[发明专利]染料敏化的光伏电池

说明书

本文提供对染料敏化的光伏电池的改进，其增强所述电池在正常室内照明条件下操作的能力。这些改进包括可印刷的、非腐蚀性的、无孔空穴阻挡层制剂，其改进染料敏化的光伏电池在1太阳和室内光照射条件下的性能。本文还提供用于染料敏化的光伏电池的高度稳定的电解质制剂。这些电解质使用高沸点溶剂，并且与现有技术的基于乙腈的电解质相比，提供出乎意料的优异结果。本文还提供用于沉积用于基于氧化还原电解质的染料敏化的光伏电池的薄复合催化层的可化学聚合的制剂。所述制剂允许在正极上R2R印刷(包括涂覆、快速化学聚合、用甲醇冲洗催化材料)复合催化剂层。原位化学聚合过程形成非常均匀的薄膜，这对于从串联连接的光伏模块中的每个电池获得均匀的性能是必要的。

本申请是申请日为2019年9月19日，申请号为201980061652.7，发明名称为“染料敏化的光伏电池”的发明专利的分案申请。

背景技术

成像装置、存储器、传感器和光伏电池中的半导体固体(例如金属氧化物)的敏化可以用作能量转换的有效手段。这些装置使用对光透明，但可通过使用吸收光能并将其转换成电功率或电信号的敏化剂而敏化至所需光谱的金属氧化物，例如二氧化钛。这种敏化通过从染料敏化剂的激发态将电荷注入金属氧化物中而发生。使用敏化剂，例如过渡金属络合物、无机胶体和有机染料分子。

在这些技术之中，染料敏化的金属氧化物光伏电池(DSPC)是突出的。DSPC使用染料吸收光并引发向纳米结构氧化物(例如TiO₂)的快速电子转移。TiO₂的介观结构允许建立厚的、纳米多孔膜，其活性层厚度为几微米。然后染料被吸附在介孔TiO₂的大表面积上。电荷平衡和传输通过具有REDOX对(例如碘化物/三碘化物、Co(II)/Co(III)络合物和Cu(I)/Cu(II)络合物)的层实现。

基于过渡金属络合物的染料公开于Gratzel等的美国专利号4,927,721和5,350,644中。这些染料材料设置在具有高表面积的介孔金属氧化物上，在其上可以形成吸收、敏化层。这导致光在电池中的高吸收率。已经发现染料(例如Ru(II)(2,2'-联吡啶-4,4'二羧酸酯)₂(NCS)₂)是有效的敏化剂，并且可通过化合物外围的羧基或膦酸酯基连接到金属氧化物固体上。然而，当过渡金属钌络合物用作敏化剂时，它们必须以10微米或更厚的涂层施加到介孔金属氧化物层上，以吸收足够的辐射，从而获得足够的功率转化效率。此外，钌络合物昂贵。另外，这样的染料必须使用挥发性有机溶剂、共溶剂和稀释剂来施加，因为它们不能分散在水中。挥发性有机化合物(VOC)是会影响环境和人类健康的重要污染物。虽然VOC通常没有剧毒，但是它们可能具有长期的健康和环境影响。由于这个原因，全世界的政府正在寻求降低VOC的水平。

一种类型的染料敏化的光伏电池被称为Gratzel电池。Hamann等，(2008),Advancing beyond current generation dye-sensitized solar cells,EnergyEnviron.Sci.1:66-78(其公开内容通过引用整体并入本文)描述了Gratzel电池。所述Gratzel电池包括在光伏电池中用作光负极的结晶二氧化钛纳米颗粒。二氧化钛涂覆有光敏染料。二氧化钛光负极包括形成12μm透明膜的10-20nm直径的二氧化钛颗粒。12μm二氧化钛膜通过烧结10-20nm直径的二氧化钛颗粒以使它们具有高表面积而制成。二氧化钛光负极还包括直径为约400nm的二氧化钛颗粒的4μm膜。涂覆的二氧化钛膜位于两个透明导电氧化物(TCO)电极之间。在这两个TCO电极之间还设置有具有氧化还原穿梭电对(redoxshuttle)的电解质。