[发明专利]全固态异质结太阳能电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种全固态的纳米结构无机-有机异质结太阳能电池及其制备方法，详细地，涉及在廉价而可高效率的染料敏化太阳能电池（DSSC；dye sensitized solar cell）的结构上，结合容易对从可见光到近红外线区域的宽区域的太阳能进行吸收的无机半导体基板薄膜型太阳能电池（inorganic thin-film solar cell）的优点和通过溶液工序可进行廉价制备的有机太阳能电池（organic solar cell）的优点的新型结构的太阳能电池及其制备方法。所述太阳能电池具有高效率，并且随时间稳定性优异，通过应用廉价的组成物质和廉价工序，容易制备廉价的太阳能电池。

背景技术

为了解决化石能源的枯竭及其使用所带来的地球环境问题，对像太阳能、风力、水力一样可以再生且清洁的替代能源正积极地展开研究。

其中，对从太阳光直接转化为电能的太阳能电池的关注大大增加。此处所谓的太阳能电池，是指从太阳光吸收光能，利用产生电子和空穴的光伏效应，从而生成电流-电压的电池。

现在可以制备光能转换效率超过20%的n-p二极管型硅（Si）单结晶基板太阳能电池，应用在实际的太阳光发电中，此外还有利用比其能量转换效率还要优异的如的砷化镓（GaAs）等化合物半导体的太阳能电池。但是，这种无机半导体基板的太阳能电池为了高效率化，需要高纯度的精制材料，因此在原材料的精制方面要消耗大量的能量，而且，在利用原材料进行单结晶或薄膜化的过程中，需要昂贵的工序设备，在降低太阳能电池的制备费用上有限，成为在大规模的应用上的障碍。

由此，为了以廉价制备太阳能电池，有必要大幅减少用作太阳能电池核心的原料或制备工序的费用，从而作为无机半导体基板太阳能电池的代行方案，正在积极展开利用廉价的原料和工序可以制备的染料敏化太阳能电池和有机太阳能电池的研究。

染料敏化太阳能电池是1991年由瑞士洛桑联邦理工大学的迈克尔.格兰泽尔（Michael Gratzel）教授首次开发成功，并报道在《自然》杂志中（第353卷，第737页）。

初期的染料敏化太阳能电池的结构是在通光通电的透明电极薄膜上，在多孔性光阴极（photoanode）上吸附吸光的染料后，再在上面设置另外的传导性玻璃基板，填充液体电解质的简单的结构。

染料敏化太阳能电池的工作原理是一旦在多孔光阴极表面上化学吸附的染料分子吸收太阳光，染料分子就会形成电子-空穴对，电子注入到作为多孔性光阴极使用的半导体氧化物的传导带，被传递到透明的传导性膜，产生电流。留在染料分子中的空穴，通过液体或固体型电解质的氧化-还原反应的空穴传导或空穴传导性聚合物，以向光阳极（photocathode）传输的形式构成完整的太阳能电池回路，在外部做功（work）。

在这种染料敏化太阳能电池的构成中，透明电导性膜主用使用FTO（Fluorine doped Tin Oxied，氟掺杂氧化锡）或ITO（Indium dopted Tin Oxide，铟掺杂氧化锡），作为多孔性光阴极使用能带隙宽的纳米粒子。此时，在选择染料敏化太阳能电池用纳米半导体氧化物（光阴极）时，首先考虑的部分为传导带的能量值。到目前为止一直在研究的氧化物主要为TiO₂、SnO₂、ZnO、Nb₂O₅等。在这些物质中，到目前为止已知表现为最好效率的物质为TiO₂。

特别是将光吸收良好且染料的最低未占分子轨道（lowest unoccupied molecular orbital）能级高于光阴极材料的传导带（conduction band）的能级，从而生成的激子分离变得容易，能够提高太阳能电池的效率的多种物质通过化学合成用作染料。到目前为止所报道的液体型染料敏化太阳能电池的最高效率在约20年间停留在11%~12%。虽然因液体型染料敏化太阳能电池的效率相对高而具有商用化的可能性，但存在由于挥发性电解质导致的随时间的稳定性问题和由于使用昂贵的钌系染料带来的需要廉价化的问题。

为了解决这一问题，虽然进行着代替挥发性液体电解质，利用离子性溶剂的非挥发性电解质的使用、聚合物凝胶电解质的使用及廉价的纯有机物染料的使用等研究，但比起利用了挥发性液体电解质和钌系染料的染料敏化太阳能电池，存在效率低的问题。