[发明专利]光敏固态异质结装置

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）中的应用以及相应的光敏装置。本发明尤其涉及具有高使用稳定性的光电装置。

背景技术

n型半导体材料（被称为电子传输物）与p型半导体材料（被称为空穴传输物）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TiO₂（电子传输物）组成，其转而被氧化还原活性空穴传输介质（电解质）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或者“凝胶”型半固体电解质结合的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被消耗。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。

最近的工作更多集中于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，所述固态分子空穴传输物通过电子运动而不是依赖离子运动的电解质传输电荷。由于其没有腐蚀特性并且由于通过避免了对驱动氧化还原对的需要而节省了电势，分子空穴传输物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仅超过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。

DSC型光电装置中很多电荷传递步骤的速率高度依赖于保持有相关材料于其中的环境。例如，在基于电解质的DSC中，尽管将受激电子从敏化剂传递至n型材料的“注入”步骤实质上是定量的，但在固态装置中这一步骤相对缓慢，而且在其可以被传递至n型材料之前，很大比例的电子通过其它途径被抑制。类似地，这种装置的特性也受形成其所需成分的控制，因此，例如，对于含有强侵蚀性的碘化物/三碘化物氧化还原对的电池，如果该电池具有重要的工作寿命，则其某些成分必须与这种电解质物理分离。然而，在固态装置中，去除了这种强烈环境，并且因此需要氧化还原活性介质与其他电池成分进行物理分离。由于这些和其他因素，许多用于改进电解质型DSC的效率的方法无法应用在固态装置中。

对于经济上可行的DSC，其必须具有在全日照条件下至少10年、并且更加典型地至少20年的操作寿命。显然，经受完全太阳照射达多年的有机成分易受降解影响。在DSC、并且特别地是固态DSC（SDSC-具有分子空穴传输物而不是离子电解质）的情况中，通过将氧排除出装置，有机材料在日照条件下非常稳定。然而，在有氧情况下，日光引起氧化降解，这会相对快地分解有机成分并且因此妨碍了装置的有效商业寿命。