[发明专利]形成有多孔性薄膜的金属氧化物半导体电极、利用该电极的染料敏化太阳能电池及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种染料敏化太阳能电池及其制造方法，具体地，涉及一种能防止由三碘化物引起的光电子复合的新型染料敏化太阳能电池及其制造方法。

背景技术

太阳能电池装置是指通过使用在光照射下发生电子和空穴的光-吸收物质，直接产生电的装置，它是由光生伏特效应引起的，1839年，法国物理学家Becquerel首次发现了由光诱导的化学反应产生电流的光生伏特效应，之后在硒等固体中也发现了类似的现象。

1991年瑞士的格拉切研究团队，发表了关于通过在纳米晶体结构的锐钛矿二氧化钛上化学吸附钌（phophyrine）染料，并使用溶解于溶液电解质的碘和碘盐，制备光电转换效率为10%的太阳能电池的制备方法。这种染料敏化太阳能电池（以下，将其称为“DSSC”）的光电转换效率，一般比无定形硅作为原料的太阳能电池的效率更优异，是目前可替代硅二极管的最为先进的技术之一。

DSSC包含：由吸附有染料分子的多孔性二氧化钛纳米粒子构成的半导体电极、由铂金或者碳包被的反电极以及填充于所述半导体电极和反电极之间的电解质。即，DSSC是在透明电极和金属电极间，吸附有燃料的例如氧化钛的无机氧化物层间插入电解质，利用光电化学反应而制备的太阳能电池。

一般DSSC是由两种电极（光电极和相向电极）和无机氧化物、染料及电解质构成。DSSC由于采用对环境无害的物质/材料，因此非常环保，并且具有较高的能量转换效率，仅次于现有的无机太阳能电池中的无定形硅系列的太阳能电池。并且其制备单价仅是硅太阳能电池的20%左右，因此其具有极好的商业化前景（美国专利第4,927,721号以及美国专利第5,350,644号）。

DSSC装置的驱动原理为，向吸附有染料的钛氧化物层照射光时，染料吸收光电子（电子-空穴对）形成激子（exciton），并且所形成的激子由基态变换为激发态。因此，导致了电子和空穴对各自分离，电子进入到钛氧化物层，而空穴则移动至电解质层。在其外部设置外电路时，电子通过导线经过钛氧化物层，从正极移动至负极，从而产生电流。移动至负极的电子被电解质还原，从而使激发态电子不断移动，产生电流。

为了提高DSSC的光电转换效率，首先应增加太阳光的吸收量，从而增加电子的生成量。由于太阳光的吸收量与吸附的染料量成正比，因此为了增加太阳光吸收量，应增加染料的吸附量，而为了增加单位面积染料的吸附量，应将氧化物半导体的粒子制备成纳米级别的大小，从而增加氧化物半导体表面积。但采用这种方法提高光电转换效率有一定的限度。

依靠染料转移至半导体氧化物的电子，在通过半导体氧化物层的过程中，因太阳能电池中存在的被氧化的化学物质的复合过程损失光电子。尤其是将碘和碘离子作为氧化-还原物质使用的DSSC中，复合反应的主要原因是金属氧化物表面存在的光电子和3价碘离子或者氧化的染料间发生反应。

为此，开发出了阻断光电子接近氧化物质，或者阻断氧化物质接近光电子的方法。公开的第一种方法为在p-型半导体空穴传输物质中导入乙二醇，螯合锂离子，筛选从二氧化钛逐渐接近的电子，从而延迟复合反应的方法（Taiho Park,et al.,Chem.Comm.2003,112878;Saif A.Haque,et al.,Adv.Func.Mater.2004,14,435）；而第二种方法是在电解质中加入具有较强毒性的碱性物质（例如芳香叔胺），从而使开放电压升高的方法（M.K.Nazeeruddin,et al.,J.Am.Chem.Soc.,1993,115,6382）。

并且，还有在半导体电极上形成的半导体氧化物层的暴露表面以及传导基板的暴露表面上添加绝缘层的先例（韩国公开专利第2008-0029597号）以及将半导体电极的表面用铝氧化物或者其它金属氧化物包膜后吸附染料的先例（Emilio Palomares,et al.,J.Am.Chem.Soc.2003,125,475-482;Shlomit Chappel,et al.,Langmuir2002,18,3336-3342）。

并且，还有将高分子薄膜混合使用于电解液，从而防止电解液的渗漏的方法（韩国公开专利第2009-0012911号）。

但是这种方法无法控制在金属氧化物表面发生的光电子复合反应，因此需要能改善该问题的方案。