包括阻挡层的半导体电极制造技术

本发明专利技术提供借助于使用原子层沉积(ALD)工艺被施用的层所钝化的多孔半导体电极。半导体电极可以被有利地用在具有增加的开路电流电压(Voc)的染料敏化太阳能电池(DSC)中。通过选择钝化层或阻挡层的厚度和材料，获得了高的Voc且短路电流(JSC)不会显著降低，由此得到展示优良的能量转换效率的装置。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利摘要】本专利技术提供借助于使用原子层沉积(ALD)工艺被施用的层所钝化的多孔半导体电极。半导体电极可以被有利地用在具有增加的开路电流电压(Voc)的染料敏化太阳能电池(DSC)中。通过选择钝化层或阻挡层的厚度和材料，获得了高的Voc且短路电流(JSC)不会显著降低，由此得到展示优良的能量转换效率的装置。【专利说明】包括阻挡层的半导体电极
本专利技术涉及染料敏化太阳能电池（DSC)，涉及用于制备半导体电极和/或光电阳 极的方法，涉及用于生产DSC的方法，涉及前驱体材料用于制备半导体材料的表面上的阻 挡层和/或绝缘层的用途并且涉及金属氧化物作为半导体材料的表面上的阻挡层和/或绝 缘层的用途。 作为本专利技术基础的现有技术和问题 染料敏化太阳能电池（DSC)已经引起能源市场和研究者的兴趣，这是由于其对于 材料选择提供的灵活性、低的成本以及化学稳定性。最普遍的实验室规模的体系含有被印 制在TC0玻璃上的染料敏化的中孔二氧化钛（或其他半导体材料）和钼涂覆的对电极，具 有被夹在其之间的氧化还原电解质。具有等于或大于染料的H0M0-LUM0带隙的能量的日光 光子被吸收，产生电子空穴对。 通常，DSC中的电荷对的分离在半导体-敏化剂-电解质界面处发生，在界面处电 子（e、）被注入半导体的导带中并且空穴被注入电解质中。在固态DSC(ssDSC)中，有机 的、空穴传输材料被代替电解质使用。e、横越过半导体材料的一系列半导体纳米颗粒并且 经过外部电路到达对电极，由此使被氧化的电解质物质再生，在整个光伏循环之后在电池 中不留下化学变化。 本专利技术的专利技术人相信，电池的短路光电流密度（Js。）通过染料在整个可见光区内 的光收获能力被确定，并且开路电势（V。。）由光电阳极的半导体材料（例如Ti0 2)和电解质 的氧化还原电势的准费米能级的差反映。 光子吸收与电荷传输分离的独特性质开启了光伏研究领域的新途径，以集中在利 用整个太阳光谱上，而不关心载流子传输现象，不同于它们的p-n结对等物。直到最近，研 究努力主要地集中于合成全色的Ru (II)多吡啶敏化剂。但是，使用标准的碘化物/三碘化 物电解质未能实现总能量转换效率（PCE)的显著提高，并且就PCE而言，经历了饱和化。 然而，具有被与交替的单电子氧化还原梭（redox shuttle)的被精细调节的供体、 π和受体基团例如二茂铁或钴络合物的有机的或卟啉染料的引入超过现有的极限，施加 在l日光12·3(%和在0·5日光13·l (%的新记录PCE(Daeneke，T·等人，NatureChemistry 3,211-215(2011) ;Yella，A.等人，Science，334,629-634(2011) ;Feldt，S.M.等人，工八111· Chem. Soc. 132,16714-16724(2010))。 大多数现有的高效率染料的全色吸收仍然被限制在350nm至850nm之间，这是由 于由电子注入和染料再生所需要的过电势施加的约束性，并且最终J s。是有限的（Peter，L. M.Phys. Chem. Chem. Phys. 9, 2630-2642 (2007) ;Listorti，Α·等人，Chem. Mater. 23, 3381-3399(2011))〇 但是在另一个方面，基于钴络合物的氧化还原中介物（redox mediator)显著地增 强V。。，因为它们可以具有更正向的氧化还原电势（相对于NHE)并且还需要较低的染料再 生过电势（Feldt，S.M.等人，J. Phys. Chem. C. 115, 21500-21507 (2011))。 虽然有C〇(II/III)络合物的积极方面，但是与二电子碘化物/三碘化物相比，光 产生的电子与电解质中的被氧化的物质的复合（recombination)在开路是主要的，减少 了 VQe(Nakade，S·等人，J.Phys.Chem.B. 109,3480-3487(2005) ;Nakade，S.等人，1卩1^8· Chem. B. 109, 3488-3493(2005))。 常规的采用有机的共吸附剂，例如鹅去氧胆酸和二新己基次膦酸（由于它们的染 料分解性质被知晓）的途径也帮助钝化二氧化钛表面，阻挡逆反应。但是共吸附分子具有 它们固有的缺点，即减少在二氧化钛表面上的染料摄取，并且染料的从溶液向半导体膜上 的共吸附剂摄取的动力学难以控制（Wang, M.等人，Dalton Trans. 10015-10020 (2009))。 在某些情况下，氧化物表面被绝缘层的钝化显示出有效地阻挡逆反应的动力学， 但是其不被普遍地使用，这是由于通过常规的溶液涂覆技术实现在多孔膜上沉积超薄的保 形层存在限制（Kay, A.和 Gratzel, M.，Chem. Mater. 14, 2930-2935 (2002))。 用于超薄的并且保形的膜的向下至原子层厚度的可再现的生长的原子层沉积 (ALD)的发展推动DSC研究者再引入该技术以阻挡逆反应（Li，T.C.等人，J.Phys.Chem. C. 113,18385-18390 (2009) ;Devries，M.J.，Pellin，M.J.和 Hupp·，J.T. Langmuir 26， 9082-9087(2010))。 ALD涉及自限制的生长过程并且由在沉积衬底上存在的表面反应性位点的数量 决定。在两个不同的阶段把金属和氧化性前驱体引入反应室中（在两个阶段之间用惰性 气体吹扫）避免反应器中的任何气相反应（George，S.M. Chem. Rev. 110,111-131 (2010); Leskela，M.和 Ritala，M·，Thin solid films 409,138-146(2002))。 某些涉及ALD覆层例如Zr02、Hf02和A1 203在二氧化钛上使用的报道已经被 公布以用于基于I3_/T的DSC。然而，在阻止复合方面的巨大的改进没有被观察到。最 近，Leskela等人采用氧化铝作为钝化层并且未观察到使用碘化物/三碘化物DSC的任 何阻挡效应，虽然来自LUM0的电子注入被减少。原因被显示出是用于后一个氧化还原 对（redox couple)的更慢的逆反应动力学，后一个氧化还原对遵循用于还原的二步骤 电化学过程。更多的信息在下文的参考文献中被发现：Antila，L.J.等人，J.Phys.Chem. C115，16720-16729(2011);0'Regan，B.C.等人，J.Phys.Chem.B 109,4616-4623(2005); Hamann，T.W.，Farha，0.K.和 Hupp, J.T. J.Phys.Chem. C112, 19756-19764 (2008); Shanmugam，M.，Baroughi，M.F·和Galipeau，D.Thin solid films 518,2678-2682(2010)，例 如。 本专利技术解决了上文描述的问题。 具体地，本专利技术解决了获得具有更高的能量转换效率（PCE)的太阳能电池的问 题。 本专利技术还本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种染料敏化太阳能电池(DSC)，包括半导体电极、对电极和在所述半导体电极和所述对电极之间的电荷传输介质，其中所述半导体电极包括多孔半导体材料和被设置在所述多孔半导体材料上的金属氧化物层，所述金属氧化物层包含选自Mg氧化物、Hf氧化物、Ga氧化物、In氧化物、Nb氧化物、Ti氧化物、Ta氧化物、Y氧化物和Zr氧化物的材料并且具有不超过1nm的厚度，并且其中染料被吸附在所述金属氧化物层上。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：阿拉温德·库马尔·钱迪兰，穆罕默德·哈贾·纳泽鲁丁，迈克尔·格雷泽尔，
申请(专利权)人：洛桑联邦理工学院，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH