染料敏化的光伏电池制造技术

本文提供对染料敏化的光伏电池的改进，其增强所述电池在正常室内照明条件下操作的能力。这些改进包括可印刷的、非腐蚀性的、无孔空穴阻挡层制剂，其改进染料敏化的光伏电池在1太阳和室内光照射条件下的性能。本文还提供用于染料敏化的光伏电池的高度稳定的电解质制剂。这些电解质使用高沸点溶剂，并且与现有技术的基于乙腈的电解质相比，提供出乎意料的优异结果。本文还提供用于沉积用于基于氧化还原电解质的染料敏化的光伏电池的薄复合催化层的可化学聚合的制剂。所述制剂允许在正极上R2R印刷(包括涂覆、快速化学聚合、用甲醇冲洗催化材料)复合催化剂层。原位化学聚合过程形成非常均匀的薄膜，这对于从串联连接的光伏模块中的每个电池获得均匀的性能是必要的。块中的每个电池获得均匀的性能是必要的。块中的每个电池获得均匀的性能是必要的。

【技术实现步骤摘要】
染料敏化的光伏电池
本申请是申请日为2019年9月19日，申请号为201980061652.7，专利技术名称为“染料敏化的光伏电池”的专利技术专利的分案申请。

技术介绍

[0001]成像装置、存储器、传感器和光伏电池中的半导体固体(例如金属氧化物)的敏化可以用作能量转换的有效手段。这些装置使用对光透明，但可通过使用吸收光能并将其转换成电功率或电信号的敏化剂而敏化至所需光谱的金属氧化物，例如二氧化钛。这种敏化通过从染料敏化剂的激发态将电荷注入金属氧化物中而发生。使用敏化剂，例如过渡金属络合物、无机胶体和有机染料分子。
[0002]在这些技术之中，染料敏化的金属氧化物光伏电池(DSPC)是突出的。DSPC使用染料吸收光并引发向纳米结构氧化物(例如TiO2)的快速电子转移。TiO2的介观结构允许建立厚的、纳米多孔膜，其活性层厚度为几微米。然后染料被吸附在介孔TiO2的大表面积上。电荷平衡和传输通过具有REDOX对(例如碘化物/三碘化物、Co(II)/Co(III)络合物和Cu(I)/Cu(II)络合物)的层实现。
[0003]基于过渡金属络合物的染料公开于Gratzel等的美国专利号4,927,721和5,350,644中。这些染料材料设置在具有高表面积的介孔金属氧化物上，在其上可以形成吸收、敏化层。这导致光在电池中的高吸收率。已经发现染料(例如Ru(II)(2,2'
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联吡啶
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4,4'二羧酸酯)2(NCS)2)是有效的敏化剂，并且可通过化合物外围的羧基或膦酸酯基连接到金属氧化物固体上。然而，当过渡金属钌络合物用作敏化剂时，它们必须以10微米或更厚的涂层施加到介孔金属氧化物层上，以吸收足够的辐射，从而获得足够的功率转化效率。此外，钌络合物昂贵。另外，这样的染料必须使用挥发性有机溶剂、共溶剂和稀释剂来施加，因为它们不能分散在水中。挥发性有机化合物(VOC)是会影响环境和人类健康的重要污染物。虽然VOC通常没有剧毒，但是它们可能具有长期的健康和环境影响。由于这个原因，全世界的政府正在寻求降低VOC的水平。
[0004]一种类型的染料敏化的光伏电池被称为Gratzel电池。Hamann等，(2008),"Advancing beyond current generation dye
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sensitized solar cells,"Energy Environ.Sci.1:66
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78(其公开内容通过引用整体并入本文)描述了Gratzel电池。所述Gratzel电池包括在光伏电池中用作光负极的结晶二氧化钛纳米颗粒。二氧化钛涂覆有光敏染料。二氧化钛光负极包括形成12μm透明膜的10
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20nm直径的二氧化钛颗粒。12μm二氧化钛膜通过烧结10
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20nm直径的二氧化钛颗粒以使它们具有高表面积而制成。二氧化钛光负极还包括直径为约400nm的二氧化钛颗粒的4μm膜。涂覆的二氧化钛膜位于两个透明导电氧化物(TCO)电极之间。在这两个TCO电极之间还设置有具有氧化还原穿梭电对(redox shuttle)的电解质。
[0005]Gratzel电池可通过首先构造顶部来制造。所述顶部可通过在通常为玻璃的透明板上沉积掺杂氟的二氧化锡(SnO2F)来构造。二氧化钛(TiO2)薄层沉积在具有导电涂层的透明板上。然后将涂覆有TiO2的板浸入光敏染料(例如钌
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多吡啶染料)溶液中。染料薄层共价
键合到二氧化钛的表面。Gratzel电池的底部由涂覆有铂金属的导电板制成。然后将顶部和底部连接并密封。然后，通常将电解质(例如碘化物
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三碘化物)插在Gratzel电池的顶部和底部之间。
[0006]通常，用于DSPC的薄膜由单一金属氧化物(通常为二氧化钛)构成，除了纳米颗粒之外，所述金属氧化物还可以更大的200nm至400nm尺度的颗粒的形式或作为由钛醇盐溶液原位形成的分散的纳米颗粒使用。在一个实施方案中，本申请公开了使用氧化钛以及其他金属氧化物的多种形态，其提供比单一金属氧化物体系更高的效率。可采用的另外金属氧化物包括但不限于α氧化铝、γ氧化铝、热解法二氧化硅、二氧化硅、硅藻土、钛酸铝、羟基磷灰石、磷酸钙和钛酸铁；以及其混合物。这些材料可以与传统的氧化钛薄膜或与薄膜染料敏化的光伏电池系统结合使用。
[0007]在操作中，染料吸收阳光，这导致染料分子被激发并将电子传输到二氧化钛中。二氧化钛接受赋能电子，所述赋能电子移动到第一TCO电极。同时，第二TCO电极用作反电极，其使用氧化还原对(例如碘化物
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三碘化物(I3‑
/I
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))来使染料再生。如果染料分子没有还原回到其初始状态，则氧化的染料分子分解。随着染料敏化的光伏电池在工作寿命中经历多次氧化还原循环，越来越多的染料分子随着时间的推移而分解，并且电池能量转化效率降低。
[0008]Hattori和同事(Hattori,S.等，(2005)"Blue copper model complexes with distorted tetragonal geometry acting as effective electron
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transfer mediators in dye
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sensitized photovoltaic cells.J.Am.Chem.Soc.,127:9648
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9654)已经在使用钌基染料的DSPC中使用铜(I/II)氧化还原对，所得效率非常低。Peng Wang及其同事使用有机染料改进了基于铜氧化还原的染料DSPC的性能(Bai,Y.等，(2011)Chem.Commun.,47:4376
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4378)。由这样的电池产生的电压远远超过由任何基于碘化物/三碘化物的氧化还原对产生的电压。
[0009]通常，铂、石墨烯或聚(3,4
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亚乙基二氧噻吩)(“PEDOT”)用于染料敏化的光伏电池中。铂通过六氯铂酸在超过400℃的温度下热解分解或通过溅射沉积。PEDOT通常通过3,4
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亚乙基二氧噻吩(“EDOT”)的电化学聚合而沉积，由于用作正极材料的高电阻基底而产生均匀性问题。石墨烯材料通常通过旋涂从含有石墨烯材料的溶液或悬浮液中沉积。尽管石墨烯材料比PEDOT和铂性能更好，但难以将石墨烯结合到基底上，这常常引起分层问题。此外，由于石墨烯分子之间不存在内聚力，因此旋涂沉积通常导致不均匀的膜。PEDOT的电化学沉积对于较小的装置可为足够的，但不适合较大的装置。当由于欧姆损耗(聚合动力学取决于给定时间内的电流)导致的在长度上的电流下降而使基底尺寸增加时，出现均匀性问题。这不是R2R制造的理想方法。可从商业来源获得的化学聚合PEDOT/PSS溶液通常用于电子装置应用。这种材料是高度水溶性的；结果，使用这种溶液生产的装置遭受降低的使用寿命，这是由于从正极解离，并且还由于使装置上的透明导电电极降本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.染料敏化的光伏电池，其包括：
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正极；
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电解质溶液；
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多孔的染料敏化的二氧化钛膜层；和
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负极；其中所述电解质溶液包含氧化还原对，所述氧化还原对包含有机铜(I)盐和有机铜(II)盐，并且其中有机铜(I)盐与有机铜(II)盐的摩尔比率为6:1至10:1。2.权利要求1所述的染料敏化的光伏电池，其中所述有机铜(I)盐和有机铜(II)盐是包含具有平衡离子的二齿和多齿有机配体的铜络合物。3.权利要求2所述的染料敏化的光伏电池，其中所述二齿有机配体选自6,6
’‑
二烷基
‑
2,2
’‑
联吡啶；4,4
’
,6,6
’‑
四烷基
‑
2,2
’‑
联吡啶；2,9
‑
二烷基
‑
1,10
‑
菲咯啉；1,10
‑
菲咯啉；和2,2
’‑
联吡啶。4.权利要求2所述的染料敏化的光伏电池，其中所述平衡离子是双(三氟磺酰)亚胺、六氟磷酸根或四氟硼酸根。5.权利要求1所述的染料敏化的光伏电池，其中所述氧化还原对包含具有多于一个配体的铜络合物。6.权利要求5所述的染料敏化的光伏电池，其中所述氧化还原对包含具有6,6
’‑
二烷基
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：K，
申请(专利权)人：环境光子学公司，
类型：发明
国别省市：