[发明专利]染料敏化太阳能电池的低温镀铂

说明书

技术领域

本发明涉及染料敏化太阳能电池(DSSC)领域和用于适用于范围广泛的基底的对电极的低温镀铂方法。

背景技术

太阳能电池传统上使用固态半导体来制造。电池通过并置两种掺杂的晶体来制备，一种晶体具有略负的电荷，因此具有额外的自由电子(n型半导体)，和另一种晶体具有略正的电荷，因此缺乏自由电子(p型半导体)。当将这两种掺杂的晶体互相接触时，来自n型半导体的额外电子流经n-p结而使p型半导体中电子缺少减轻。在该p-n结处，载流子在一侧损耗并在另一侧积累，由此产生了势垒。当由太阳光产生的光子撞击p型半导体时，它们引起束缚在低能级中的电子向其中电子自由移动的导带转移。将负载放置在电池的两端，以通过外电路将电子从p型转移到n型半导体。随后，这些电子自发地向p型材料移动，回到已经通过太阳能从其提取(extract)所述电子的低能级。该移动产生了电流。

典型的太阳能电池晶体从硅制备，因为具有可见光范围内的频率的光子有足够的能量来使电子跨越在所述低能级和所述导带之间的带隙。这些太阳能电池的主要缺点之一是：在紫色或紫外频率中的最具能量的光子具有超过使电子跨越所述带隙所必需的能量，造成能量的显著浪费(该浪费的能量仅仅转化成热)。另一重要的缺点是：p型层必须是足够厚的，以便有机会捕获光子，结果是新提取的电子也有机会在到达p-n结之前与所产生的空穴复合。因此，对于太阳能电池模块，由于在将单个电池组合在一起时的损失，硅型太阳能电池报道的最高效率是20％-25％或更低。

硅型太阳能电池的另一个重要问题是在货币价格方面以及在所配备的能量(即制造这些设备所需的能量)方面的成本。染料敏化太阳能电池(DSSC)已在1991年由O′Regan和开发出来(O′Regan B.和M.，Nature，1991，353，737-740)。它们是使用低成本材料制造的且它们的制造不要求复杂的设备。它们将硅所提供的两种功能分离：半导体的主体用于电荷输送和光电子源自单独的(分离的，separate)光敏染料。该电池是如在图1中所示的夹层(sandwich)结构并且典型地通过下列步骤制备：

a)提供由玻璃或由塑料制备的透明板(1)；

b)用透明导电氧化物(TCO)(2)、优选用掺杂的氧化锡涂覆该板；

c)将金属氧化物(3)(通常为二氧化钛)的糊在TCO侧施加至该经涂覆的玻璃板；

d)将该板加热到约450-500℃的温度至少一个小时的时间；

e)将步骤d)的经涂覆的板在染料溶液中浸泡约24小时的时间，以将该染料共价结合到二氧化钛(4)的表面；

f)提供另一个进一步涂覆有铂(5)的涂覆TCO的透明板；

g)密封这两个玻璃板并将电解质溶液(6)引入所述板之间，以将该染色的金属氧化物和电解质包在两个导电板之间并防止电解质泄漏。

在这些电池中，光子撞击染料，使其移向能够将电子注入到二氧化钛的导带中的激发态，所述电子从该导带扩散至阳极。从染料/TiO₂体系失去的电子通过碘化物在镀铂的对电极处氧化成三碘化物而归还，该反应足够快使得光化学循环能够继续。涂覆对电极的铂催化碘化物/三碘化物氧化还原对的还原；如果不存在Pt，则该电池的效率严重受限。

DSSC产生约0.7V的比得上硅太阳能电池的最大电压。与硅太阳能电池相比，DSSC的一个重要优点是它们将电子注入二氧化钛导带中而不在附近产生电子空位，由此防止快速的电子/空穴复合。因此，它们能在这样的低的光条件下运行：在所述低的光条件下，在硅太阳能电池中电子/空穴复合变为支配性机理。然而，当前的DSSC在可见光频率范围的较低部分中在红色以及红外区域中不是非常有效的，因为这些光子不具有足够的能量来越过二氧化钛带隙或激发最常规的联吡啶钌染料。

现有技术的DSSC的主要缺点在于对于在对电极上沉积铂和对对电极上的铂进行煅烧所必需的高温。烧结用在光电极上的金属氧化物糊所需要的高温也是个问题。染料敏化太阳能电池的另一个缺点在于将二氧化钛纳米颗粒染色所必需的长时间：花费12-24个小时来使对于太阳能电池应用所必需的二氧化钛层染色。DSSC的另一个主要困难是电解质溶液：电池必须被仔细密封以防止液体电解质泄漏和因此的电池恶化。在经典的太阳能电池制备中，[PtCl₆]^2-的分解所必需的热是约400℃。这样的高温将可用于基底的透明材料的性质限制到玻璃。如果可使温度减少到最多150℃，则也能够使用透明聚合物例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)。