[发明专利]改进的染料敏化太阳能电池及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及在染料敏化太阳能电池(DSC)内实现多孔层和具有多孔导电电极层的DSC的制造方法。

背景技术

M等人开发的染料敏化太阳能电池(DSC’s)是由低成本材料制造的一类新型太阳能电池，且可通过常规的印刷技术制造，参见例如US5084365。

图1中示出了常规的夹层型DSC。DSC(1)具有在透明导电衬底(3)上沉积的数微米厚的多孔TiO₂电极层(2)。TiO₂电极包括通过在TiO₂颗粒表面上吸收染料分子(典型地多吡啶钌络合物)染色的互连TiO₂金属氧化物颗粒。透明导电衬底(3)通常是在玻璃衬底(5)上沉积的透明导电氧化物(TCO)(4)，例如掺杂氟的氧化锡(FTO)。同样还使用其他类型的TCO材料，例如氧化锡铟(ITO)，或掺杂铝的氧化锌，或掺杂锑的氧化锡。

TCO层(4)起到静合接点(back contact)的作用，它从TiO₂电极(2)中提取光致电子。TiO₂电极(2)与电解质(6)(典型地含有I^-/I₃^-离子对)和另一透明导电衬底，即对电极(7)接触。对电极中的TCO层(8)通常覆盖有薄的铂催化层。铂具有强烈的催化效果，从而有助于电子转移到电解质。

通过染料收获太阳光，从而产生光激发的电子，所述电子注入到TiO₂颗粒的导带中，并进一步由导电衬底(8)收集。与此同时，氧化还原电解质内的I^-离子还原经氧化的染料并将生成的电子受主物质(I₃^-)传输到对电极上，在此I₃^-物质被还原成I^-。已经报道了11%的能量转化效率的记录，尽管良好品质的电池典型地提供5%-8%。

导电衬底的边缘通常没有沉积TiO₂电极材料。在边缘处密封两个导电衬底，以保护DSC部件免受周围气氛影响，并防止电池内部的DSC组分蒸发或泄露。

由于透明导电氧化物(4,8)的低导电率，因此电池(1)必须以间隙分段或分条沉积。在间隙内沉积集流体以连接各段或各条，形成太阳能电池模块。各段越宽，则TCO层内的电子欧姆损失越大，这是TCO的导电率差导致的。

单个电池(1)并联或串联地电连接，以便分别提高DSC电流或DSC电压。可在电池外部，使用外周设备例如电缆或焊料进行电连接。或者，可在电池内部，通过以实现电池所需的串联或并联连接的方式分配DSC部件，进行电连接。

透明导电氧化物TCO的导电率低是一个问题，因为它限制了各段的宽度。另一问题是TCO基玻璃昂贵，且在DSC结构内使用两片TCO基玻璃甚至进一步增加成本。为了解决这些问题，尝试通过使用金属喷射技术，用在TiO₂上的多孔导电金属层的真空沉积物交换静合接点中的TCO基玻璃。由于沉积的喷射多孔金属层导电，因此可用便宜得多的较少-TCO的玻璃交换TCO基玻璃。

在Yohei Kashiwa,Yorikazu Yoshida，和Shuzi Hayase,PHYSICS LETTERS92,033308(2008))中，描述了在TiO2层上电喷射(electro-spraying)四脚体形状(tetrapod-shaped)的ZnO，接着在ZnO覆盖的TiO₂层顶上喷射钛金属。然后通过随后ZnO溶解在HCL内，洗涤掉包埋在钛层内的四脚体形状的ZnO，以便形成足够多孔的钛层。钛层的孔隙率必须足够，以便不产生电解质离子扩散限制及由此导致的电阻损失。此外，由于通过钛层扩散的问题导致可减慢染料敏化工艺。因此，需要在喷射的钛层内引入孔。所得的整体光电能量转化效率为7.43%。