[发明专利]高效率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，其特征在于由吸光染料敏化的多孔半导体电极、对电极以及包含氧化还原电对的电解质组成。

背景技术

作为一种低价的太阳能电池，染料敏化太阳能电池(DSC)有可能替代以硅为基础的光伏设备，并因此受到了广泛的关注。在染料敏化太阳能电池中，光通常是由吸附到多孔宽禁带半导体(通常为TiO₂)的染料分子吸收。吸收光以后，受到光激发以后的染料，将电子注入到半导体的导带，成为氧化态染料。随后，氧化态染料被电解质中的氧化还原电对再生。

目前，染料敏化太阳能电池领域中，最高的电池效率可以达到11％，是由基于钌的金属络合物染料和含I^-/I₃^-电对的电解质组成的电池所得到的。

对于染料敏化太阳能电池的大规划生产，有必要找到一种氧化还原电对来替代具有腐蚀性的I^-/I₃^-电对。I^-/I₃^-系统的应用，受到较低的氧化还原电势、对金属的腐蚀性和I₃^-对光的竞争性吸收等方面的限制。透明导电基底较高的电阻限制了大面积染料敏化太阳能电池和组件的制作。解决这一问题的一个方法是在导电基底上加入收集电子的金属导线。因此，I^-/I₃^-电对对于大部分金属和封装材料的腐蚀性，限制了染料敏化太阳能电池规模的放大。

最近，为了避免I^-/I₃^-引起的问题，一些替代I^-/I₃^-系统的电对受到了仔细的研究。目前，最好的是基于二硫醚/巯基化合物的氧化还原电对，在一个标准太阳光强下，效率达到6.4％。

发明内容

鉴于现有技术的上述和其它的缺点，本发明的主要目的是至少克服上述的一个问题，并且提高染料敏化太阳能电池的使用寿命和光电转换效率。

染料敏化太阳电池由吸光染料敏化的多孔半导体、对电极和含有氧化还原电对的电解质组成。本发明提供了一种染料敏化太阳能电池，其特征在于，有机光敏染料和单电子转移氧化还原电对的结合使用。

外层单电子转移氧化还原电对(如钴络合物)，相对于碘来说对可见光的吸收弱，且对金属化合物的腐蚀性更小。但不幸的是，单电子转移氧化还原电对的使用会增强TiO₂导带中电子的复合。然而，根据还原到钴(II)的电子自旋，光激发注入电子与钴(III)的复合预计是缓慢的。之前的研究表明，染料敏化太阳能电池中，钴电对的性能受到染料再生慢、在多孔TiO₂半导体中的传输问题和TiO₂导带中电子和钴(III)化合物快速复合引起的。染料再生速率可以使用一个快速氧化还原电对(如二茂铁或多多吡啶铁)，与钴(II)共同作用解决。最近，大量研究集中于用原子层沉积(ALD)钝化TiO₂表面，从而减少其与电对的快速复合。然而，其主要缺点是钴电对的再生问题、质量传输问题或是电子复合问题，依然没有得到解决。

本发明是以有机光敏染料和单电子转移氧化还原电对相结合的高效染料敏化太阳能电池为基础，从而避免了上述I^-/I₃^-电对的缺点。另外，根据本发明，具有高摩尔消光系数的有机染料可以很好的代替标准钌络合物光敏染料，从而可以在染料敏化太阳能电池中使用更薄的薄膜，进而克服钴络合物电对的质量传输和复合问题。

优选的有机染料可以包含具有空间位阻的基团，抑制半导体中电子和电解质中电子受体的复合。在根据本发明的染料敏化太阳能电池的实施例中，所述有机染料，可以优选地包括具有空间位阻的烷氧基给电子性取代基。

通过使用含有空间位阻的染料，如具有空间位阻的含烷氧基基团，有效的抑制了电子的复合。并且可以使用空间体积更小的钴络合物氧化还原电对，从而避免了上述提到的质量传输为题。

在根据本发明的染料敏化太阳能电池的实施例中，该有机染料具有以下结构：