二氧化鈦層：刮片法、滾壓、噴霧、涂裝、電泳、凹版印刷、狹縫涂布、絲網印刷或印刷。產生最高電池性能的烘焙步驟通常在至少450C上，要求使用導電玻璃而不是塑料來支撐二氧化鈦層。二氧化鈦層的其他處理過程是可行的，例如降低溫度的烘焙或壓制，通常在效率上有些犧牲。需要著重指出的是二氧化鈦主要與氧化錫接觸。在光電陽極上存在其他導體（如許多金屬、碳和類似物，即使對電解質是化學惰性的）可以大大地增加電池中的載荷子重組并導致嚴重的效率損失。非常少的材料（其中例如氧化錫和鈦金屬）可用于光電陽極，因為它們對電解質顯示化學惰性，并基本上沒有重組缺陷。

對部分透明的電池，在其各自的涂覆有導電玻璃或透明塑料的氧化錫片上，相對的電極（“輔助電極”）包括催化劑（通常每平方厘米含有幾微克的鉑）薄層。如果不要求電池的透明度，輔助電極可以是不透明的。例如，輔助電極可以是基于用痕量鉑或另一種催化劑有利地催化的碳或石墨。電池中的電解質通常是含有溶解的氧化還原物質的有機溶劑。電解質典型地為乙腈或更高分子量的、降低的揮發性的腈類，且在典型的電池中氧化還原物質是溶解的碘和碘化鉀-基本上是三碘化鉀。然而，可以使用其他溶劑、鹽類和相，例如基本上無蒸氣壓的離子液體，甚至不同的氧化還原物質。

Graetzel等人的美國專利第5,350,644號公開了多種染料電池化學，尤其是基于釕絡合物的染料。落在光電極上的光子激發該染料（生成活化的氧化性染料分子），引起電子進入二氧化鈦的導帶中并流至（經由具有負載的外電路）輔助電極。在那里，電子將電解質中的三碘化物還原成碘，且在光電陽極處，該碘被活化的染料氧化回到三碘化物，留下用于下個光子的無活性的染料分子。美國專利第5,350,644號公開了這樣的染料電池可以達到10％的光電轉化效率，并且在小型的優秀研究電池中獲得超過11％的效率。