[发明专利]染料敏化太阳能电池

说明书

技术领域

本发明涉及染料敏化太阳能电池的领域、以及它们的快速且有效的制备 方法，所述方法聚焦于快速的染料敏化方法。

背景技术

太阳能电池通常使用固态半导体制备。电池是通过将两种掺杂晶体并置 而制备的，一种晶体具有略负的电荷，因此具有额外的自由电子(n型半导体) 和另一种晶体具有略正的电荷，因此缺失自由电子(p型半导体)。当使这两 种掺杂晶体接触时，来自n型半导体的额外的电子流经n-p结以使p型半导 体中的电子缺失减轻。在p-n结处，载流子在一侧损耗并在另一侧积聚，从 而产生势垒。当通过太阳光产生的光子撞击p型半导体时，它们引发束缚在 低能级中的电子向其中电子自由移动的导带转移。跨接电池两端布置负载以 通过外电路将电子从p型半导体转移至n型半导体。然后电子自发地向所述 p型材料移动，返回到已经通过太阳能从其抽取(extract)所述电子的低能级。 该运动产生电流。

典型的太阳能电池晶体由硅制备，因为具有在可见光范围内的频率的光 子具有足够的能量使电子跨越所述低能级和所述导带之间的带隙 (band-gap)。这些太阳能电池的主要缺点之一是在紫色或者紫外频率中的最 具能量的光子具有比使电子跨越所述带隙所必需的能量高的能量，导致能量 的显著浪费，该浪费的能量仅被转化成热。另一个重要缺点是p型层必须足 够厚以便有机会捕获光子，结果新抽提的电子也有机会在到达p-n结之前与 产生的空穴复合。因此，对于太阳能电池模块，由于在将单个电池组合在一 起时的损失，硅型太阳能电池的最大报导效率为20-25％或者更低。

硅型太阳能电池的另一个重要间题是在货币价格方面以及在所配备的 能量(即，为制造所述器件所需要的能量)方面的成本。

染料敏化太阳能电池(DSSC)已经在1991年被O′Regan和开发出 来(O′Regan B.和M.，Nature，1991，353，737-740)。它们是使用低 成本材料制造的并且它们的制造不需要复杂的设备。它们将由硅提供的两种 功能分离：半导体的主体用于电荷输送和光电子由分离的光敏染料产生。所 述电池为图1中所示的夹心结构并且典型地通过如下步骤制备：

a)提供透明板(1)，其典型地由玻璃制备；

b)用透明的导电氧化物(TCO)(2)、优选用掺杂的氧化锡涂覆该板；

c)在TCO侧向该经涂覆的玻璃板涂布金属氧化物(3)(通常为二氧化钛) 的糊；

d)将所述板加热至约450℃-500℃的温度至少1小时的时间；

e)将步骤d)的经涂覆板在染料溶液中浸渍约24小时的时间以使所述染 料共价结合至二氧化钛(4)的表面；

f)提供另一进一步涂覆有铂(5)的涂覆TCO的透明板；

g)将这两块玻璃板密封并且在所述板之间引入电解质溶液(6)，以将染 色(dyed)的金属氧化物和电解质包在两导电板之间和防止电解质泄漏。

在这些电池中，光子撞击染料，使其移向能够将电子注入到二氧化钛的 导带中的激发态，所述电子从所述二氧化钛的导带扩散至阳极。从染料/TiO₂体系失去的电子通过在对电极处将碘化物氧化成三碘化物而归还，该反应足 够快以使光化学循环能够继续。

DSSC产生约0.8V的能与硅太阳能电池的最高电压相比的最高电压。 DSSC相比于硅太阳能电池的一个重要优点是染料分子将电子注入到二氧化 钛导带中，产生激发态染料分子而不是在邻近固体中产生电子空位 (vacancy)，从而降低电子/空穴的快速复合。因此，它们能够这样的低的光条 件下运行：在所述低的光条件下，在硅太阳能电池中电子/空穴复合变为支 配性机理。然而，目前的DSSC在可见光频率范围的较长波长部分中在红色 和红外区域中不是非常有效，因为这些光子不具有足够的能量来越过二氧化 钛带隙或激发最常规的联吡啶钌染料。

DSSC的主要缺点在于使二氧化钛纳米颗粒染色所必需的长时间：使对 于太阳能电池应用所必需的二氧化钛层染色花费12-24小时。DSSC的另一 主要难点是电解质溶液：所述电池必须仔细地密封以防止液体电解质泄漏。

因此，需要制备可以降低的成本快速制备的耐用(robust)的太阳能电池。

发明内容

本发明的一个目的是减少金属氧化物染色所必需的时间量。

本发明的另一目的是减少制备染料敏化太阳能电池所必需的时间量。