[发明专利]具有改善的辅助电极的光伏染料电池

说明书

本申请是申请号为200880113787.5，发明名称为“具有改善的辅助电极的光伏染料电池”，申请人为“3G太阳能光电有限公司”的中国专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及从太阳光产生电能的光伏染料电池，也被称为染料敏化太阳能电池。

背景技术

从太阳光产生电能的染料敏化光伏电池已被Graetzel等人的美国专利第5,350,644号公开。美国专利第5,350,644号教导了具有沉积在玻璃板或透明聚合物片上（已应用了一系列的二氧化钛层）的光透射导电层的光伏电池。

美国专利第5,350,644号之后，Kay的美国专利第6,069,313号教导了在普通透明衬底上以分离的、平行的、狭窄的细长带排列的许多串联的电池元件。每个元件包括由纳米晶二氧化钛组成的面向光的阳极，使用二氧化钛粘结剂粘结在一起的多孔的催化导电碳基结构的碳辅助电极（阴极），及放置基于氧化铝、二氧化硅、二氧化钛或氧化锆粉末的中间电绝缘多孔层以分离阳极与阴极。在用光敏染料涂覆纳米晶二氧化钛后，中间层的孔隙至少部分填充有液相、离子迁移电解质。基于氧化锡的透明导电材料的电流收集层位于透明衬底和阳极之间。当阳极受到光照射时，给定电池的阳极和阴极提供直流电压，使得可以容易地构建电池的串联组件。通过分离这两个元件的各自中间层的间隙使每个连续元件的阴极与前面的阳极元件的中间导电层连接。然后用有机聚合物密封电池组，尤其确保每个单独的带电池与其相邻的电池密封隔开，此组件被称为电池整体组件。

通常，上面参考专利中的染料电池比常规的光伏电池在概念上更接近蓄电池组电池，因为电荷生成器被电解质隔开并不直接接触。这些电池组具有两个被电解质隔开的电极，其中一个电极（光电极或光电阳极）面向太阳或光源。每个电极支撑在其自身的通常是导电玻璃片的电流收集器上，该导电玻璃是在一个面上涂覆薄的（～0.5微米）、一般基于导电氧化锡的透明层的玻璃。导电玻璃片作为染料电池的透明壁。

可以使用透明聚合物代替玻璃来支撑氧化锡。光电极或光电阳极包括基于二氧化钛的约10微米厚（与氧化锡层接触）的透明多孔层，所述二氧化钛具有10-50nm的纳米晶特征粒度，通过烘焙应用到导电玻璃或透明聚合物上，并浸渍特定的染料。通过下述各种方法中的一种以分散的形式应用烘焙好的二氧化钛层：刮片法、滚压、喷雾、涂装、电泳、凹版印刷、狭缝涂布、丝网印刷或印刷。产生最高电池性能的烘焙步骤通常在至少450C上，要求使用导电玻璃而不是塑料来支撑二氧化钛层。二氧化钛层的其他处理过程是可行的，例如降低温度的烘焙或压制，通常在效率上有些牺牲。需要着重指出的是二氧化钛主要与氧化锡接触。在光电阳极上存在其他导体（如许多金属、碳和类似物，即使对电解质是化学惰性的）可以大大地增加电池中的载荷子重组并导致严重的效率损失。非常少的材料（其中例如氧化锡和钛金属）可用于光电阳极，因为它们对电解质显示化学惰性，并基本上没有重组缺陷。

对部分透明的电池，在其各自的涂覆有导电玻璃或透明塑料的氧化锡片上，相对的电极（“辅助电极”）包括催化剂（通常每平方厘米含有几微克的铂）薄层。如果不要求电池的透明度，辅助电极可以是不透明的。例如，辅助电极可以是基于用痕量铂或另一种催化剂有利地催化的碳或石墨。电池中的电解质通常是含有溶解的氧化还原物质的有机溶剂。电解质典型地为乙腈或更高分子量的、降低的挥发性的腈类，且在典型的电池中氧化还原物质是溶解的碘和碘化钾-基本上是三碘化钾。然而，可以使用其他溶剂、盐类和相，例如基本上无蒸气压的离子液体，甚至不同的氧化还原物质。

Graetzel等人的美国专利第5,350,644号公开了多种染料电池化学，尤其是基于钌络合物的染料。落在光电极上的光子激发该染料（生成活化的氧化性染料分子），引起电子进入二氧化钛的导带中并流至（经由具有负载的外电路）辅助电极。在那里，电子将电解质中的三碘化物还原成碘，且在光电阳极处，该碘被活化的染料氧化回到三碘化物，留下用于下个光子的无活性的染料分子。美国专利第5,350,644号公开了这样的染料电池可以达到10％的光电转化效率，并且在小型的优秀研究电池中获得超过11％的效率。