[发明专利]电极和染料敏化太阳能电池

说明书

技术领域

本发明涉及染料敏化太阳能电池(DSSC)用工作电极和DSSC以及工作电极和DSSC的制备方法。

背景技术

US 4927721和US 5084365公开了最早的实用DSSC之一(称作格兰泽尔电池(Gratzel cell))。它含有液体电解质和钌染料涂布的烧结的二氧化钛。此类型的DSSC的能量转换效率(ECE)已被报导高达10.4%，但性能和再现性的变化意味着通常可靠地获得约5%以下的低得多的ECE。DSSC的制造通常需要高温烧结工序，该工序已将基板限制为热稳定、刚性且透光的材料，如TCO涂布的玻璃。用于这种电池的TCO较为昂贵，并且透光率与横向电导率互消长。例如，透光率为85%的较薄层的TCO可能具有约15Ω/□的横向电阻率，而要实现10Ω/□的横向电阻率则透光率可能会降低至约75%。

中国专利1011001929公开了新一类的染料敏化太阳能电池，其中工作电极包括其上沉积有二氧化钛(TiO₂)多孔层的不锈钢网。当与其对电极组装成染料敏化太阳能电池(在TiO₂层上含有染料)时，工作电极具有下述重要优点，即，其在当光照射在其前侧面上工作，也就是，其在当光照射在不面向对电极的一侧上时工作。这不同于常规染料敏化太阳能电池，在常规染料敏化太阳能电池中，工作电极面向对电极并且通过折衷的透明导电层而被照射，工作电极为前照式构造或者对电极为背照式构造。

由于对工作电极所遮蔽的层进行外部电接触，因此以上类型的染料敏化太阳能电池通常被称作“背接触式”DSSC。它们也被称为“无透明导电性氧化物(无TCO)”的染料敏化太阳能电池。此类电池的最主要的优点在于，它们可使对电极和工作电极都不透明，使得能够使用由具有更受欢迎的性质(例如，可提高制造性的柔性和可改善工作电极和对电极中的横向电荷输送的导电性)的材料制得的电极。因此与常规染料敏化太阳能电池相比，它们更适于大规模生产和/或更大面积的电池的生产。

上述背接触式太阳能电池的大量形式和衍生品已经得到描述。实际上，它们全都具有以下共同特征，即，它们采用金属网(其通常为不锈钢或钛)作为工作电极用基板。其余则采用在附着于透光基板的多孔氧化钛的背侧上沉积金属层(通常是钛)。

例如，中国专利1011001929采用不锈钢网，其中网中的丝具有25μm的直径。网的最大厚度为57μm，孔口为约28μm²×28μm²。在Applied Physics Letters(2007),第90卷,第073501页中的标题为“Conductive mesh based flexible dye-sensitized solar cell”的文章中，描述了一种采用丝网(120目)的背接触式太阳能电池，其中丝的直径约0.067mm，并且网的总厚度为约0.150mm。在Applied Surface Science(2009),第255卷,第9020-9025页中的文章描述了一种背接触式太阳能电池，其中包含直径为约0.2mm的钛丝的网被用作工作电极基板。在Applied Physics Letters(2009),第94卷,第093301页中的文章中，采用的是涂布有钛金属的不锈钢网。该网含有直径为0.025mm的丝，介于其中的空隙(void)为0.025mm×0.025mm。在Chemistry of Materials(2008)，第20卷,第4974–4979页中的另一篇文章中，通过真空沉积将背接触的钛涂敷于在玻璃上的多孔TiO₂。

上述种类的背接触式染料敏化太阳能电池在最优制造和运行条件下可以实现5%～8%的太阳能效率。

使用网作为此类电池中的工作电极用基板的最主要的缺点在于，相交丝线之间的机械和电附着即使在粘合的网中也是弱点，并且在制造、安装或使用过程中弯曲时容易遭到损坏。

最近，已经认识到所采用的金属网的总厚度和存在于网中的空隙的大小在器件可实现的最大总太阳能效率方面发挥着关键作用。当经由电解质的所附着的TiO₂层的染料与对电极之间的物理距离最小化时，器件效率提高。即，器件运行过程中I^-/I_-3^-电解质中继物所必须横跨的路径长度越短，则效率可能越高。另外，被照射的染料涂布的TiO₂的面积越大，则器件的效率将越高。这是因为染料涂布的TiO₂在根本上充当着太阳能电池的集光表面。