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高效率染料敏化太陽能電池的制作方法

文檔序號:7111060閱讀:357來源:國知局
專利名稱:高效率染料敏化太陽能電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及染料敏化太陽能電池,其特征在于由吸光染料敏化的多孔半導體電極、對電極以及包含氧化還原電對的電解質(zhì)組成。
背景技術(shù)
作為一種低價的太陽能電池,染料敏化太陽能電池(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。在染料敏化太陽能電池中,光通常是由吸附到多孔寬禁帶半導體(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,將電子注入到半導體的導帶,成為氧化態(tài)染料。隨后,氧化態(tài)染料被電解質(zhì)中的氧化還原電對再生。
目前,染料敏化太陽能電池領(lǐng)域中,最高的電池效率可以達到11%,是由基于釕的金屬絡(luò)合物染料和含Γ/ι3-電對的電解質(zhì)組成的電池所得到的。
對于染料敏化太陽能電池的大規(guī)劃生產(chǎn),有必要找到一種氧化還原電對來替代具有腐蝕性的Γ/ι3-電對。Γ/ι3-系統(tǒng)的應用,受到較低的氧化還原電勢、對金屬的腐蝕性和 I3-對光的競爭性吸收等方面的限制。透明導電基底較高的電阻限制了大面積染料敏化太陽能電池和組件的制作。解決這一問題的一個方法是在導電基底上加入收集電子的金屬導線。因此,Γ/ι3-電對對于大部分金屬和封裝材料的腐蝕性,限制了染料敏化太陽能電池規(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)的電對受到了仔細的研究。目前,最好的是基于二硫醚/巰基化合物的氧化還原電對,在一個標準太陽光強下,效率達到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,本發(fā)明的主要目的是至少克服上述的一個問題,并且提高染料敏化太陽能電池的使用壽命和光電轉(zhuǎn)換效率。
染料敏化太陽電池由吸光染料敏化的多孔半導體、對電極和含有氧化還原電對的電解質(zhì)組成。本發(fā)明提供了一種染料敏化太陽能電池,其特征在于,有機光敏染料和單電子轉(zhuǎn)移氧化還原電對的結(jié)合使用。
外層單電子轉(zhuǎn)移氧化還原電對(如鈷絡(luò)合物),相對于碘來說對可見光的吸收弱, 且對金屬化合物的腐蝕性更小。但不幸的是,單電子轉(zhuǎn)移氧化還原電對的使用會增強TiO2 導帶中電子的復合。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)的復合預計是緩慢的。之前的研究表明,染料敏化太陽能電池中,鈷電對的性能受到染料再生慢、在多孔TiO2半導體中的傳輸問題和TiO2導帶中電子和鈷(III)化合物快速復合引起的。染料再生速率可以使用一個快速氧化還原電對(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,從而減少其與電對的快速復合。然而,其主要缺點是鈷電對的再生問題、質(zhì)量傳輸問題或是電子復合問題,電子給體連接華團電子受沐吸附莘團
其特征在于,染料結(jié)構(gòu)可以包含一個具有三芳基胺結(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可以是一個吸電子基團;π可以是一系列一個或多個共軛的單元,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)明的染料敏化太陽能電池的實施例中,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)及其相應的低聚變種中任一項。
在根據(jù)本發(fā)明的染料敏化太陽能電池的實施例中,有機染料可以優(yōu)選地包含三芳基胺類基團(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,如氰基丙烯酸和繞丹寧-3-乙酸,或基于磷或硫的吸附基團,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,每個單元環(huán)中包含至多4個周期表中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)明的實施例中的染料敏化型太陽能電池中,優(yōu)選的有機染料可以是D29。結(jié)構(gòu)式如下
權(quán)利要求
1.一種染料敏化太陽能電池,包含由吸光染料敏化的中孔半導體、對電極和含有氧化還原介體的電解質(zhì),其特征在于,有機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能電池,其特征在于,所述的有機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能電池,其特征在于,所述的有機染料包含抑制半導體中的電子和所述電解質(zhì)中受體物種之間復合的空間位阻基團。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項所述的染料敏化太陽能電池,其特征在于,所述的有機染料含有三苯胺。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的染料敏化太陽能電池,其中所述的有機染料具有下列結(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)及其相應的低聚變體中的任一項。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的染料敏化太陽能電池,其中A包含羧酸官能團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,如膦酸酯或磺酸酯的形式。
8.根據(jù)權(quán)利要求5-7中的任意一項所述的染料敏化太陽能電池,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)單元的每個環(huán)包含至多4個周期表中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)利要求中任一項所述的染料敏化太陽能電池,其中所述有機染料是具有下式的D29
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的染料敏化太陽能電池,其特征在于,所述有機染料具有至少TOOOOM-1Cnr1的消光系數(shù)。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的染料敏化太陽能電池,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、含有有機配體的鈷絡(luò)合物。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的染料敏化太陽能電池,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)利要求中任一項所述的染料敏化太陽能電池,其特征在于,所述對電極的材料包括鉬。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的染料敏化太陽能電池,其特征在于,所述對電極的材料包括碳。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的染料敏化太陽能電池,其特征在于,所述中孔半導體包括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能電池大規(guī)模生產(chǎn)的氧化還原電對,因為相對于I-/I3-系統(tǒng)來講,其對金屬導線的腐蝕性和對光的吸收都更小。我們在此研究了基于鈷絡(luò)合物的染料敏化太陽能電池中,染料和氧化還原電對的空間結(jié)構(gòu)對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能電池的復合和質(zhì)量傳輸問題都有所減小。在有機光敏染料中引入的具有空間位阻的烷氧基,有效地抑制了復合,使空間結(jié)構(gòu)較小的鈷絡(luò)合物氧化還原電對得以使用。采用將三芳基胺類有機染料和基于[Co(bpy)3]3+/2+的電解質(zhì)相結(jié)合的染料敏化太陽能電池,在AM1.5G(1000Wm-2)一個標準太陽光強下的光電轉(zhuǎn)換效率為6.3%,十分之一標準太陽光強下的效率為7.8%。高摩爾消光系數(shù)的有機染料可以替代標準的釕絡(luò)合物染料,來制備膜厚度較薄的染料敏化太陽能電池,可以有效地避免鈷絡(luò)合物氧化還原電對的快速復合和質(zhì)量傳輸限制問題。由有機染料敏化、基于鈷氧化還原電對的染料敏化太陽能電池在室內(nèi)的應用很有前景,因為其在弱光下的效率和電壓都很高。
文檔編號H01G9/20GK103003903SQ201180032012
公開日2013年3月27日 申請日期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·費尓特, 埃里克·加布里埃爾松 申請人:迪納莫公司
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