包含离子层的染料敏化太阳能电池及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种染料敏化太阳能电池及其制备方法，更具体地说，是提供一种能防止由三碘化物引起的光电子复合的新型染料敏化太阳能电池及其制备方法。本发明专利技术的染料敏化太阳能电池特征在于表面包含将反应型化合物和染料共吸附的金属氧化物，其中所述反应型化合物可与碘发生反应。所述太阳能电池利用少量染料的同时，还能防止由三碘化物引起的光电子复合，因此具有很高的效率。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利摘要】本专利技术涉及一种染料敏化太阳能电池及其制备方法，更具体地说，是提供一种能防止由三碘化物引起的光电子复合的新型染料敏化太阳能电池及其制备方法。本专利技术的染料敏化太阳能电池特征在于表面包含将反应型化合物和染料共吸附的金属氧化物，其中所述反应型化合物可与碘发生反应。所述太阳能电池利用少量染料的同时，还能防止由三碘化物引起的光电子复合，因此具有很高的效率。【专利说明】
本专利技术涉及一种染料敏化太阳能电池及其制备方法，更具体地说，是提供一种能防止由三碘化物引起的光电子复合以及染料的解吸附的新型染料敏化太阳能电池及其制备方法。
技术介绍
太阳能电池装置是指通过使用在光照射下发生电子和空穴的光-吸收物质，直接产生电的装置，它是由光生伏特效应引起的，1839年，法国物理学家Beequerel首次发现了由光诱导的化学反应产生电流的光生伏特效应，之后在硒等固体中也发现了类似的现象。1991年瑞士的格拉切研究团队，报导了关于通过在纳米晶体结构的二氧化钛上化学吸附钌(Phophyrine)染料，并使用溶解于溶液电解质的碘和碘盐，制备光电转换效率为10%的太阳能电池的制备方法。这种染料敏化太阳能电池(以下，将其称为“DSSC”)的光电转换效率，一般比无定形硅作为原料的太阳能电池的效率更优异，是目前替代硅二极管的最为先进的技术之一。DSSC包含:由吸附有染料分子的多孔性二氧化钛纳米粒子构成的半导体电极以及由钼金或者碳包被的反电极；和填充所述半导体电极以及反电极之间的电解质。即，DSSC是在透明电极和金属电极间，吸附有染料的例如氧化钛的无机氧化物层间插入电解质，利用光电化学反应而制备的太阳能电池。一般DSSC是由两种电极(光电极和相向电极)和无机氧化物、染料及电解质构成。DSSC由于采用对环境无害的物质/材料，因此非常环保，并且具有较高的能量转换效率，仅次于现有的无机太阳能电池中的无定形硅系列的太阳能电池。并且其制备单价仅是硅太阳能电池的20%左右，因此其具有极好的商业化前景(美国专利第4，927，721号以及美国专利第 5, 350, 644 号)。DSSC装置的驱动原理为，向吸附有染料的钛氧化物层照射光时，染料吸收光电子(电子-空穴对)形成激子(exciton)，并且形成的激子由基态变换为激发态。因此，导致了电子和空穴对各自分离，电子进入到钛氧化物层，而空穴则移动至电解质层。在其外部设置外电路时，电子通过导线经过钛氧化物层，从正极移动至负极，从而产生电流。移动至负极的电子被电解质还原，从而使激发态电子不断移动，产生电流。为了提高DSSC的光电转换效率，首先应增加太阳光的吸收量，从而增加电子的生成量。由于太阳光的吸收量与吸附的染料量成正比，因此为了增加太阳光吸收量，应增加染料的吸附量，而为了增加单位面积染料的吸附量，应将氧化物半导体的粒子制备成纳米级别的大小，从而增加氧化物半导体表面积。但采用这种方法提高光电转换效率有一定的限度。依靠染料转移至半导体氧化物的电子，在通过半导体氧化物层的过程中，因太阳能电池中存在的化学物质的复合过程损失光电子。尤其是将碘和碘离子作为氧化-还原物质使用的DSSC中，复合反应的主要原因是在金属氧化物表面存在的光电子和3价碘离子或者氧化的染料间发生反应。为此，开发出了阻断光电子接近氧化物质，或者阻断氧化物质接近光电子的方法。公开的第一种方法为在P-型半导体空穴传输物质中导入乙二醇，螯合锂离子，筛选从二氧化钛逐渐接近的电子，从而延迟复合反应的方法(Taiho Park, et al.，Chem.Comm.2003, 112878; Saif A.Haque, et al., Adv.Func Mater.2004，14，435);而第二种方法是在电解质中加入具有较强毒性的碱性物质(例如芳香叔胺)，从而使开放电压升高的方法(M.K.Nazeeruddin, et al., J.Am.Chem.Soc., 1993, 115, 6382)。并且，还有在半导体电极上形成的半导体氧化物层的暴露表面以及传导基板的暴露表面上添加绝缘层的先例(韩国公开专利第2008-0029597号)以及将半导体电极的表面用招氧化物或者其它金属氧化物包膜后吸附染料的先例(Emilio Palomares, et al.，J.AmChem.Soc.2003, 125, 475-482;Shlomit Chappel, et al., Langmuir2002, 18, 3336-3342)。并且，还有将高分子薄膜混合使用于电解液，从而防止电解液的渗漏的方法(韩国公开专利第2009-0012911号)。但是这种方法无法控制在金属氧化物表面发生的光电子复合反应，因此需要能改善该问题的方案。并且，染料是通过在二氧化钛表面形成羧化物而吸附的，这种化学键可被电解液中的水分子或者由高温下电解液的热分解产生的亲核性分子解吸附，从而溶解至电解液中，而溶解的染料无法生成光电子，因此这被认为是降低DSSC的效率的主要原因。S卩，为了DSSC长期的稳定性，需要一种能去除DSSC内部的水分子或者亲核性分子的方法。
技术实现思路
(一)本专利技术要解决的技术问题本专利技术要解决的技术问题是提供一种通过限制3价碘离子接近金属氧化物表面，从而提高金属氧化物燃料电池的光效率，确保稳定性的新方法。本专利技术要解决的另一个技术问题是提供一种通过限制3价碘离子接近金属氧化物表面，以及染料的分散吸附，提高金属氧化物燃料电池的光效率，确保稳定性的新方法。本专利技术要解决的又一个技术问题是提供一种限制由3价碘离子引起的复合，并且染料的使用量少的新型染料敏化太阳能电池及其制备方法。(二)技术方案本专利技术的染料敏化太阳能电池特征在于，为防止电子与氧化物复合后消失的现象，在吸附有染料的金属氧化物上形成离子层，优选卤素离子层。本专利技术中，所述卤素离子层是碘离子层，或者溴离子层，其是通过与在金属氧化物表面形成的官能基团反应而形成，例如卤素与类似于双键的不饱和基团反应而形成(参考图1)。在实施本专利技术的过程中，在所述金属氧化物表面形成的双键官能基团，其形成方法优选在金属氧化物表面吸附末端包含官能基团的反应型化合物。所述反应型化合物优选与染料一同吸附至金属氧化物表面，此时作为共吸附剂在吸附过程中与染料竞争吸附至金属氧化物表面，不仅能减少染料的吸附量，防止染料聚团，如图2所示，在吸附后与如碘或者溴的卤素分子反应，在金属氧化物表面形成电子密度较高的如碘离子层的卤素离子层，如图3所示限制电解质中的3价碘离子的接近，避免光电子的复合反应。并且，改变金属氧化物表面的能量级，提升开放电压以及短路电流。并且，与电解液的水分子或者亲核性分子反应，防止染料的解吸附从而使装置能够长期驱动。在本专利技术中，所述反应型化合物的末端或者化合物链包含一个或者两个以上的双键，并包含羧酸、齒化酰基、烷氧基硅烷、齒化硅烷、磷，其可吸附于金属氧化物电极，可从其中选择一种或者两种以上混合使用，所述双键可与卤素发生反应来形成卤素离子层。本专利技术的优选实施例中，所述反应型共吸附剂可由下述通式(I)至(4)表示:【权利要求】1.一种染料敏化太阳能电池，包含半导体电极、反电极以及电解质，其特征在于，所述半导体电极中，在包含氧化物半导体的多本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：朴泰镐，权永洙，朴盛海，任锺徹，
申请(专利权)人：浦项工科大学校产学协力团，
类型：
国别省市：