[发明专利]可再充电的染料敏化太阳能电池

说明书

技术领域

本发明大体上涉及光伏电池，且更明确地说，涉及染料敏化光伏电池。

背景技术

长期以来，光伏电池或太阳能电池一直被用作能源。传统的太阳能电池通常是由半导体(例如硅)构造。虽然使用半导体的光伏电池对于一些应用被证明为有效能源，但它们的制造及维护是昂贵的，这使它们在许多应用中因成本太高而受到限制。

为了提供更能承受得起的光伏电池，利用在电极内合并染剂的便宜的过渡金属电极以吸收太阳能辐射而开发出染料敏化太阳能电池(DSSC)。在此类太能能电池中，当波长低于820nm的实质上所有发射光子被吸收时，会最有效率地实现太阳能到电的转换。在格兰泽尔(Graetzel)等人的第5,350,644号美国专利中揭示了此类太阳能电池，其具有多孔二氧化钛(TiO₂)衬底，在所述衬底中分散有染料以吸收在光谱的可见区中的光。

染料敏化太阳能电池通常包含两个隔开式电极及电解质溶液。通常，第一电极包含涂有包含染剂的TiO₂多孔基质的透明导电衬底。第二或反电极通常是具有任选铂涂层的透明导电电极。光穿过透明导电衬底且被多孔基质中的染料吸收。当染料吸收光时，在称为光致激发的过程中，染料中的电子从基态跃迁到受激态。受激电子接着可从染料移动到TiO₂基质中的导带。此电子跨越TiO₂而扩散且到达底层导电透明衬底。电子接着穿过电路的其余部分，从而返回到电池的第二或反电极。

当电子从染料移动到TiO₂时，染料改变氧化态，这是因为其具有较少的电子。在染料可吸收光的另一光子之前，必须恢复电子。电解质提供电子给染料且又改变其氧化态。电解质随后在氧化还原反应中从第二或反电极回收电子自身。

为了使光能转换有效率，在已吸收光且由此取得能量丰富状态之后，染剂必须能够在接近单位量子产额的情况下将电子注入到TiO₂膜的导带中。这是由染剂通过连锁基团而附着到TiO₂的表面予以促进。此基团在染剂的色形态基团与半导体的导带之间提供电子偶合。此类型的电子偶合通常需要连锁π传导取代基，例如羧酸盐基、一价基、磷酸基，或具有π传导特性的螯合基，例如，肟、二肟、羟基喹啉、水杨酸盐及α酮烯醇盐。

染料敏化太阳能电池(例如在格兰泽尔(Graetzel)的专利中所揭示的染料敏化太阳能电池)已产生作为太阳能的可行来源的实质利益，这是因为它们很容易使用相对便宜的材料来生产，且因此可在比传统的半导体太阳能电池成本低的情况下提供。然而，染料敏化太阳能电池存在妨碍它们的商业生存扩展的几个弊端。

主要的缺点是，染料敏化太阳能电池不像半导体太阳能电池那么耐用。通常，染料敏化太阳能电池仅保持有效五到十年。这种寿命的缺乏通常是由于电池中的电解质及染料的不稳定性而引起。明确地说，耐用问题包含：吸附到TiO₂电极上的敏化剂染料的固有光化学不稳定性，以及其与周围电解质的相互作用；电解质的化学及光化学不稳定性；在电解质环境中的反电极的Pt涂层的不稳定性；及自然力，以及电池的防止来自周围空气的氧气及水侵入和电解质溶液损失的密封件的失效。

更多的降解来源包含染料的光化学或化学降解(例如染料的吸附，或由电解质物种或残留水分子对配体的更换)、TiO₂的直接带隙激发(在TiO₂价带中的空穴充当强氧化剂)，电解质溶液的光氧化、从溶液中对质子的释放(pH改变)、由TiO₂及Pt进行的催化反应、TiO₂的表面结构的改变、从反电极中对Pt的溶解，及分解产物到TiO₂表面上的吸附。

之前，研究一直专注于开发更适于电池的密封件、抗降解的电解质溶液(已推荐过几种高分子凝胶)及抗漂白染料。此研究被限制在其有效期内。

本发明解决了这些缺点而无需开发新的化学个体。

发明内容

在一个方面中，本发明涉及一种使用染料敏化太阳能电池的方法。染料敏化太阳能电池包含具有第一折射率的第一透明衬底的第一电极，及具有第二折射率的第二透明衬底的第二电极。第二折射率与第一折射率相当。染料敏化太阳能电池也包含电解质溶液。第一电极及第二电极经布置以界定间隙，且电解质溶液安置在间隙中。可从间隙移除电解质溶液，且可用具有与第一折射率及第二折射率相当的第三折射率的惰性流体填充间隙以允许光实质上无折射地穿过电池。