專利名稱：高效率染料敏化太陽(yáng)能電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及染料敏化太陽(yáng)能電池，其特征在于由吸光染料敏化的多孔半導(dǎo)體電極、對(duì)電極以及包含氧化還原電對(duì)的電解質(zhì)組成。
背景技術(shù)：
作為一種低價(jià)的太陽(yáng)能電池，染料敏化太陽(yáng)能電池(DSC)有可能替代以硅為基礎(chǔ)的光伏設(shè)備，并因此受到了廣泛的關(guān)注。在染料敏化太陽(yáng)能電池中，光通常是由吸附到多孔寬禁帶半導(dǎo)體(通常為TiO2)的染料分子吸收。吸收光以后，受到光激發(fā)以后的染料，將電子注入到半導(dǎo)體的導(dǎo)帶，成為氧化態(tài)染料。隨后，氧化態(tài)染料被電解質(zhì)中的氧化還原電對(duì)再生。
目前，染料敏化太陽(yáng)能電池領(lǐng)域中，最高的電池效率可以達(dá)到11%，是由基于釕的金屬絡(luò)合物染料和含Γ/ι3-電對(duì)的電解質(zhì)組成的電池所得到的。
對(duì)于染料敏化太陽(yáng)能電池的大規(guī)劃生產(chǎn)，有必要找到一種氧化還原電對(duì)來替代具有腐蝕性的Γ/ι3-電對(duì)。Γ/ι3-系統(tǒng)的應(yīng)用，受到較低的氧化還原電勢(shì)、對(duì)金屬的腐蝕性和 I3-對(duì)光的競(jìng)爭(zhēng)性吸收等方面的限制。透明導(dǎo)電基底較高的電阻限制了大面積染料敏化太陽(yáng)能電池和組件的制作。解決這一問題的一個(gè)方法是在導(dǎo)電基底上加入收集電子的金屬導(dǎo)線。因此，Γ/ι3-電對(duì)對(duì)于大部分金屬和封裝材料的腐蝕性，限制了染料敏化太陽(yáng)能電池規(guī)模的放大。
最近，為了避免r/I3_引起的問題，一些替代Γ/Ι3_系統(tǒng)的電對(duì)受到了仔細(xì)的研究。目前，最好的是基于二硫醚/巰基化合物的氧化還原電對(duì)，在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光強(qiáng)下，效率達(dá)到6. 4%ο
發(fā)明內(nèi)容
鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述和其它的缺點(diǎn)，本發(fā)明的主要目的是至少克服上述的一個(gè)問題，并且提高染料敏化太陽(yáng)能電池的使用壽命和光電轉(zhuǎn)換效率。
染料敏化太陽(yáng)電池由吸光染料敏化的多孔半導(dǎo)體、對(duì)電極和含有氧化還原電對(duì)的電解質(zhì)組成。本發(fā)明提供了一種染料敏化太陽(yáng)能電池，其特征在于，有機(jī)光敏染料和單電子轉(zhuǎn)移氧化還原電對(duì)的結(jié)合使用。
外層單電子轉(zhuǎn)移氧化還原電對(duì)(如鈷絡(luò)合物)，相對(duì)于碘來說對(duì)可見光的吸收弱， 且對(duì)金屬化合物的腐蝕性更小。但不幸的是，單電子轉(zhuǎn)移氧化還原電對(duì)的使用會(huì)增強(qiáng)TiO2 導(dǎo)帶中電子的復(fù)合。然而，根據(jù)還原到鈷(II)的電子自旋，光激發(fā)注入電子與鈷(III)的復(fù)合預(yù)計(jì)是緩慢的。之前的研究表明，染料敏化太陽(yáng)能電池中，鈷電對(duì)的性能受到染料再生慢、在多孔TiO2半導(dǎo)體中的傳輸問題和TiO2導(dǎo)帶中電子和鈷(III)化合物快速?gòu)?fù)合引起的。染料再生速率可以使用一個(gè)快速氧化還原電對(duì)(如二茂鐵或多多吡啶鐵)，與鈷(II) 共同作用解決。最近，大量研究集中于用原子層沉積(ALD)鈍化TiO2表面，從而減少其與電對(duì)的快速?gòu)?fù)合。然而，其主要缺點(diǎn)是鈷電對(duì)的再生問題、質(zhì)量傳輸問題或是電子復(fù)合問題，電子給體連接華團(tuán)電子受沐吸附莘團(tuán)
其特征在于，染料結(jié)構(gòu)可以包含一個(gè)具有三芳基胺結(jié)構(gòu)的電子給體，其中Ar和 Ar'為具有給電子性的芳香性取代基;A可以是一個(gè)吸電子基團(tuán)；π可以是一系列一個(gè)或多個(gè)共軛的單元，將染料的電子給體和電子受體連結(jié)起來。
在根據(jù)本發(fā)明的染料敏化太陽(yáng)能電池的實(shí)施例中，Ar和Ar'可以是苯基、噻吩、 呋喃、萘基-衍生物和其他的多環(huán)芳族烴類、稠合雜環(huán)系統(tǒng)及其相應(yīng)的低聚變種中任一項(xiàng)。
在根據(jù)本發(fā)明的染料敏化太陽(yáng)能電池的實(shí)施例中，有機(jī)染料可以優(yōu)選地包含三芳基胺類基團(tuán)(TPA)。
在上面的結(jié)構(gòu)中的A可以優(yōu)選地包含羧酸類官能團(tuán)，如氰基丙烯酸和繞丹寧-3-乙酸，或基于磷或硫的吸附基團(tuán)，如膦酸或磺酸類結(jié)構(gòu)的形式。
此外，上述結(jié)構(gòu)中的π結(jié)構(gòu)，可以包含5或6元不飽和(雜)環(huán)單元，每個(gè)單元環(huán)中包含至多4個(gè)周期表中IVA-VIA族中的雜原子，主要是苯基、噻吩、呋喃、吡咯、噻唑、惡唑、或它們稠合的和多環(huán)的變形，如噻吩并[3，2-b]噻吩、二噻吩并[3，2-b '2' ,V -d] B塞吩、吩噻嗪、吩惡嗪、4氫-噻咯[3，2-b 4, 5-Y ] 二噻吩或咔唑。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中的染料敏化型太陽(yáng)能電池中，優(yōu)選的有機(jī)染料可以是D29。結(jié)構(gòu)式如下
權(quán)利要求
1.一種染料敏化太陽(yáng)能電池，包含由吸光染料敏化的中孔半導(dǎo)體、對(duì)電極和含有氧化還原介體的電解質(zhì)，其特征在于，有機(jī)吸光染料和單電子轉(zhuǎn)移氧化還原介體結(jié)合使用。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的染料敏化太陽(yáng)能電池，其特征在于，所述的有機(jī)染料包含大體積的烷氧供電子性取代基。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的染料敏化太陽(yáng)能電池，其特征在于，所述的有機(jī)染料包含抑制半導(dǎo)體中的電子和所述電解質(zhì)中受體物種之間復(fù)合的空間位阻基團(tuán)。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的染料敏化太陽(yáng)能電池，其特征在于，所述的有機(jī)染料含有三苯胺。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的染料敏化太陽(yáng)能電池，其中所述的有機(jī)染料具有下列結(jié)構(gòu)
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的染料敏化太陽(yáng)能電池，其中所述Ar和Ar'是苯基、噻吩、呋喃、萘基-衍生物和其他的多環(huán)芳族烴、稠合雜環(huán)系統(tǒng)及其相應(yīng)的低聚變體中的任一項(xiàng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的染料敏化太陽(yáng)能電池，其中A包含羧酸官能團(tuán)如氰基丙烯酸和繞丹寧-3-乙酸，或者基于磷或硫的結(jié)合基團(tuán)，如膦酸酯或磺酸酯的形式。
8.根據(jù)權(quán)利要求5-7中的任意一項(xiàng)所述的染料敏化太陽(yáng)能電池，其中π包含5或6元不飽和(雜)環(huán)單元的組合，所述5或6元不飽和(雜)環(huán)單元的每個(gè)環(huán)包含至多4個(gè)周期表中IVA-VIA族中的雜原子，主要是苯基、噻吩、呋喃、吡咯、噻唑、嚷唑，或它們稠合的和多環(huán)的變體，如噻吩并[3，2-b]噻吩、二噻吩并[3，2-b '2' ,V -d]噻吩、吩噻嗪、吩卩甚嗪、4Η-硅雜環(huán)戊二烯并[3，2-b -A,5-h' ] 二噻吩和咔唑。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的染料敏化太陽(yáng)能電池，其中所述有機(jī)染料是具有下式的D29
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的染料敏化太陽(yáng)能電池，其特征在于，所述有機(jī)染料具有至少TOOOOM-1Cnr1的消光系數(shù)。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的染料敏化太陽(yáng)能電池，其特征在于，所述單電子轉(zhuǎn)移氧化還原介體是以鈷原子為中心原子、含有有機(jī)配體的鈷絡(luò)合物。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的染料敏化太陽(yáng)能電池，其特征在于，所述單電子轉(zhuǎn)移氧化還原介體是聚吡啶鈷絡(luò)合物。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的染料敏化太陽(yáng)能電池，其特征在于，所述對(duì)電極的材料包括鉬。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的染料敏化太陽(yáng)能電池，其特征在于，所述對(duì)電極的材料包括碳。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的染料敏化太陽(yáng)能電池，其特征在于，所述中孔半導(dǎo)體包括Ti02。
全文摘要
含多吡啶結(jié)構(gòu)鈷絡(luò)合物，是以一種非常適用于染料敏化太陽(yáng)能電池大規(guī)模生產(chǎn)的氧化還原電對(duì)，因?yàn)橄鄬?duì)于I-/I3-系統(tǒng)來講，其對(duì)金屬導(dǎo)線的腐蝕性和對(duì)光的吸收都更小。我們?cè)诖搜芯苛嘶阝捊j(luò)合物的染料敏化太陽(yáng)能電池中，染料和氧化還原電對(duì)的空間結(jié)構(gòu)對(duì)電子壽命和裝置總體光電轉(zhuǎn)換效率的影響。通過將含空間位阻三芳基胺結(jié)構(gòu)的有機(jī)染料和多吡啶鈷絡(luò)合物的空間結(jié)構(gòu)相匹配，基于鈷的染料敏化太陽(yáng)能電池的復(fù)合和質(zhì)量傳輸問題都有所減小。在有機(jī)光敏染料中引入的具有空間位阻的烷氧基，有效地抑制了復(fù)合，使空間結(jié)構(gòu)較小的鈷絡(luò)合物氧化還原電對(duì)得以使用。采用將三芳基胺類有機(jī)染料和基于[Co(bpy)3]3+/2+的電解質(zhì)相結(jié)合的染料敏化太陽(yáng)能電池，在AM1.5G(1000Wm-2)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光強(qiáng)下的光電轉(zhuǎn)換效率為6.3％，十分之一標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光強(qiáng)下的效率為7.8％。高摩爾消光系數(shù)的有機(jī)染料可以替代標(biāo)準(zhǔn)的釕絡(luò)合物染料，來制備膜厚度較薄的染料敏化太陽(yáng)能電池，可以有效地避免鈷絡(luò)合物氧化還原電對(duì)的快速?gòu)?fù)合和質(zhì)量傳輸限制問題。由有機(jī)染料敏化、基于鈷氧化還原電對(duì)的染料敏化太陽(yáng)能電池在室內(nèi)的應(yīng)用很有前景，因?yàn)槠湓谌豕庀碌男屎碗妷憾己芨摺?br> 文檔編號(hào)H01G9/20GK103003903SQ201180032012
公開日2013年3月27日 申請(qǐng)日期2011年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月29日
發(fā)明者伊麗莎白·吉布森, 桑德拉·費(fèi)尓特, 埃里克·加布里埃爾松 申請(qǐng)人:迪納莫公司