[发明专利]固态异质结装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种固态p-n异质结，并涉及其在光电装置、具体地在固态染料敏化太阳能电池(SDSC)中的应用、和以及相应的光敏装置。

背景技术

n型半导体材料(已知为电子传输物)与p型半导体材料(已知为空穴传输物)的结在现代电子学中也许是最基本的结构。这种所谓的“p-n异质结”形成当代二极管、晶体管和包括比如发光二极管(LED)、光伏电池和光电传感器的光电装置的相关装置的基础。

对安全可持续的未来能源供应的迫切需求的现实导致了近期对光伏电池(PV)兴趣的激增。传统的基于半导体的太阳能电池对于将太阳能转换成电能是相当有效的。然而，普遍认为需要进一步降低主要成本，以能够广泛地吸收尤其是大规模的太阳能发电。染料敏化太阳能电池(DSC)提供了对低成本、大面积光伏电池需求的有前景的解决方案。通常，DSC由对吸光的分子染料敏感的介孔(mesoporous)TiO₂(电子传输物)组成，其转而被氧化还原活性空穴传输介质接触。敏化剂的光致激发引起电子从激发的染料转移(注入)到TiO₂的传导带中。这些光生电子随后被传输到阳极并在阳极聚集。氧化的染料通过空穴转移至氧化还原活性介质而再生，同时空穴通过该介质被传输到阴极。

最有效的DSC由与氧化还原活性液体电解质结合的TiO₂组成。将碘化物/三碘化物氧化还原对加入挥发性溶剂中可将超过12％的太阳能转换成电能。然而，这远非最佳效率。即使是使用具有碘化物/三碘化物氧化还原对的钌络合物的最有效的敏化剂/电解质组合，也要耗费约600mV以驱动染料再生/碘化物氧化反应。而且，该系统被优化以运用敏化剂，所述敏化剂主要吸收可见范围的光谱，由此在重要的光电流和能量转换中失效。即使在最有效优化的基于液体电解质的DSC中，介于600和800nm之间的未被吸收的光子的总量等同于在全日照条件下7mA/cm^-2的光电流损失。由于使用液体电解质而产生的其它问题是，这些液体电解质具有腐蚀性且通常容易泄漏，对于大规模安装或经过较长的时间周期后，这些因素更成问题。

最近的工作集中在产生胶体或者固态电解质，或者用固态分子空穴传输物完全替代电解质，这对于大规模的生产和耐久性是更具吸引力的。在这些替代方式中，分子空穴传输物的使用显得最有前景。尽管这些固态DSC(SDSC)为已被证实的概念，最有效的仍旧是只将超过5％的太阳能转换成可使用的电能。这离基于液体的电池的效率仍有很长一段距离，且在SDSC能够变成可行的日常应用的商业机会之前还需要进一步的优化。

已被研究的用于改进固态DSC效率的一个途径是使氧化物的传导带下降，从而使得电子从“低能带隙”敏化剂的更有效的转移成为可能，以能够更大幅度地收集太阳光。如果，例如，电子从激发的染料的转移对于TiO₂存在问题，则可通过使用具有较低传导带的材料在一定程度上解决该问题，因为其在能量上更加有利于促进电子的快速转移。

先前已研究了包括SnO₂的各种各样的半导体材料，以用于基于液体电解质的DSC，并且包括SnO₂的若干个已表现出一定程度的成功，尽管仍需与由TiO₂n型材料制成的装置的效率进行匹配。然而，关于固态p-n结装置中SnO₂电子传输物的使用的出版文献中存在显著间隙。特别是，尽管若干作者已出版了推广的公开文件，提出了由通用组材料(有时甚至列举了SnO₂)形成的、作为n型电子传输物的SDSC(参见例如EP1176646)，还没有披露包含有机空穴传输物(有机SDSC)的基于SnO₂的SDSC的起作用的实例。在其为了改善SDSC的转换效率的工作中，本发明人目前已研究了改变n型半导体材料的效能，并且在所披露的技术中可能已建立了该明显空隙的可能诱导原因；这种类型的基于SnO₂的SDSC根本不起作用。当替代TiO₂而用于有机固态DSC中时，SnO₂装置产生最小的光电流，导致只有0.1％的部分的从太阳能到电能的转换效率。这一结果在下面的图7中例示。因此，有可能的是，如果以前已产生了任何的这种装置，其已根本上由于没有功能而被舍弃。因此，不存在已知的任何实用的基于SnO₂的有机SDSC的公开文件。