光电池制造技术

光电池，它有一个含空穴传导材料的电荷输送层。（*该技术在2016年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
由于全球电能的需求不断增长以及煤、石油和天然气等资源有限，此外它们燃烧时还释放出温室效应气体CO2，所以近年来，由阳光产生电能已成为越来越有意义的课题。光电池是一种直接将光转变成电能的元件。它除了有两个电极外，还包括至少一种吸光层和一种电荷输送层。如果光为阳光，光电池称为太阳能电池。虽然光电效应、即用光照射时穿过PN结产生电势早在1893年就由Becquere1观察到，但只有随着40年代和50年代半导体技术的发展，第一个实用的太阳能电池才能生产出。今天使用的太阳能电池通常含有一种半导体材料(在大多数情况下为硅)作为吸光层，但对于这一应用来说，半导体材料必需在加工纯度和质量方面满足很高的要求。因此，由于价格原因，目前太阳能电池在许多应用场合还没有竞争力。可是，60年代由H.Tributsch开发的染料增敏的太阳能电池使用一种有很大带隙的材料如二氧化钛作为半导体。这种半导体吸收很少的阳光，因为染料(生色团)涂覆到半导体上。如果染料分子吸收质子，那么会激发电子进入最低的未占分子轨道。由此，然后它可注入半导体的导电带。因此，半导体主要用来输送电子。在这种情况下，不必要特别纯和完美的材料。例如，它可简单地从粉末悬浮液涂到导电的玻璃上。EP-A0333641公开了一种光电化学电池，它含有毫微级多孔的金属氧化物半导体，即有极粗糙的、从而具有增大了的表面的半导体。在这种电池中，半导体/生色团层和反电极之间的电荷输送通过电解质溶液来进行。虽然使用这样的电池可得到良好的结果，但是这样的电池的性能显然仍能改进。一个重要的缺点是，电子必需借助离子的扩散而返回到染料上。因此，适合的氧化还原体系仅仅是那些对于穿透到毫微级结晶的半导体层的孔中是足够小的体系。甚至在目前最好的氧化还原体系的情况下，即I2/I-3体系下，大约40％理论上可得到的能量作为热损失掉了，在阳光中能量转化效率限制到约10％。此外，对于电解质来说，始终需要找到一种粘度和离子运动性之间的折衷方案，这样就不能完全满足这个要求。现已令人吃惊地发现，如果上述电池中的电解质层用含有空穴传导材料的电荷输送层代替，那么上述缺点至少就可部分得到克服。因此，本专利技术提供一种有含空穴传导材料的电荷输送层的光电池。由于使用空穴传导材料代替电解质，电荷的输送不再受离子扩散的限制。此外，用这种方法可使层的相关能级匹配，从而可使阳光的转化效率提高到≥18％。附图说明图1示出本专利技术电池1的优选实施方案(未按比例)。半导体12其表面的粗糙因子优选＞1，它作为吸光层，涂覆在导电支持体11上，支持体11可作为电极或接触点，例如由金属或铟-锡氧化物(ITO)组成。本专利技术的电池优选在半导体表面上有生色团，在这里表示为生色团层13。对于本专利技术来说，术语“吸光层”包括半导体层和半导体/生色团的组合，虽然在这种情况下，实际的吸收差不多唯一地由于生色团所致。紧接着是电荷输送层14，根据本专利技术，它含有空穴传导材料。一侧面粘合有反电极15，例如它可由导电玻璃、有导电涂层的塑料、金属或其他导电材料(优选半透明的)组成。电池1优选用绝缘层16和17封顶和封底。它可有侧面包封，图中未示出，例如用含有电绝缘材料如塑料或玻璃的框架。但是，空穴传导材料用来代替液体电解质，使这样的侧面框架原则上是不必要的。至少必需让电池的一侧能使要转变成电能的光线通过，以致它可达到生色团或半导体。本专利技术的电池还有移走由电池产生的电流的设备(图中未示出)。对于本专利技术来说，空穴传导材料是一种可传导由缺少电子产生的正电荷的材料，从而使质量传递和电荷传递分开。通常，宜为富电子的、优选有机化合物，它们是可氧化的，优选是可逆的。通常假设，在有机的空穴传导材料中的电荷输送通过生成自由基阳离子来进行。在这里，氧化势可在宽范围内变化，可与半导体或敏化剂的特定能量水平相匹配。优选在基态能量和高于基态700mV、优选400mV、特别优选300mV之间。优选使用无质量传递发生、即电荷传递和质量传递完全分开的空穴传导材料。此外，优选固体的、特别是无定形的空穴传导材料。对于本专利技术来说，空穴传导导体以无定形状态用于本专利技术的光电池中是优选的。术语“无定形的”用来描述固体的状态，其分子结构单元不是排列在晶格中，而是不规则地排列。与晶体不同，在晶体中原子有短程有序(即最近的相邻原子有恒定的距离)和长程有序(单位晶胞有规则重复)，而无定形状态仅有短程有序。无定形材料在物理上没有可区别的取向；它是各向同性的。所有的无定形材料在能量上相对于较低能量的结晶状态都是不稳定的，只是程度有所不同。在X射线电子和中子衍射中，无定形固体不给出象在晶体中的清晰的干涉环，而只在低的衍射角下有散射的干涉环(晕环)。因此，无定形状态明显与结晶状态、液体状态或液晶状态有区别。特别优选在有机溶剂中是可溶的空穴传导材料以及可熔的空穴传导材料。有机溶剂的例子(本专利技术不限于这些有机溶剂)是氯仿、苯、氯苯、氯环己烷、甲苯、四氢呋喃、苯甲醚、二甲苯、乳酸甲酯、二氯甲烷、己烷以及其他脂族的、芳族的或醇类的溶剂。为了制成本专利技术的空穴导体层，空穴传导材料在有机溶剂中是可溶的或是可熔的是足够的条件。对于本专利技术来说，“可溶的”指在25℃下，在有机溶剂或无机溶剂中，优选上述的一种溶剂中的溶解度至少为1.0克/升。此外，特别优选其大小可扩散到粗糙的半导体层的孔中的空穴传导材料。此外，优选的是，空穴输送层的分子有与所用的任何增敏剂的分子可比的分子大小，以致空穴导体分子可与处在半导体表面的孔中的增敏剂分子紧密接触。特别优选的是，空穴导体分子大于对应的增敏剂分子不到20倍、特别优选不大于10倍。特别优选这样的空穴传导材料，其中在用阳光照射时穿过空穴导体层的电压降小于500mV、优选小于50mV、特别优选小于20mV。空穴导体层的厚度通常为0.1至20微米、优选1-15微米。空穴传导材料的电荷载体运动性至少为10-5cm2/Vs、特别是10-3至10cm2/Vs。特别优选的空穴传导材料是式(I)的螺环化合物和杂螺环化合物 式中， 为C、Si、Ge或Sn、优选C、Si或Ge、特别优选C或Si、特别是C，K1和K2各自独立为共轭体系。螺环化合物是这样一种化合物，其中两个环体系通过一个维一的四价原子连接。这一原子称为螺原子，如在CRC出版的化学和物理手册第62版(1981-2)第C-23至C-25页中所说明的。对于本专利技术来说，术语螺环化合物指单碳螺环化合物、多碳螺环化合物和杂螺环化合物。优选的式(I)化合物是式(II)的9，9′-螺二芴衍生物， 式中， 定义如上，苯并基团可各自独立为取代的和/或稠合的基团。特别优选式(III)的螺二芴衍生物， 式中，符号和下标有如下含义 为C、Si、Ge或Sn、优选C、Si、Ge、特别优选C、Si、特别是C；K、L、M、N为相同的或不同的，都为下式的基团， R为相同的或不同的，并有对K、L、M、N的相同定义，或为氢、有1-22、优选1-15、特别优选1-12个碳原子的直链或支链的烷基、-烷氧基或碳烷氧基、-CN、-NO2、-NR1R2、-Ar或-O-Ar；Ar为苯基、联苯基、1-萘基、2-萘基、2-噻吩基、2-呋喃基、其中这些基团中每一个都可带有一个或R基；m、n、p为0、1、2或3；X、Y为＝C本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.光电池，它有一个含空穴传导材料的电荷输送层。2.根据权利要求1的光电池，其中空穴传导材料为无定形固体。3.根据权利要求1或2的光电池，其中整个电荷输送层的电压降不大于500毫伏。4.根据权利要求1-3中一项或多项的光电池，其中所用的空穴传导材料是一种或多种式(I)的螺环化合物式中，为C、Si、Ge或Sn，优选C、Si、Ge，特别优选C、Si，特别是C，以及K1和K2各自独立为共轭体系。5.根据权利要求4的光电池，其中所用的空穴传导材料为一种或多种式(II)的9，9′-螺二芴衍生物，式中，为权利要求4中式(I)所规定的，苯并基可各自独立为取代的和/或稠合的。6.根据权利要求5的光电池，其中所用的空穴传导材料为一种或多种式(III)的螺二芴衍生物，式中，符号和下标有以下含义为C、Si，优选C；K、L、M、N为相同的或不同的下式基团R可为相同的或不同的，并有K、L、M、N的含义，或为氢、有1-22、优选1-15、特别优选1-12个碳原子的直链或支链的烷基、烷氧基或酯基、-CN、-NR2R3、-Ar或-O-Ar；Ar为苯基、联苯基、1-萘基、2-萘基、2...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·鲁泼，J·萨尔比克，
申请(专利权)人：德国赫彻斯特研究技术两合公司，
类型：发明
国别省市：