[发明专利]染料敏化太阳能电池及其制备方法

说明书

本申请要求2009年11月17日提交的美国临时申请第61/261937号和2010年11月10日提交的美国申请第12/943507号的优先权。

技术领域

本发明的实施方式涉及导电金属氧化物膜、包含所述导电金属氧化物膜的制品，更具体地涉及包含所述导电金属氧化物膜的染料敏化太阳能电池(DSSC)。

背景技术

纳米线结构已在气体检测以及光学和电子学应用中显示出优势。制备纳米线结构的常规方法包括化学气相沉积(CVD)、常压化学气相沉积(APCVD)、物理气相沉积(PVD)、溶胶-凝胶、水热和电化学沉积方法。这些方法在大规模纳米线生产或者有序或对齐的纳米线结构的制备中可能是有利的。

涂覆有透明和/或导电膜的玻璃可以用于很多的应用，例如用于显示器用途，如作为显示器装置[例如液晶显示器(LCD)]的背板架构，以及用于手机的有机发光二极管(OLED)。涂覆有透明和/或导电膜的玻璃还可以用于太阳能电池应用，例如作为一些种类的光伏电池的电极，以及用于许多其他的快速发展的工业和应用。

透明导电氧化物(TCO)广泛用于LCD显示器面板、低辐射窗(Low-E window)，最近还用于光伏(PV)电池、电子纸及其他许多工业应用。虽然氧化镉(CdO)是历史上第一种TCO，大约发现于1907年，但今天用得最多的TCO是分别用于各种显示器面板和低辐射窗中的氧化铟锡(ITO)和掺氟氧化锡(FTO)。

TCO在性质上属于宽带半导体，通常经掺杂后成为导体；并且多数属于n型半导体，其费米能级ΔE～kT，正好位于导带最小能级下面。后来在1997年实现了第一种实用的p型TCO(即CuAlO₂)，自此出现了第二代“透明电子器件”领域。但是，近来受到很大关注的光伏装置需要高性能TCO作为透明电极。

染料敏化太阳能电池是太阳能电池中的一类，其中多孔载体介质(通常是金属氧化物，最常见的是氧化钛)用染料“敏化”，使得当染料吸收光时，受激电子能够转移到载体介质的导带中。电子必须从这里扩散，直至它到达导电覆板(入射太阳光)，并能够沿外电路移动。为了使光到达染料，导电覆板必须透明。

许多基本问题对染料敏化太阳能电池的效率有影响。更重要的问题之一是使通过从染料注入金属氧化物所产生的电子进入透明导电氧化物(TCO)电极。一旦处在金属氧化物中，电子可向任何方向扩散，因为此层中实际上没有电场。结果，许多电子在到达电极之前就在此层中遇到陷阱(常常是缺陷位)。这样，器件的效率下降。最大程度抑制此现象的一个途径是缩短产生每个电子的位点与导电电极之间的路径。但是，困难在于如何在不减小薄膜的实际厚度的情况下做到这一点，因为减小薄膜厚度会减少光路中染料的量，从而减少每单位入射功率(光)所产生的电子的数量。

开发一种可用于TCO应用，例如用于染料敏化太阳能电池的导电金属氧化物将是有益的。

发明内容

具有本文所述的导电金属氧化物层的太阳能电池克服了常规太阳能电池的上述一个或多个缺点。

一个实施方式是一种染料敏化太阳能电池，它包含导电金属氧化物层、与所述导电金属氧化物层接触的多孔半导电层、与所述多孔半导电层的至少一部分接触的染料和邻近所述染料的至少一部分的电解质，其中所述导电金属氧化物层包含纳米晶须(nano-whisker)。

包含含有纳米晶须的导电金属氧化物层的染料敏化太阳能电池可解决如何在不减小半导电层厚度的情况下缩短电子在半导电层中的路径长度的问题。

另一个实施方式是制备染料敏化太阳能电池的方法，所述方法包括：

提供含有纳米晶须的导电金属氧化物层；

在导电金属氧化物层上施加多孔半导电层；

在多孔半导电层的至少一部分上施加染料；以及

在染料的至少一部分附近施加电解质。

在以下的详细描述中列出了本发明的附加特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言由所述内容而容易理解，或按文字描述和其权利要求书以及附图中所述实施本发明而被认识。

应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述都只是对本发明的示例，用来提供理解要求保护的本发明的性质和特性的总体评述或框架。

所含附图用于进一步理解本发明，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图呈现了本发明的一个或多个实施方式，并与说明书一起用来解释本发明的原理和操作。

附图说明

可单独通过以下详述或通过以下详述并结合附图理解本发明。