染料敏化太陽能電池以及制造太陽能電池的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明關(guān)于一種染料敏化太陽能電池。本發(fā)明還關(guān)于一種制造染料敏化太陽能電池的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]染料敏化太陽能電池(DSC, dye-sensitized solar cell)在過去20年來已經(jīng)有所發(fā)展且以如同光合作用的類似原理而運(yùn)作。不同于硅太陽能電池，此等電池是運(yùn)用其可便宜地、對環(huán)境無干擾且充裕地制造的染料而從陽光來得到能量。
[0003]—種習(xí)用的夾層式染料敏化太陽能電池具有經(jīng)沉積到一個透明導(dǎo)電基板上的一個數(shù)微米厚的多孔打02電極層。1102電極包含互連的1102金屬氧化物粒子，其通過在Ti02粒子的表面上吸收染料分子所染色且形成一個工作電極。透明導(dǎo)電基板通常是將一種透明導(dǎo)電氧化物沉積到一個玻璃基板上。透明導(dǎo)電氧化物層適用于作為一個電子集極，其從該工作電極取出光產(chǎn)生的電子。Ti02電極是與一種電解質(zhì)以及另一個透明導(dǎo)電基板(即:一個對立(counter)電極)接觸。
[0004]陽光是由染料所獲得，產(chǎn)生光激發(fā)的電子，其被注入到Ti02粒子的導(dǎo)電帶中且進(jìn)而由導(dǎo)電基板所收集。同時(shí)，在氧化還原電解質(zhì)中的I離子將氧化后的染料還原且將所產(chǎn)生的電子受體物種傳送到對立電極。該二個導(dǎo)電基板是在邊緣處被密封，以便保護(hù)DSC模塊為免于周圍的大氣且防止在電池內(nèi)的DSC構(gòu)件的蒸發(fā)或泄漏。
[0005]在過去5到10年期間，已經(jīng)開發(fā)出一種新的DSC-固態(tài)的染料敏化太陽能電池。在此情形，液體電解質(zhì)是由數(shù)種固體的空穴型導(dǎo)電材料的其中一者所取代，諸如:Cu1、CuSCN、P3HT或螺旋(Spiro-)OMeTAD。具有15.0%效率的固態(tài)DSC的制造是通過一種混合式有機(jī)-無機(jī)媽鈦礦(perovskite) CH3NH3PbI3染料所達(dá)成。
[0006]Chung等人在自然(Nature)期刊第485冊報(bào)導(dǎo)一種染料敏化太陽能電池，其具有一種半導(dǎo)體CsSnI3媽鈦礦空穴型導(dǎo)體而不是一種液體電解質(zhì)。
[0007]W0 2013/171520描述其具有一個感光層的一種光電裝置，該感光層包含一種多孔的I丐鈦礦或一種多孔的支架(scaffold)材料，其涂覆包含|丐鈦礦的一種半導(dǎo)體，且一種電荷傳送材料(空穴或電子傳送材料)被沉積在多孔材料的細(xì)孔內(nèi)，使得其與鈣鈦礦半導(dǎo)體為接觸。鈣鈦礦被報(bào)導(dǎo)為典型作用為一種吸收光的材料以及電荷傳送半導(dǎo)體。該感光層被置放在第一個電極(背部接點(diǎn))與第二個電極(對立電極)之間。
[0008]W0 2011/096154揭示一種夾層式DCS模塊，其包括:一個多孔絕緣基板；一個工作電極，其包括經(jīng)形成在多孔絕緣基板的頂部上的一個多孔導(dǎo)電金屬層且做成其形式為一個背部接點(diǎn)的一個電子集極；及一個多孔半導(dǎo)體層，其含有經(jīng)配置在多孔導(dǎo)電金屬層的頂部上的一個吸附染料；一個透明基板，其面對多孔半導(dǎo)體層，適以面對太陽且將陽光傳送到多孔半導(dǎo)體層。該種DCS模塊更包括:一個對立電極，其包括一個導(dǎo)電基板，經(jīng)配置在相對于多孔絕緣基板的多孔半導(dǎo)體層的一側(cè)上、且相距多孔絕緣基板為一段距離，因而形成在多孔絕緣基板與導(dǎo)電基板之間的一個空間。一種電解質(zhì)被填充在工作電極與對立電極之間的空間中。多孔導(dǎo)電金屬層可運(yùn)用一種糊狀物所做成，該種糊狀物包括金屬性或金屬基的粒子，其通過印制而被施加在多孔絕緣基板的頂部上且隨后為加熱、干燥及烘烤。關(guān)于此種型式的DSC模塊的一個優(yōu)點(diǎn)是在于，工作電極的導(dǎo)電層被配置在多孔絕緣基板與多孔半導(dǎo)體層之間。因此，工作電池的導(dǎo)電層不必為透明，且可由高導(dǎo)電性的一種材料所做成，其提高該種DSC模塊的電流掌控能力且確保該種DSC模塊的高效率。
[0009]圖1顯示一種現(xiàn)有技術(shù)的單體式染料敏化太陽能電池的一個實(shí)例，該種染料敏化太陽能電池包含:其形式為一個光吸收層1的一個工作電極；用于從該光吸收層取出光產(chǎn)生的電子的一個第一導(dǎo)電層2 ;—個多孔絕緣基板4 ;以及一個對立電極，其包括經(jīng)配置在多孔絕緣基板4的相對側(cè)上的一個第二導(dǎo)電層3。光吸收層1可包括一種多孔金屬氧化物且具有經(jīng)沉積在一個頂側(cè)上的光吸收物質(zhì)。多孔絕緣基板4是例如由一種陶瓷微纖維所做成。第一導(dǎo)電層2是一層的多孔導(dǎo)電材料，其經(jīng)沉積在多孔絕緣基板4的一側(cè)上。第二導(dǎo)電層3是一層的多孔導(dǎo)電材料，其經(jīng)沉積在多孔絕緣基板4的另一側(cè)上。該第一與第二導(dǎo)電層是例如被印制在該多孔絕緣基板上。該多孔絕緣基板為電氣絕緣。二個導(dǎo)電層2、3均由其為足夠大而不會穿透該多孔基板的細(xì)孔的粒子所組成。基板4是用以實(shí)體且電氣分開該等導(dǎo)電層，借以避免在導(dǎo)電層2、3之間的直接電子式短路。再者，為了允許第一與第二導(dǎo)電層2、3被印制在多孔基板上，該多孔基板應(yīng)為適用于印制。
[0010]在圖1中的電極組態(tài)是用一種導(dǎo)電媒介而滲入在光吸收層的細(xì)孔中、在第一與第二導(dǎo)電層的細(xì)孔中、且在多孔基板(未顯示在圖1)的細(xì)孔中。導(dǎo)電媒介在導(dǎo)電層的細(xì)孔內(nèi)且在多孔絕緣基板的細(xì)孔內(nèi)的導(dǎo)電層之間形成一個連續(xù)層，因而致能在對立電極與其包括光吸收層1的工作電極之間的電荷傳送。第一導(dǎo)電層是從光吸收層取出電子且經(jīng)由一個外部電路而將該等電子傳送到對立電極(未顯示在圖1)。對立電極是用以將該等電子轉(zhuǎn)移到導(dǎo)電媒介。導(dǎo)電媒介將電子轉(zhuǎn)移回到光吸收層，因而完成該種電路。
[0011]視該導(dǎo)電媒介的性質(zhì)而定，離子或電子與空穴可被傳送在該對立電極與工作電極之間。電解質(zhì)被使用作為導(dǎo)電媒介以在該對立電極與工作電極的光吸收層之間傳送離子。電解質(zhì)的實(shí)例是液體電解質(zhì)(諸如:基于I /I3、氧化還原對(redox couple)、或如同氧化還原對的鈷復(fù)合物)、膠體電解質(zhì)、干式聚合物電解質(zhì)、與固體陶瓷電解質(zhì)。當(dāng)離子電荷傳送材料被使用作為導(dǎo)電媒介，該對立電極通常為配備有催化物質(zhì)，其用以利于電子到電解質(zhì)的轉(zhuǎn)移。
[0012]半導(dǎo)體可被使用作為導(dǎo)電媒介以在該對立電極與工作電極的光吸收層之間傳送電子與空穴。半導(dǎo)體的實(shí)例是諸如CuSCN或Cul的無機(jī)半導(dǎo)體以及諸如例如Spiro-OMeTAD的有機(jī)半導(dǎo)體。當(dāng)半導(dǎo)體被使用作為導(dǎo)電媒介，該對立電極通常被配備有一種物質(zhì)，其用以在該對立電極與導(dǎo)電媒介之間建立一種良好的電氣接觸，即:低電阻的良好的奧姆接觸。用于此類接觸的材料的實(shí)例是例如:金、銀、諸如石墨或石墨稀的含碳的材料、以及諸如FT0、ΙΤ0或摻鋁的ZnO的高度導(dǎo)電的金屬氧化物或諸如PED0T:PSS、聚噻吩(polyth1phene)、聚乙炔(polyacetylene)、聚苯胺(polyaniline)、聚卩比略(polypyrrole)、等等的導(dǎo)電聚合物。在太陽能電池中使用半導(dǎo)體來作為導(dǎo)電媒介的一個優(yōu)點(diǎn)是在于其為固體且對于泄漏而言存在較少的風(fēng)險(xiǎn)。關(guān)于半導(dǎo)體的一個缺點(diǎn)是其不良的導(dǎo)電性。
[0013]該導(dǎo)電媒介呈現(xiàn)對于傳送電荷的某個電阻。該電阻是隨著電荷傳送距離而增大。因此，當(dāng)電荷被傳送在該對立電極與光吸收層之間，將在該導(dǎo)電媒介中總是有某個電阻損失。通過將該多孔基板做的較薄，該電阻損失則可被降低。然而，當(dāng)該多孔基板變得較薄，其機(jī)械性也變得較為脆弱。
[0014]諸如半導(dǎo)體、離子液體為基的電解質(zhì)、與鈷復(fù)合物電解質(zhì)的某些導(dǎo)電媒介可能具有極低的導(dǎo)電性而造成極大的電阻損失。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]本發(fā)明的目的是提出一種單體式的染料敏化太陽能電池，其具有在導(dǎo)電媒介中降低的電阻損失。
[0016]此目的是通過如權(quán)利要求1所界定的一種染料敏化太陽能電池來達(dá)成。
[0017]該種染料敏化太陽能電池包含:
[0018]—個光吸收層；
[0019]—個第一導(dǎo)電層，其用于從該光吸收層取出光產(chǎn)生的電子；
[0020]—個對立電極，其包括一個第二導(dǎo)電層；
[0021]—個多孔絕緣層，其被配置在該第一與第二導(dǎo)電層之間；
[0022]—個第三導(dǎo)電層，其被配置在該多孔絕緣層與該第二導(dǎo)電層之間且與該第二導(dǎo)電層為電氣接觸，且該第三導(dǎo)電層包括由一種絕緣材料所做成的一個多孔基板、以及其形成通過該種絕緣材料的一個導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)電粒子；及
[0023]—個導(dǎo)電媒介，其用于在該對立電極與該光吸收層之間轉(zhuǎn)移電荷。
[0024]關(guān)于術(shù)語“形成通過該種絕緣材料的一個導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)電粒子”是意指:該等粒子形成通過在該層中的絕緣材料的一個或多個導(dǎo)電路徑。
[0025]歸因于在多孔基板中的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，在對立電極與光吸收層之間的距離不再取決于該多孔基板的厚度。因此，絕緣層的厚度可被縮小，且借此，在對立電極與光吸收層之間的距離可被縮小。因此，在導(dǎo)電媒介中的電阻損失被降低。歸因于在對立電極與光吸收層之間的距離不再取決于該多孔基板的厚度的事實(shí)，還可能使用其為足夠厚以供安全機(jī)械處置的一種基板。
[0026]導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)提供該對立電極的延伸，其延伸到多孔基板中。本發(fā)明使得可能提供在光吸收層與對立電極之間的最小距離，借以達(dá)成在導(dǎo)電媒介中的最小電阻損失。
[0027]在該種太陽能電池的制造期間所處置的多孔基板將為第三導(dǎo)電層的多孔基板或其包含第三導(dǎo)電層的多孔基板與多孔絕緣層的一個整體基板。待處置的基板可因此具有適當(dāng)?shù)暮穸?，且其防止在第一與第二導(dǎo)電層之間的短路的多孔絕緣層可為薄且電阻損失可為最小化。
[0028]多孔絕緣層防止在第一與第二導(dǎo)電層之間的短路。在第三導(dǎo)電層中的導(dǎo)電粒子形成其通過該基板的絕緣材料的一個導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。該導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)是與對立電極的第二導(dǎo)電層為電氣接觸且將因此顯著增大該對立電極的導(dǎo)