高電導(dǎo)性的空穴傳輸材料以及利用其的染料敏化太陽能電池的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種可降低光電子復(fù)合反應(yīng)的高電導(dǎo)性空穴傳輸材料以及利用其的染料敏化太陽能電池。所述空穴傳輸材料利用具有根據(jù)本發(fā)明的化學(xué)式（1）或者（2）表示結(jié)構(gòu)的化合物而形成。所述固相染料敏化太陽能電池包括通過光電聚合或者熱聚合，將所述化合物涂布于無機(jī)氧化物層，從而形成的空穴傳輸材料層。
【專利說明】高電導(dǎo)性的空穴傳輸材料以及利用其的染料敏化太陽能電池
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種降低光電子復(fù)合(photoelectron recombination)反應(yīng)的高電導(dǎo)性空穴傳輸材料以及利用其的染料敏化太陽能電池。更詳細(xì)地說，涉及一種新型的降低光電子復(fù)合反應(yīng)，同時(shí)電導(dǎo)性提高的空穴傳輸材料；以及一種固相(solid state)染料敏化太陽能電池，其通過上述空穴傳輸材料的光電聚合(photoelectrochemical polymerization)或者熱聚合(thermal polymerization)形成高分子電導(dǎo)層,未使用具有腐蝕性的碘和碘離子。
【背景技術(shù)】 [0002]太陽能電池元件是指將太陽光轉(zhuǎn)換成能量，從而直接產(chǎn)生電的元件。其以1839年，法國物理學(xué)家貝克勒爾(Becquerel)發(fā)現(xiàn)了光電動(dòng)勢(shì)，后又發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象還發(fā)生在砸等固體上的事實(shí)為基礎(chǔ)。1991年,瑞士的格雷策爾(Gratzel)研究組公開了將釘(口卜啉)(Ru (P hophyrine))染料化學(xué)吸附至以銳鈦型二氧化鈦為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體薄膜上,并利用包括碘和碘鹽的溶液作為電解質(zhì)而制備的染料敏化太陽能電池(DSSC)，其光電轉(zhuǎn)換效率(light-to-electrical conversion effici ency)約為 10%。由于染料敏化太陽能電池具有優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)換效率，因此被認(rèn)為是能替代現(xiàn)有的硅二極管的最為先進(jìn)的技術(shù)之一。
[0003]一般染料敏化太陽能電池包括:半導(dǎo)體電極，其是通過在摻雜有氟(F)或者銦(In)的具有高電導(dǎo)性的無機(jī)氧化物電極上，涂布由吸附有染料的多孔性二氧化鈦(TiO2)納米粒子構(gòu)成的半導(dǎo)體而成的；相對(duì)電極，其涂布有鉬金(Pt)或者碳(C);電解質(zhì)，其填充于上述兩個(gè)電極之間。即染料敏化太陽能電池具有利用光電化學(xué)反應(yīng)的結(jié)構(gòu)，其是通過在透明電極和金屬電極之間插入吸附有染料的無機(jī)氧化物層和電解質(zhì)或者空穴傳輸材料而實(shí)現(xiàn)的。雖然染料敏化太陽能電池的制備成本比硅太陽能電池約低廉20%，但其具有與無定型硅系列太陽能電池不相上下的高光電轉(zhuǎn)換效率，因此被認(rèn)為具有極高的產(chǎn)業(yè)化可能性(參見美國專利第4，927721號(hào)以及美國專利第5，350，644號(hào))。
[0004]有報(bào)道稱，使用液體電解質(zhì)的染料敏化太陽能電池具有壽命短、由液體電解質(zhì)的滲漏液引起的效率的降低等缺點(diǎn)，而上述染料敏化太陽能電池中使用固體電解質(zhì)或者空穴傳輸材料(HTM)的固相染料敏化太陽能電池可彌補(bǔ)上述缺點(diǎn)。1997年，柳田(Yanagida)研究組公開的染料敏化太陽能電池是利用光電特性，將電導(dǎo)性材料通過光電聚合涂布在吸附有染料的半導(dǎo)體電極上，并在相對(duì)電極達(dá)到涂布上述電導(dǎo)性材料的半導(dǎo)體電極之前，涂布少量包含金屬鹽的離子型液體電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)(參見Murakoshi K, Kogure R, Wada Y, andYanagida S, Chem.Lett., 5,471 (1997))。
[0005]將吸附有染料的半導(dǎo)體電極和相對(duì)電極(鉬金等)，浸潰于溶解了電導(dǎo)性材料的前體和電解質(zhì)的溶液中，并同時(shí)照射可激發(fā)染料的波長(zhǎng)的光，在兩個(gè)電極上施加電流或者電壓，從而實(shí)現(xiàn)依賴光電聚合的電導(dǎo)性材料涂布。光電聚合的原理是從被光激發(fā)的染料中生成電子和空穴，通過施加在兩個(gè)電極的電流或者電壓，溶解于電解質(zhì)的前體在染料周邊發(fā)生氧化，從而實(shí)現(xiàn)聚合。
[0006]以上述結(jié)構(gòu)形成的染料敏化太陽能電池元件的驅(qū)動(dòng)原理是:向吸附有染料的鈦氧化物層照射光后，吸收光子的染料形成激發(fā)子(exci ton)，從基態(tài)變化為激發(fā)態(tài)。此時(shí)，電子-空穴對(duì)各自分離，其中電子注入到電極的無機(jī)氧化物層，空穴移至空穴傳輸材料層。注入的電子通過外部電路的導(dǎo)線向相對(duì)電極移動(dòng)產(chǎn)生電流，后被空穴傳輸材料還原，其不斷的移動(dòng)激發(fā)態(tài)的電子，從而形成電路。
[0007]為提高染料敏化太陽能電池的光電變換效率需要提高短路電流、開放電壓以及最大輸出功率。在固相染料敏化太陽能電池中，由于注入到半導(dǎo)體氧化物的電子和移動(dòng)至空穴傳輸材料的空穴間的復(fù)合反應(yīng)非常大，因此提高上述因素的最佳方法為防止復(fù)合反應(yīng)。由此已開發(fā)出了很多防止光電子和空穴的復(fù)合，或者提高空穴傳輸材料能力等方法。首先，有一種技術(shù)，其在染料或者P-型半導(dǎo)體的空穴傳輸材料中，導(dǎo)入對(duì)鋰進(jìn)行螯合的乙二醇，從而可通過屏障效果防止復(fù)合(參見Henry J.Snaith, Adam J.Moule, CedricKlein, Klaus Meerholz, Richard H.Friend, and Michael Gratzel, Nano Letters,7,3372 (2007) ；Taiho Park,Saif A.Haque, Roberto J.Potter, Andrew B.Hol mes, andJames R.Durrant, Chem, Chem.Comm.11, 2878 (2003))。其次，還有一種技術(shù)，其使用用于摻雜光電聚合用空穴傳輸材料的鹽的陰離子(例如磺酰胺)提升空穴傳輸材料的電導(dǎo)性，從而由此增大短路電流以及開放電壓(參見Jiangbin Xia, Naruhiko Masaki, MonicaLira-Cantu, Yukyeong Kim, Kejian Jiang, and Shozo Yanagi da, J.Am.Chem.Soc., 130,1258 (2008))。然而 制備同時(shí)能滿足上述兩種優(yōu)點(diǎn)的固相染料敏化太陽能電池元件非常困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題
[0009]本發(fā)明的目的在于，提供一種減少光電子復(fù)合反應(yīng)的同時(shí)，還能提高電導(dǎo)性的空穴傳輸材料以及為此提供一種新型的化合物。
[0010]并且，本發(fā)明的目的在于，提供一種固相染料敏化太陽能電池，其具有通過所述化合物的聚合而形成的高分子層，在不使用碘和碘鹽的條件下，還能顯著提高光電轉(zhuǎn)換效率。
[0011]技術(shù)方案
[0012]本發(fā)明提供一種聚合了下述由化學(xué)式(I)或者化學(xué)式(2)表示的化合物的空穴傳輸材料。
[0013]
【權(quán)利要求】
1.一種由下述化學(xué)式(I)或者化學(xué)式(2)表示的化合物:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的化合物中，其特征在于，在所述化學(xué)式(I)中R1以及R2中有一個(gè)是包含1-20個(gè)碳原子的寡聚乙二醇；而所述化學(xué)式(2)中，％、R2以及R4中有一個(gè)是包含1-20個(gè)碳原子的寡聚乙二醇。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的化合物中，其特征在于，所述化合物為1，4-雙-2-(3，4-亞乙二氧基噻吩)-2-(2-甲氧基乙氧基)苯；1，4_雙-2-(3,4-亞乙二氧基噻吩)-2-[2-(2_甲氧基乙氧基)乙氧基]苯；1,4-雙-2- (3，4-亞乙二氧基唾吩)~2~ {2- [2- (2-甲氧基乙氧基)乙氧基]乙氧基 }苯；1，4_雙[2-(3，4-亞乙二氧基)噻吩]_2，5-雙三甘醇苯甲醚；1，4-二溴-2，5-雙[(3，4-亞乙二氧基)噻吩]_2，5-雙四甘醇苯；1，4-二溴-2，5-雙[(3，4-亞乙二氧基)噻吩]三甘醇苯。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的化合物，其特征在于，所述化合物是1，4-雙[2-(3，4_亞乙二氧基)噻吩]_2，5-雙三甘醇苯甲醚。
5.一種包含權(quán)利要求1至4中任意一項(xiàng)所述的一種以上的化合物的溶液。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的溶液，其特征在于，所述溶液中所述化合物的摩爾濃度為0.005-0.5。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或者6所述的溶液，其特征在于，所述溶液包括鋰電解質(zhì)。
8.一種固相染料敏化太陽能電池，其特征在于，在吸附有染料的無機(jī)氧化物半導(dǎo)體電極上，形成將權(quán)利要求1至4的任意一項(xiàng)中所述的一種以上化合物進(jìn)行聚合而得的空穴傳輸層。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的固相染料敏化太陽能電池，其特征在于，所述無機(jī)氧化物半導(dǎo)體電極是二氧化鈦納米粒子。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的固相染料敏化太陽能電池，其特征在于，所述染料包括釕類染料、咕噸染料、花青染料、葉啉染料、蒽醌染料或有機(jī)染料。
11.根據(jù)權(quán)利要求8至10中任意一項(xiàng)所述的固相染料敏化太陽能電池，其特征在于，所述空穴傳輸層摻雜有鋰離子。
12.根據(jù)權(quán)利要求8至11中任意一項(xiàng)所述的固相染料敏化太陽能電池，其特征在于，在所述空穴傳輸層形成了離子型液體電解質(zhì)層。
13.根據(jù)權(quán)利要求8至11中任意一項(xiàng)所述的固相染料敏化太陽能電池，其特征在于，所述空穴傳輸層是光電聚合層。
14.一種固相染料敏化太陽能電池的制備方法，其特征在于，包括: 在所述吸附有染料分子的無機(jī)氧化物半導(dǎo)體電極上，形成包括權(quán)利要求1至4中任意一項(xiàng)所述的一種以上的化合物的空穴傳輸層的步驟； 在所述空穴傳輸層形成離子型液體電解質(zhì)層的步驟；以及 形成第2電極的步驟。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的固相染料敏化太陽能電池的制備方法，其特征在于，所述形成空穴傳輸層的步驟包括將所述化合物進(jìn)行光電聚合或者熱聚合的步驟。
16.根據(jù)權(quán)利要求14至15中任意一項(xiàng)所述的固相染料敏化太陽能電池的制備方法，其特征在于，所述離子型液體電解質(zhì)包括鋰離子。
17.一種制備根據(jù)權(quán)利要求1所述的化學(xué)式(I)的化合物的方法，其特征在于，所述方法包括使下述化學(xué)式(3)表示的化合物和下述化學(xué)式(4)表示的化合物進(jìn)行反應(yīng)的步驟:
18.一種下述化學(xué)式(3)表示的化合物:
【文檔編號(hào)】H01L31/042GK103748097SQ201280038674
【公開日】2014年4月23日 申請(qǐng)日期:2012年1月31日 優(yōu)先權(quán)日:2011年8月4日
【發(fā)明者】樸泰鎬, 宋仁永 申請(qǐng)人:浦項(xiàng)工科大學(xué)校產(chǎn)學(xué)協(xié)力團(tuán)