[发明专利]染料增感型光电转换器件及其制造方法、电子设备以及半导体电极及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及例如适用于染料增感型太阳能电池的染料增感型光电转换器件及其制造方法、电子设备以及半导体电极及其制造方法，该染料增感型太阳能电池使用半导体电极，该半导体电极包括吸附有增感染料的半导体微粒。 

背景技术

作为一种用于将太阳光转换成电能的光电转换装置，太阳能电池利用太阳光作为能源，因此它对全球环境产生极小的影响，并且预期将得到进一步普及。 

随着对太阳能电池的各种材料进行研究，许多使用硅的太阳能电池已在市场上有售，它们通常分为使用单晶硅或多晶硅的晶体硅型太阳能电池以及非晶(无定形)硅型太阳能电池。迄今为止，太阳能电池往往采用单晶硅或多晶硅(即结晶硅)。 

然而，在晶体硅型太阳能电池中，尽管表示将光能(太阳能)转换为电能的性能的光电转换效率高于非晶硅型太阳能电池，但因其需要许多能量和时间用于晶体生长，所以生产率低且成本高。 

另外，虽然非晶硅型太阳能电池与晶体硅型太阳能电池相比具有光吸收率较高、基板选择范围宽并且易于增大面积的特点，但其光电转换效率却低于晶体硅型太阳能电池。而且，尽管非晶硅型太阳能电池与晶体硅型太阳能电池相比具有更高的生产率，但其要求与晶体硅型太阳能电池相同的方式的真空工艺来制造且其安装费用也很高。 

另一方面，为了解决上述问题并且进一步降低太阳能电池的成本，长期以来已对使用有机材料来代替硅系材料的许多太阳能电池进行了研究。 然而，这些太阳能电池中的大多数光电转换效率低至约1％，而且它们还未投入实际应用。 

在这些太阳能电池中，由Graetzel等人提出的染料增感型太阳能电池与现有的硅系太阳能电池相比具有成本低廉、光电转换效率高并且不需要大型制造装置等优点，因此引起了关注(例如参见B.O’Regan和M.Graetzel，Nature，353卷，第737至740页(1991)以及日本专利No.2664194的说明书)。 

图7示出了一种现有的染料增感型太阳能电池，更一般地，一种染料增感型光电转换器件的结构。该染料增感型光电转换器件具有如图7所示的部分结构，其中包括：形成在由玻璃等制成的透明基板101上的包含例如FTO(掺氟的氧化锡)的透明电极102，在透明电极102上形成吸附有增感染料的半导体层103，对向电极105(包括形成在基板104上并且彼此相对的例如由FTO制成的电极105a和诸如铂层的导电层105b)，以及填充在半导体层103与对向电极105之间的包括含有诸如I^-/I₃^-的氧化/还原物质(氧化还原对)有机电解液的电解质层106。在透明电极102与对向电极105之间连接外部电路。作为半导体层103，常使用通过烧结诸如氧化钛(TiO₂)的半导体微粒形成的多孔层。增感染料被吸附在构成半导体层103的半导体微粒的表面上。 

参照图8所示的能量图来描述染料增感型光电转换器件的工作原理。然而，图8考虑的是以下情形：使用FTO作为透明电极102的材料，将在下文中描述的N719作为增感染料107，TiO₂作为半导体层103的材料，I^-/I₃^-作为氧化/还原物质。当光从透明基板101一侧入射时，染料增感型光电转换器件作为使用对向电极105为正极而透明电极102为负极的电池工作。其原理如下所述。 

即，当染料107吸收穿透了透明基板101和透明电极102的光子时，染料107中的电子受激从基态(HOMO)跃迁到激发态(LUMO)。处于激发态的电子移动到半导体层103的导带，通过半导体层103，然后到达透明电极102。 

另一方面，失去了电子的染料按照下列反应从还原剂(即，电解质层 106中的I^-)获取电子，从而形成氧化剂(即电解质层106中的I₃^-(I₂与I^-的结合体))： 

2I^-→I₂+2e^-

I₂+I^-→I₃^-

由此生成的氧化剂通过扩散到达对向电极105，然后按照上述反应的逆反应从对向电极获取电子，并被还原成初始状态的还原剂：