專利名稱：具有箔電極的染料敏化太陽能電池的制作方法
對相關(guān)申請的引用以下共同擁有的申請及專利在此引入作為參考James L.Spivack和Harish R.Acharya的名稱為“Structured Dye SensitizedSolar Cell”的順序號為10/316,317的美國專利申請，其與本申請同時提交；James L.Spivack和Donald F.Foust的名稱為“Structured Micro-ChannelSemiconductor Electrode For Photovoltaic Cells”的順序號為10/316,519的美國專利申請，其與本申請同時提交；以及James L.Spivack，Harish R.Acharya和Donald F.Foust的名稱為“DyeSensitized Solar Cell Having Finger Electrodes”的順序號為10/316,498的美國專利申請，其與本申請同時提交。
背景技術(shù)：
一般說來，為將光能轉(zhuǎn)換成各種應(yīng)用中的電而實施光電系統(tǒng)。由光電系統(tǒng)進行的能源生產(chǎn)與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比提供了很多優(yōu)勢。這些優(yōu)勢可包括但不局限于低運行成本、高可靠性、模塊性、低建造成本及環(huán)境有益?？梢岳斫猓怆娤到y(tǒng)通常稱為“太陽能電池”，之所以這樣稱謂是因為它們的由太陽光產(chǎn)生電的能力。
傳統(tǒng)太陽能電池通過利用存在于半導(dǎo)體結(jié)處的光電效應(yīng)將光轉(zhuǎn)換成電。因此，傳統(tǒng)太陽能電池通常具有半導(dǎo)體層從而產(chǎn)生電子流(electron current)。該半導(dǎo)體層通常吸收入射光從而產(chǎn)生受激電子。除了該半導(dǎo)體層以外，太陽能電池通常還包括玻璃蓋(glass cover)或其他密封物、防反射層、允許電子進入電路的前接觸電極、以及后接觸電極，該后接觸電極允許電子在由于曝光受激電子注入該半導(dǎo)體層時完成該電路。
一種特殊類型的太陽能電池是染料敏化太陽能電池。染料敏化太陽能電池通常使用有機染料來吸收入射光，從而產(chǎn)生受激電子。染料敏化太陽能電池通常包括布置成三明治(sandwich)結(jié)構(gòu)的兩個平板傳導(dǎo)電極。涂有染料的半導(dǎo)體膜將該兩個電極分隔開，所述電極例如可包括被覆透明導(dǎo)電氧化物(TCO)膜的玻璃。半導(dǎo)體層是多孔的并且具有高的表面積，因此允許足夠的染料附著在其表面上作為分子單層，從而利于高效的光吸收。電極和半導(dǎo)體膜(起海綿作用)中的孔之間的剩余的中間空間例如用包含諸如三碘化物/碘化物的氧化/還原對(oxidation/reduction couple)的有機電解質(zhì)溶液填充。
例如，制造染料敏化太陽能電池的一種示例性技術(shù)是用諸如氧化鈦(TiO2)或氧化鋅(ZnO)的半導(dǎo)體膜覆蓋導(dǎo)電玻璃板。該半導(dǎo)體膜用染料飽和，并且單層染料分子自組裝在半導(dǎo)體膜中的每個顆粒上，由此“敏化”所述膜。為完成該太陽能電池，包含三碘化物/碘化物的液體電解質(zhì)溶液被引入到該半導(dǎo)體膜中。該電解質(zhì)填充染料敏化半導(dǎo)體膜中剩余的孔和開口。為完成該太陽能電池，形成對于三碘化物還原具有低的超電勢(low overpotential)的第二平板電極，從而制備具有夾在兩個對電極之間的染料敏化半導(dǎo)體和電解質(zhì)復(fù)合物(composite)的結(jié)構(gòu)。
傳統(tǒng)的染料敏化太陽能電池可用平面疊層結(jié)構(gòu)制造，如上所述。染料的光吸收在染料中激發(fā)電子，該電子注入半導(dǎo)體膜中。電子通過穿過膜的相鄰晶體的“隨機行走”而穿過半導(dǎo)體膜向一個電極行進，同時被氧化的染料陽離子，或染料中通過電子的分離而形成的離子，被來自電解質(zhì)中被還原的離子(通常為碘化物)的電子的遷移所還原，導(dǎo)致電解質(zhì)中被氧化的物種(oxidized species)(通常為三碘化物)的形成，被氧化的物種朝向相反電極遷移，在該相反電極處催化劑供應(yīng)缺失的電子從而完成回路。在電子至該電極的隨機行走中，電子會行進顯著距離，并且電子可能通過與電解質(zhì)溶液的組分的結(jié)合而損失，該結(jié)合也稱為“復(fù)合”。在陽光的照射下，半導(dǎo)體中電子的密度可很高，使得這種損失大大降低了最大電壓，因此降低了太陽能電池能達到的效率。通過縮短電子穿過半導(dǎo)體的行進路徑來減少復(fù)合的可能性并因此降低電子經(jīng)過半導(dǎo)體擴散到電極的導(dǎo)電氧化物所用的時間長度是有利的。降低電子的行進距離的一種技術(shù)是降低半導(dǎo)體膜的厚度，并因此而縮短電子到達電極所要行進的距離。不利的是，降低半導(dǎo)體膜的厚度會減少染料中的光吸收，從而降低太陽能電池的效率。
類似地，電子分離產(chǎn)生的氧化劑(通常為三碘化物離子)朝著后電極(backelectrode)行進從而完成回路。因為離子能從與半導(dǎo)體材料被染的表面接觸的電解質(zhì)溶液的任何區(qū)域產(chǎn)生，所以離子可能不得不穿過半導(dǎo)體材料的孔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的迷宮行進一個長距離(例如從前電極到后電極)。電解質(zhì)溶液通常以有機溶劑制造。一般說來，具有高沸點的低揮發(fā)性溶劑-包括離子性液體-更具粘性，并且妨礙離子的擴散至擴散限制了功率輸出并由此限制了太陽能電池的效率的程度。這樣的溶劑在提供電池長壽命方面會有利，尤其是對于聚合物基板上制造的電池，因為隨著時間的流逝聚合物基板會允許具有低沸點的低粘性溶劑擴散出太陽能電池。降低離子的行進距離可以有利地減小離子的慢擴散造成的局限。然而，如前所述，降低半導(dǎo)體膜的厚度會減小染料的光吸收能力。
這樣，雖然增加半導(dǎo)體膜的厚度以及由此增加膜的表面積從而提供增加的光吸收是有利的，但是半導(dǎo)體膜越厚，電子和離子會行進更大的距離以抵達電極。盡管更長的光程對于促進更大的光吸收會是所需要的，但由于電子在半導(dǎo)體層內(nèi)的增加的復(fù)合引起的損失、以及穿過半導(dǎo)體孔中的電解質(zhì)的慢速離子擴散引起的對電流的限制使半導(dǎo)體膜的增加的厚度是不利的，因為它會導(dǎo)致更低效率的太陽能電池。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本技術(shù)的一個方面，提供一種太陽能電池，包括包括透明材料的第一平板電極(planar electrode)；第二電極，大致在離所述第一電極一距離處設(shè)置，并且包括在與所述第一平板電極的表面的方向不同的方向上延伸的金屬箔部分；以及與所述第二電極電連接的多孔染料敏化半導(dǎo)體材料。
根據(jù)本技術(shù)的另一方面，提供一種太陽能電池，包括第一電極，具有平板部分及從其延伸的多個納米線；第二電極，與該第一電極電隔離，并且大致平行于該第一電極的該平板部分設(shè)置；多孔染料敏化半導(dǎo)體層，形成在該第一電極的平板部分和納米線的表面上；以及設(shè)置在該半導(dǎo)體層上的電解質(zhì)溶液。
根據(jù)本技術(shù)的又一方面，提供一種太陽能電池，包括含多孔染料敏化半導(dǎo)體層的第一電極，該半導(dǎo)體層具有貫穿之的多個腔，其中該多個腔中的每一個通過壁與每個相鄰的腔隔開；第二電極，與該第一電極電隔離，并且近似垂直于該第一電極的該多個腔設(shè)置；以及電解質(zhì)溶液，設(shè)置在該第一電極的該多個腔的每一個內(nèi)。
根據(jù)本技術(shù)的再一方面，提供一種形成太陽能電池的方法，包括步驟在基板上設(shè)置導(dǎo)電層；形成多個納米線，其中該納米線與該導(dǎo)電層電連接并自該導(dǎo)電層延伸；在該多個納米線的每一個上及該導(dǎo)電層上形成半導(dǎo)體層；用染料覆蓋該半導(dǎo)體層，從而形成染料敏化半導(dǎo)體層；以及在染料敏化半導(dǎo)體層上設(shè)置電解質(zhì)溶液。
根據(jù)本技術(shù)的另一方面，提供一種形成太陽能電池的方法，包括步驟在基板上設(shè)置導(dǎo)電箔層；氧化該導(dǎo)電箔層，從而形成具有貫穿其中的多個腔的半導(dǎo)體層；用染料覆蓋該半導(dǎo)體層，從而形成染料敏化半導(dǎo)體層；以及在該染料敏化半導(dǎo)體層的每個腔中設(shè)置電解質(zhì)溶液。


通過閱讀以下詳細描述并通過參照附圖，本發(fā)明的優(yōu)點和特征將變得更加明顯，其中圖1示出染料敏化太陽能電池的一示例性實施例的橫截面圖；圖2示出根據(jù)本技術(shù)的具有納米線電極的太陽能電池的一示例性實施例的橫截面圖；以及圖3示出根據(jù)本技術(shù)的具有納米蜂窩電極的太陽能電池的一示例性實施例的橫截面圖；圖4示出了示例性納米蜂窩電極的俯視圖。
具體實施例方式
圖1示出了染料敏化太陽能電池10的一示例性實施例。可以理解，太陽能電池10可通過實施平面疊層結(jié)構(gòu)來構(gòu)造。太陽能電池10可通過實施多種技術(shù)中的任一種及使用各種材料來制造，這能夠被本領(lǐng)域的技術(shù)人員所理解。在一個實施例中，例如納米晶二氧化鈦(TiO2)層12的半導(dǎo)體材料層可設(shè)置在諸如玻璃基板的透明基板14上?；?4用諸如透明導(dǎo)電氧化物(TCO)層的導(dǎo)電層覆蓋。TCO覆蓋的透明基板14形成太陽能電池10的前電極。可以理解，基板14可包括其他透明材料，例如塑料。例如，TiO2層12可設(shè)置為5-20微米范圍內(nèi)的一厚度。TiO2層12通常設(shè)置為至少10微米厚，以利于光吸收，這在下文將進一步解釋。示例性太陽能電池10的TiO2層12具有約10微米的厚度，如圖1所示。TiO2層12可被燒結(jié)、干燥和擠壓，或被化學(xué)修飾，從而提供機械強度、電導(dǎo)率和對基板的粘附性。
后電極16可位于TiO2層12之上。后電極16可被鍍鉑或碳化的TCO層覆蓋。后電極16可被定位來使得在TiO2層12與后電極16之間具有一小間隔(例如1微米)。因此，于TiO2層12和后電極16之間可存在最小的接觸點(或者無接觸點，如本示例性實施例中那樣)。諸如例如有機材料或玻璃的密封件(seal)18被設(shè)置來密封太陽能電池10的邊緣。可以理解，當太陽能電池10的高度在5-20微米的范圍內(nèi)時，太陽能電池10的橫向尺寸(即每個密封件18之間)可在例如0.5-10厘米的范圍內(nèi)。例如，示例性太陽能電池10的橫向尺寸被顯示為具有約1-10厘米的示例性范圍。
后電極16可包括填充孔(未示出)，通過所述孔可以注入適于敏化氧化鈦層12的染料溶液。本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解，用于飽和與敏化TiO2層12的染料例如可包括二吡啶羧酸(bipyridine carbonoxylic acid)VIII族金屬絡(luò)合物，如(4，4′-二羧基-2，2′-二吡啶)2硫氰酸)2釕(RU(4，4′-dicarbonxy-2，2′-bipyridyl)2SCN)2)。一旦TiO2層12被飽和，則染料涂覆的TiO2層12可被沖洗和清潔，這可被本領(lǐng)域技術(shù)人員理解。電解質(zhì)層20通過后電極16中的填充孔注入，從而填充半導(dǎo)體膜中的孔及玻璃基板14和后電極16之間的剩余空間。電解質(zhì)層20促進被入射光源22，例如太陽光，曝光時染料敏化TiO2層12中通過電子的分離而形成的離子的運動，如下文進一步解釋那樣。最后，填充孔可被封閉，且玻璃基板14和后電極16之間形成電聯(lián)系。
參照圖1所示，穿過敏化TiO2層12的光程(light path)大約為10微米。當入射光源22經(jīng)過玻璃基板14導(dǎo)入時，入射光激發(fā)染料內(nèi)的電子，且該電子被傳輸進TiO2層12。該電子通過“隨機行走”穿過TiO2層12內(nèi)的相鄰晶體而遷移。當TiO2層12內(nèi)的任意顆粒與玻璃基板14的最大距離為大約10微米時，則因為電子穿過TiO2層12內(nèi)的相鄰納米晶體隨機遷移，所以電子行進經(jīng)過TiO2層12到達玻璃基板14的距離會顯著大于10微米。在電子至玻璃基板14的隨機行走過程中，電子可通過與電解質(zhì)層20的組分結(jié)合而損失。通常，電子經(jīng)過TiO2層12擴散到下面的TCO涂覆的基板14所用的時間越長，電子越可能不利地復(fù)合。在陽光的照射下，TiO2層12中電子的密度可足夠高，使得損失顯著地降低最大電壓并由此降低太陽能電池10可達到的效率。如前所述，降低TiO2層12的厚度以減少隨機行走過程中電子復(fù)合的可能性(由此縮短電子的遷移路徑)是不利的，因為降低TiO2層12的厚度降低了TiO2層12的光吸收能力。
此外，通過電解質(zhì)的組分與氧化的染料分子的反應(yīng)形成的離子經(jīng)過電解質(zhì)20遷移到后電極16從而完成電路(circuit)，該氧化的染料分子已經(jīng)將電子注入到半導(dǎo)體-這里為TiO2層12-中。因為TiO2層12是“多孔的”并因此包含孔的連續(xù)系統(tǒng)，所以電解質(zhì)20內(nèi)的離子能擴散通過TiO2層12。在本示例性實施例中，從任意離子到后電極16的最大距離為TiO2層12的厚度加上TiO2層12與后電極16之間的額外間隔。在本示例性實施例中，從任意離子到后電極的最大距離為約11微米。如上所述，電解質(zhì)層20通常是有機溶劑。盡管極性的、穩(wěn)定的且非粘性的溶劑是所期望的，但是太陽能電池10中填充的溶劑諸如乙腈(acetonitrile)通常是揮發(fā)性的。一般說來，較低揮發(fā)性的溶劑更粘，并阻礙離子的擴散至擴散限制了太陽能電池10的功率輸出以及因此限制了其效率的程度。在提供塑料基板14的太陽能電池10中，揮發(fā)性溶劑的損失可產(chǎn)生更大問題。
總之，圖1的太陽能電池10包括TiO2層12，其涂覆了染料且以大約10微米的厚度設(shè)置在TCO覆蓋的平面基板14上。鍍鉑的TCO覆蓋的玻璃基板構(gòu)成后電極16。TiO2層12直接接觸玻璃基板14，從而提供用于受激電子的電連接，且接觸面積有利地被最大化以提供更多的經(jīng)過TiO2層12到基板14的電子路徑。相反，TiO2層12與后電極層16之間的接觸面積被最小化，并且在本示例性實施例中不存在(即TiO2層12與電極層16電隔離)。經(jīng)過TiO2層12的最短光程為10微米。雖然為提供更多的光吸收更長的光程會是所希望的，但是由于增加的復(fù)合導(dǎo)致的損失和來自離子擴散限制的損失使更厚層的太陽能電池10更低效。
圖2-4示出根據(jù)本技術(shù)制造的改進的太陽能電池。一般說來，構(gòu)造金屬箔，從而形成電極，并提供縮短的經(jīng)過半導(dǎo)體材料到電極的電子路徑長度和/或縮短的經(jīng)過電解質(zhì)到鍍鉑或碳化的電極的離子路徑長度。有利地，本技術(shù)可減少復(fù)合損失，并可減少電解質(zhì)中的擴散損失，從而提高太陽能電池的效率。因為太陽能電池的效率是電池產(chǎn)生的能源的成本中的主要考慮因素，所以本技術(shù)也有利地降低了所生產(chǎn)的每瓦(watt)的成本。
具體參照圖2，示出了實施根據(jù)本技術(shù)制造的電極的第一實施例的太陽能電池24的橫截面圖。太陽能電池24包括第一電極26，該第一電極具有設(shè)置在基板28上的平板部分。例如，基板28可包括玻璃。第一電極26的平板部分包括金屬箔。金屬箔有利地抵抗碘腐蝕，使得第一電極26的結(jié)構(gòu)完整性不會被太陽能電池24中的電解質(zhì)溶液損害。在一示例性實施例中，第一電極26的平板部分包含鈦(Ti)?？梢岳斫猓部墒褂闷渌线m的金屬，例如Mo基鋼(Mo-based steel)、高硅基鋼(high silicon-based steel)、斯特萊特硬質(zhì)合金6、哈司特鎳合金C、不銹鋼304、309、316及317、鈮、鉭或鉬。
第一電極26還包含從第一電極26的平板部分的表面延伸的多個納米線30。納米線30包含導(dǎo)電金屬箔，其被構(gòu)造來形成從第一電極26的平板部分延伸的納米線30。盡管圖2示出的示例性實施例的納米線30包括近似垂直于第一電極26的平板部分延伸的結(jié)構(gòu)，但納米線30可從平板部分以非垂直配置延伸。例如，在供選實施例中，每個納米線30可在隨機方向上延伸，且可與相鄰納米線30接觸。而且，納米線30可形成纏結(jié)結(jié)構(gòu)，例如類似鳥巢。
例如，納米線30可包括與第一電極26的平板部分相同的材料。可選擇地，納米線30可包括與用于第一電極26的平板部分的材料不同的導(dǎo)電金屬。在本示例性實施例中，納米線30包括鈦(Ti)。納米線30例如具有大約10至50nm范圍內(nèi)的寬度以及1-50微米范圍內(nèi)的長度。每個納米線30的基部(即納米線30與第一電極26的平板部分相交處的點)之間的間隔可在約每20-800納米的范圍內(nèi)。
納米線30及第一電極26的平板表面涂覆半導(dǎo)體材料32，諸如氧化鈦(TiO2)。半導(dǎo)體材料32通常包含納米晶體材料，該材料包含具有大約10-400nm范圍內(nèi)的直徑的晶粒。第一電極26的平板表面與納米線被覆一層大約為1-2個晶體厚(即大約10-400nm)的半導(dǎo)體材料32。在第一電極26包含鈦的本示例性實施例中，TiO2層(半導(dǎo)體材料32)可以通過第一電極26的直接氧化而形成。第一電極26例如可通過電化學(xué)方式氧化。有利地，電化學(xué)氧化促進第一電極26的平板部分和納米線30的整個表面的完全氧化，因此形成無小孔的表面。盡管用半導(dǎo)體材料32完全覆蓋第一電極26可能是有利的，但是表面可包括半導(dǎo)體材料32內(nèi)的空洞，該空洞處下面的導(dǎo)電納米線30被暴露，如圖2所示。
太陽能電池24還包括第二電極34。第二電極34例如可包括設(shè)置在諸如玻璃的透明基板上的TCO。第二電極34被鍍鉑或碳化，從而提供用于三碘化物離子的催化劑，該三碘化物離子由染料中電子的激發(fā)之后產(chǎn)生的染料離子的還原/氧化產(chǎn)生。一旦納米晶體半導(dǎo)體材料32設(shè)置或形成在第一電極26上，則染料可被引入以飽和TiO2表面并提供染料涂覆的半導(dǎo)體材料32。接著，電解質(zhì)溶液36被注入太陽能電池24，從而填充半導(dǎo)體材料32的納米晶體顆粒之間殘余的孔和空隙，該電解質(zhì)溶液36例如可包含碘化物/三碘化物對?？梢岳斫猓商峁┟芊獠牧?未示出)來氣密地密封太陽能電池24，從而提供免受外部因素影響的保護。
用于形成納米線30的一示例性技術(shù)是以市場上可買到的塑料片來實施，該塑料片例如為聚碳酸酯聚合物片，具有大約等于納米線30的所需長度(例如1-50微米)的厚度。塑料片可設(shè)置在第一電極26的平板部分上，暴露于中子下，并用溶劑處理，由此形成穿過塑料片并至下面的第一電極的平板部分的多個洞或孔。作為替代，洞或孔可在將塑料片設(shè)置在第一電極26上之前生成。每個孔可具有約10-50nm范圍內(nèi)的直徑。然后，諸如鈦(Ti)的金屬可通過例如電沉積(electro-deposition)被設(shè)置在塑料片的孔內(nèi)，從而形成納米線30。然后，塑料片可通過例如化學(xué)清洗被溶解，由此只留下從第一電極26的平板表面延伸的納米線30。第一電極26可被氧化，從而在納米線30和第一電極26的平板部分的表面上電化學(xué)生長半導(dǎo)體晶體(這里為TiO2)，于是形成半導(dǎo)體材料層32。替代地，半導(dǎo)體材料32可通過例如化學(xué)氣相沉積設(shè)置在第一電極26上。另外，即使半導(dǎo)體材料30是電化學(xué)生長的，也可設(shè)置額外的半導(dǎo)體材料32，從而在納米線30之間提供更多的半導(dǎo)體表面積(為了更好的光吸收)。在染料的注入和清洗、以及電解質(zhì)溶液的引入之后，參照圖2所示的結(jié)構(gòu)就得到了。
圖2所示的且使用納米線30的示例性實施例有利地提供了縮短的電子路徑。如先前參照圖1所述那樣，當入射光源38經(jīng)過第二電極34導(dǎo)入時，染料中電子被激發(fā)。被激發(fā)的電子通過隨機行走，經(jīng)過納米晶體半導(dǎo)體材料32行進至第一電極26?？梢岳斫?，通過使用具有納米線30的第一電極26，被激發(fā)的電子的行進距離與圖1所示的示例性太陽能電池10相比可大大減少。特別地，因為太陽能電池24中染料涂覆的半導(dǎo)體材料32的納米晶體定位為距離最近的納米線30僅10-400納米(即約相鄰納米線30之間的間隔的一半)，所以與圖1中太陽能電池10的大約10微米相比，電子行進到第一電極26所用的時間顯著地減少。有利地，電子路徑的縮短以及相應(yīng)的被激發(fā)的電子到達第一電極26所用時間的減少，降低了復(fù)合的可能性。
圖3和4示出了本技術(shù)的可選示例性實施例。具體參照圖3，示出了太陽能電池40的橫截面圖。太陽能電池40包括設(shè)置在諸如玻璃的基板44上的第一電極42。第一電極42例如最初可包括諸如鈦(Ti)或鋅(Zn)的金屬箔層。該金屬箔例如可具有1-50微米范圍內(nèi)的厚度。當金屬箔例如被電化學(xué)地氧化時，穿過金屬箔形成腔46或孔的密堆陣列。腔的橫截面形狀可以是例如圓筒形。腔46的形狀可根據(jù)所使用的氧化技術(shù)而改變。此外，腔46相對于相鄰的腔46的排列可以是六方密堆陣列的排列。也就是說，每個腔46與周圍的六個腔46共享壁48。
可以理解，金屬箔的氧化不僅產(chǎn)生腔46的陣列，也將金屬轉(zhuǎn)換成了半導(dǎo)體層。例如，若第一電極42最初包括鈦(Ti)箔層，則當鈦(Ti)箔層被氧化時，腔46形成且鈦箔被轉(zhuǎn)換為氧化鈦(TiO2)。從而，一旦鈦箔層被氧化，則第一電極42包括晶體氧化鈦(TiO2)層，其具有貫穿其中的、由壁48分隔開的腔46。在本示例性實施例中，在氧化過程中，壁48完全轉(zhuǎn)化為氧化鈦(TiO2)。替代地，有利的是，氧化金屬箔層，使得第一電極42的壁48保留鈦(Ti)芯(core)，其具有形成在腔46的壁48上的氧化鈦(TiO2)層。也就是說，金屬箔層不被完全氧化，從而鈦(Ti)內(nèi)芯保留在第一電極42的壁48內(nèi)。
第一電極42由圖4所示的俯視圖進一步示出。因此，下面的討論參照圖3和4得以更好地理解。如上所述，在一示例性實施例中，鈦箔設(shè)置在基板44上。在電化學(xué)氧化過程中，被壁48分隔開的孔或腔46穿過鈦箔形成，且鈦箔被轉(zhuǎn)化為氧化鈦，由此提供了太陽能電池40的第一電極42。在本示例性實施例中，每個腔46的直徑D可在例如大約10-400nm的范圍內(nèi)，分隔每個腔46的壁48的厚度T可在例如約2-40nm的范圍內(nèi)。
通過制備腔46的陣列，表面積或表面粗糙度(surface roughness factor)顯著地增加。例如，具有約20nm腔直徑D和約5nm壁厚度T的10微米厚的鈦(Ti)箔片可產(chǎn)生每平方米約1000的表面粗糙度。也就是說，該片的表面積增加約1000x。如果腔直徑D為約20nm且壁厚度T為約20nm，則表面粗糙度可為例如每平方米約400。約300-1000的表面粗糙度有利地提供足夠的染料涂覆表面積，從而便于太陽能的有效吸收。
一旦金屬膜被氧化從而形成氧化鈦(TiO2)半導(dǎo)體層，則染料可被導(dǎo)入，從而飽和TiO2表面且提供染料涂覆的晶體氧化鈦(TiO2)層。接著，電解質(zhì)溶液50被注入太陽能電池40，從而填充第一電極42內(nèi)的腔46及氧化鈦(TiO2)材料內(nèi)之間留下的孔和空隙，電解質(zhì)溶液50可包含例如碘化物/三碘化物對。
太陽能電池40還包括第二電極52。第二電極52例如可包含設(shè)置在諸如玻璃的透明基板上的TCO。第二電極52被鍍鉑或碳化從而提供用于三碘化物離子的催化劑，三碘化物離子通過電解質(zhì)溶液50的組分與暴露于入射光期間注射進半導(dǎo)體材料的染料分子的反應(yīng)形成?？梢岳斫?，密封材料(未示出)可被提供從而氣密地密封太陽能電池40，以提供免除外部因素影響的保護。
圖3和4示出的示例性實施例提供了優(yōu)于圖1所示太陽能電池1O的若干優(yōu)勢。本太陽能電池40有利地提供了更短的電子路徑。如上所述，當入射光源54經(jīng)過第二電極52導(dǎo)入時，染料內(nèi)電子被激發(fā)。被激發(fā)的電子通過隨機行走穿過第一電極42的氧化鈦(TiO2)壁48行進?？梢岳斫猓患ぐl(fā)的電子的行進距離與圖1所示的示例性太陽能電池10相比可大大減少。特別地，由于第一電極42的納米蜂窩結(jié)構(gòu)(nano-honeycomb structure)，電子到下面氧化物層的路徑可被更多地控制及更好地限定。這消除或減少了電子的部分隨機遷移，因此縮短了電子行進路徑。而且，如果鈦(Ti)芯層留在壁48內(nèi)，則電子遷移可被進一步改善，因為氧化鈦(TiO2)層直接生長在壁48的下面的鈦表面上，并且氧化鈦(TiO2)層與下面的鈦之間的接觸在整個結(jié)構(gòu)中是最優(yōu)的。因此，電子從氧化鈦(TiO2)層行進到第一電極42的下面的鈦所用的時間可顯著減少。有利地，電子路徑的縮短以及因此被激發(fā)的電子到達TCO覆蓋的基板14所用時間的減少降低了復(fù)合的可能性。此外，因為氧化鈦(TiO2)層由鈦箔片形成，所以無需燒結(jié)工藝，從而減少了用于制造太陽能電池40的步驟。
本實施例的另一優(yōu)點在于，進和出腔46的離子輸運比經(jīng)過彎曲路徑的快得多，所述彎曲路徑因納米晶體氧化鈦(TiO2)層內(nèi)微晶的通常的隨機排列而存在。進一步的優(yōu)勢是，使用電化學(xué)氧化而不是化學(xué)氣相沉積來制備半導(dǎo)體材料(即氧化鈦(TiO2)層)，可良好地控制并更好地限定表面化學(xué)。也就是說，表面懸空鍵、功能性及狀態(tài)更能被限制并易于特性化，因此提供了對染料取向和覆蓋的更多控制，這能被本領(lǐng)域技術(shù)人員理解。且另一優(yōu)勢在于，本示例性實施例通過控制用于形成第一電極42的鈦(Ti)箔的厚度，提供了對光程長度的更精確控制。進一步的優(yōu)勢在于，氧化鈦(TiO2)層的厚度可被控制，從而允許實現(xiàn)最大的電池電位及短路電流。
雖然具體實施例已經(jīng)借助圖中的示例示出并在此得以詳細說明，但是本發(fā)明可容許各種改動和替換形式。然而，應(yīng)該理解本發(fā)明并不局限于在此公開的特定形式。相反，本發(fā)明涵蓋所附權(quán)利要求限定的其主旨和范圍內(nèi)的所有的改動、等同物及替代。
權(quán)利要求
1.一種太陽能電池(24)(40)，包括包括透明材料的第一平板電極(34)(52)；第二電極(26)(42)，其接近位于離開所述第一電極(34)(52)一距離處，并且包括在與所述第一電極(34)(52)的表面的方向不同的方向上延伸的金屬箔部分(30)(42)；以及與所述第二電極(26)(42)電連接的多孔染料敏化半導(dǎo)體材料(32)(48)。
2.如權(quán)利要求1所述的太陽能電池(24)，其中所述第二電極(26)包括平行于所述第一電極(34)的平板部分，且其中所述第二電極(26)的所述金屬箔部分包括與所述平板部分連接且自其延伸的多個納米線(30)。
3.如權(quán)利要求2所述的太陽能電池(24)，其中所述多個納米線(30)的每個包括約10-50nm范圍內(nèi)的寬度，且其中所述多個納米線(30)的每個與所述多個納米線(30)中的最近鄰的一個間隔約10-400nm的范圍。
4.如權(quán)利要求2所述的太陽能電池(24)，其中所述多個納米線(30)的每個包括約1-50微米范圍內(nèi)的長度。
5.如權(quán)利要求1所述的太陽能電池(40)，其中所述第二電極(42)的所述金屬箔部分包括導(dǎo)電片，該導(dǎo)電片具有約1-50微米范圍內(nèi)的厚度并包括貫穿其形成的多個腔(46)，其中所述染料敏化半導(dǎo)體材料形成在所述多個腔(46)的每個內(nèi)。
6.如權(quán)利要求5所述的太陽能電池(40)，其中所述多個腔(46)的每個包括約10-400nm范圍內(nèi)的直徑。
7.如權(quán)利要求5所述的太陽能電池(40)，其中所述多個腔(46)的每個的壁(48)的厚度在約2-40nm的范圍內(nèi)。
8.如權(quán)利要求5所述的太陽能電池(40)，包括設(shè)置在所述多個腔(46)的每個內(nèi)的電解質(zhì)溶液(50)。
全文摘要
具有箔電極(26)(42)的太陽能電池(24)(40)。具體地，使用金屬箔來形成電極，該電極提供更短的從染料敏化半導(dǎo)體材料(32)(48)到電極的電子路徑。在一實施例中，提供了從太陽能電池(24)(40)形成于其上的基板(14)(44)延伸的納米線(30)。在另一實施例中，腔(46)通過氧化形成在導(dǎo)電箔(42)的片中，由此形成半導(dǎo)體材料。半導(dǎo)體材料用染料敏化并且電解質(zhì)溶液(50)設(shè)置在腔(46)中，由此形成染料敏化太陽能電池(42)的陣列。
文檔編號H01G9/20GK1726570SQ200380105970
公開日2006年1月25日 申請日期2003年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月11日
發(fā)明者詹姆斯·L·斯皮瓦克, 約翰·Y·桂, 里德·R·科德曼 申請人:通用電氣公司