本发明专利技术涉及一种用于将电磁辐射转化成电能的光电元件(110)。该光电元件(110)尤其可以为染料太阳能电池(112)。光电元件(110)具有至少一个第一电极(116)、至少一种n-半导电金属氧化物(120)、至少一种电磁辐射吸收染料(122)、至少一种固体有机p-半导体(126)和至少一个第二电极(132)。该p-半导体(126)包含至少一种金属氧化物(130)。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有改进稳定性的染料太阳能电池专利
本专利技术涉及光电元件，用于有机组件中的固体有机P-半导体的生产方法，和光电元件的生产方法。这类光电元件和方法用于将电磁辐射，尤其是日光转化成电能。更特别地，本专利技术可应用于染料太阳能电池。技术发展水平太阳能电池中太阳能直接转化成电能一般基于半导体材料的所谓“内光效应”，即通过吸收光子和在p-n结合或肖特基接触下分离负和正电荷载体而产生电子-空穴对。这样，产生光电压，其在外电路中可导致光电流，太阳能电池通过所述光电流释放其功率。半导体通常仅可吸收能量大于其带隙的那些光子。半导体带隙的大小因此通常决定可转化成电能的日光的比例。基于结晶硅的太阳能电池早在十九世纪五十年代产生。那时的技术通过在航天卫星中的使用支持。即使硅基太阳能电池现在在世界市场上占优势，但该技术仍保持是昂贵的。因此，试图开发较便宜的新路线。这些路线中的一些描述于下文中，其构成本专利技术的基础。开发新太阳能电池的重要路线是有机太阳能电池，即包含至少一种有机半导体材料的太阳能电池，或代替固体无机半导体，包含其它材料，尤其是有机染料或甚至液体电解质和半导体的太阳能电池。创新的太阳能电池中的具体情况是染料太阳能电池。染料太阳能电池(DSC)是迄今最有效的可选太阳能技术之一。在该技术的液体方案中，目前实现至多 11% 的效率(例如参见Grttzel M.等人，J. Photochem. Photobio. C，2003，4，145 ；Chiba 等人，Japanese Journal of Appl. Phys.，2006，45，L638-L640)。染料太阳能电池，目前存在几种变型，通常具有两个电极，其中至少一个为透明的。根据它们的功 能，两个电极被称为“工作电极”(也称为“阳极”，产生电子)和“对电极”(也称为“阴极”)。在工作电极上或在其附近，通常应用η-导电金属氧化物，尤其是作为多孔，例如纳米孔层，例如厚度为约10-20 μ m的纳米孔二氧化钛(TiO2)层。在η-导电金属氧化物层与工作电极之间，还可提供至少一层阻挡层，例如金属氧化物如TiO2的不透层。 η-导电金属氧化物通常具有加入的光敏染料。例如，光敏染料(例如钌配合物)单层可吸附于η-导电金属氧化物的表面上，其可通过光的吸收而转化成激发态。在对电极处或上， 通常为数μm厚的催化层，例如钼。常规染料太阳能电池中两个电极之间的面积通常填充有氧化还原电解质，例如碘(I2)和/或碘化钾(KI)的溶液。染料太阳能电池的功能基于光被染料吸收。电子从受激染料中转移至η-半导电金属氧化物半导体中并在其上迁移至阳极，而电解质借助阴极确保电荷平衡。η-半导电金属氧化物、染料和电解质因此为染料太阳能电池的必要组分。然而，用液体电解质产生的染料太阳能电池在许多情况下遭遇非最佳密封，这可导致稳定性问题。液体氧化还原电解质尤其可被固体P-半导体取代。这种染料太阳能电池也称为sDSC(固体DSC)。染料太阳能电池的固体变型的效率目前为约4. 6-4. 7%(Snaith， H. , Angew. Chem.1nt. Ed. , 2005,44,6413-6417)。各种无机P-半导体如Cu1、CuBr · 3 (S (C4H9) 2)或CuSCN目前代替氧化还原电解质用于染料太阳能电池中。例如也可应用来自光合作用的发现物。实际上，它也是Cu(I)酶质体蓝素，其在光合体系I中再次将氧化的叶绿素二聚物还原。这种P-半导体可通过至少三种不同的方法加工，即由溶液、通过电沉积或通过激光沉积。有机聚合物也已用作固体P-半导体。其实例包括聚吡咯、聚(3，4-亚乙基二氧噻吩)、咔唑基聚合物、聚苯胺、聚(4-1^一烷基-2，2’ -并噻吩)、聚(3-辛基噻吩)、聚(三苯基二胺)和聚(N-乙烯基咔唑)。在聚(N-乙烯基咔唑)的情况下，效率增长至2%。原位聚合的PEDOT (聚(3，4-亚乙基二氧噻吩))还显示O. 53%的效率。此处所述聚合物通常不以纯形式，而是随添加剂使用。无机-有机混合体系也已代替氧化还原电解质用于染料太阳能电池中。例如CuI 与 PEDOT: PSS —起作为空穴导体用于 sDSC 中(Zhang J. Photochem Photobio.，2007，189， 329)。也可使用低分子量有机p-半导体，即非聚合的，例如单体或低聚有机P-半导体。低分子量P-半导体在固体染料太阳能电池的首次使用用三苯胺(TH))的蒸气沉积层代替液体电解质。有机化合物2，2’，7，7’ -四(N，N- 二-对-甲氧基苯基胺)-9，9’ -螺二芴(spiro-MeOTAD)在染料太阳能电池中的使用报告于1998年。它可由溶液引入且具有相对高的玻璃化转变温度，这防止不想要的结晶和与染料的不良接触。甲氧基调整 spiro-MeOTAD的氧化电势,使得Ru配合物可有效地再生。在spiro-MeOTAD单独用作p_半导体的情况下，发现5%的最大IPCE (入射光子-电流转化效率，外光子转化效率)。当还使用作为掺杂剂的N(PhBr)3SbCl6和Li [CF3SO2) 2N]时，IPCE上升至33%，且效 率为O. 74%。 叔丁基批唳用作固体P-半导体在约1. 07cm2的作用面积下以约910mV的开路电压(V。。)和约5mA的短路电流Isc使效率提高至2. 56%(参见Kriiger等人,App1. Phys. Lett. , 2001, 79, 2085)。实现更好的TiO2层覆盖且具有在spiro-MeOTAD上的良好润湿的染料显示大于4% 的效率。当钌配合物具有氧化乙烯侧链时，报告了甚至更好的效率(约4. 6%)。L. Schmidt-Mende 等人，Adv. Mater. 17,第 813-815 页(2005)提出用于其中螺二芴作为无定形有机P-导体的染料太阳能电池的二氢吲哚染料。具有比钌配合物高4倍的消光系数的这一有机染料在固体染料太阳能电池中显示出高效率(在I日光下4. 1%)。另外，提出一种概念，其中将聚合物P-半导体直接结合在Ru染料上(Peter, K. , Appl. Phys. A. 2004，79，65)。Durrant 等人，Adv. Munc. Mater. 2006，16，1832-1838 陈述了在许多情况下，光电流直接依赖于从氧化染料至固体P-导体的空穴转移的收率。这取决于两个因素 首先取决于P-半导体在氧化物孔中的渗透度，其次取决于电荷转移的热力学驱动力(即尤其是染料与P-导体的之间的自由焓AG)。染料太阳能电池的一个缺点是可通过染料使用的光的比例通常受所用η-与P-导体的费米能级之间的能距离限制。光电压通常也受该距离限制。另外，由于所需的电荷传输，染料太阳能电池通常必须相当薄(例如1-2. 5微米)，使得入射光的利用通常不是最佳的。在各种进一步研究中已检查了具有低分子量P-半导体的不同染料太阳能电池的电和光电性能。其一个实例可以在。8&吐，论文4 1^&118&111^，2000(论文％. 2187)以及其中尤其第139-149页中找到。此处检查的一个特征是spiro-MeOTAD的非常低的导电率。例如，在层厚度为约2微米的膜中本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.07.23 EP 10170695.01.一种用于将电磁辐射转化成电能的光电元件(110)，尤其是染料太阳能电池(112)，其中光电元件(110)包含至少一个第一电极(116)、至少一种η-半导电金属氧化物(120)、至少一种电磁辐射吸收染料(122)、至少一种固体有机P-半导体(126)和至少一个第二电极(132)，其中P-半导体(126)包含至少一种金属氧化物(130)。2.根据权利要求1的光电兀件(110),其中ρ-半导体(126)包含至少一种有机基体材料(128)，其中将金属氧化物(130)混入，尤其是分散在基体材料(128)中。3.根据权利要求2的光电元件(110)，其中金属氧化物(130)基于基体材料(128)的重量比以O. 1-15%的比例，尤其是以O. 5-5%的比例，更优选以2. 5%的比例存在于ρ-半导体(126)中。4.根据权利要求2或3的光电元件(110)，其中金属氧化物(130)基本均匀地分布于基体材料(128)中。5.根据权利要求2-4中任一项的光电兀件(110),其中基体材料(128)包含至少一种低分子量有机P-半导体(126)。6.根据权利要求5的光电兀件(110),其中低分子量有机ρ-半导体(126)包含至少一种螺环化合物。7.根据权利要求5或6的光电兀件(110),其中低分子量有机ρ-半导体(126)选自螺环化合物，尤其是spiro-MeOTAD ;具有以下结构式的化合物8.根据权利要求1-7中任一项的光电元件(110)，其中金属氧化物(130)选自=V2O5；Nb2O5 ；Mo03 ；Mo02 ；Mo0x ；V0x ；W03 ；Re03 ;至少一种过渡族金属的氧化物，尤其是ReOx ；W0X ；WO3 ；Ce02 ;Ce2O3 ； Ce3O4 ;C4CeF12O12S4 ；Ce02/Gd ；Ce02/Y ；Cr03 ； Ta2O5 ；CeZr 氧化...
【专利技术属性】
技术研发人员：N·G·普希雷尔，I·布鲁德，R·森斯，P·埃尔克，
申请(专利权)人：巴斯夫欧洲公司，
类型：
国别省市：
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