专利名称：利用光电转换电极的染料敏化太阳电池及其制造方法
技术领域：
本发明涉及太阳电池，更具体地涉及包括过渡金属氧化物纳米颗粒半导体电极的染料敏化太阳电池。具体地，本发明涉及包括过渡金属氧化物纳米颗粒半导体电极的染料敏化太阳电池，其中金属线设置在构成模块的单元电池之间的空间中，其增加了受激发电子转移到半导体电极中的转移率，并显著减小了在大规模模块的制造过程中可能引起的光电转换效率的降低，由此增加了光电流。
背景技术：
当前可获得的染料敏化太阳电池，通常称为“Graetzel电池”，是采用光敏染料分子和由氧化钛纳米颗粒制造的氧化物半导体的光电化学太阳电池。染料敏化太阳电池相对于传统硅基太阳电池具有较低的制造成本，并且包括能够使其在建筑物外墙、玻璃房屋中等等安装的窗户中使用的透明电极。因此，关于染料敏化太阳电池已经进行了大量的研究。
图1是描述传统的染料敏化太阳电池的视图。参考图1，传统的染料敏化太阳电池包括第一电极1和第二电极2。其中吸附了染料5的多孔膜3和电解质4设置在第一电极1和第二电极2之间。当日光入射到染料敏化太阳电池中时，光子在染料5中被吸收。电子在染料5中被激发，并被注入到构成多孔膜3的过渡金属氧化物的导带中。在注入后，电子被输运或吸引到第一电极1，然后电子将电能转移到外部电路。已经通过能量转移而下落到较低能级的电子随后被送至第二电极。在由电解质4提供了与注入到多孔膜3的过渡金属氧化物的导带中的电子数目相对应的电子数目之后，染料5返回到原始状态。电解质4采用氧化和还原，即氧化还原反应，从第二电极中接收电子，然后将电子提供给染料5。
如上所述的传统太阳电池具有低制造成本并且很环保。然而，能量转换效率可能通过在涂覆有多孔膜的第一电极和电解质之间的界面处电子和空穴的复合而降低，这限制了实际的应用。考虑到这一问题，提出了具有如图2所示结构的染料敏化太阳电池。
参考图2，太阳电池具有三明治结构，其中两个电机板，即第一电极10和第二电极20彼此面对。由纳米颗粒制造的多孔膜30涂覆在第一电极10的表面上或直接位于其上。将其中电子通过吸收可见光而激发的光敏染料，贴附到多孔膜30的纳米颗粒的表面。第一电极10和第二电极20被接合并通过支承60固定，在第一电极10和第二电极20之间限定的空间被填充以氧化还原电解质40。
作为第一电极10，使用涂覆有由氧化铟锡制成的导电膜12的透明塑料基板或玻璃基板11等等。由至少两层制成的缓冲层50形成在第一电极10的导电膜12的表面上。缓冲层50包括由其导带能级低于多孔膜30的导带能级的材料制作的第一层51，和由其导带能级高于第一层51的导带能级的材料制作的第二层52。第一层51和第二层52由其颗粒尺寸小于构成多孔膜30的纳米颗粒的材料制成，并因此具有致密的结构。第一层51用作提高第一电极10和电解质40之间的界面特性，并因此减小在第一电极10和电解质40之间的界面处的空穴-电子复合，由此提高了电子俘获或收集特性。
在上述染料敏化太阳电池中，太阳电池的光电转换效率与通过日光吸收产生的电子数量成比例。在此方面，为了增加光电转换效率，提出了下列方法增加铂电极的反射率、采用多个微米尺寸的半导体氧化物光散射颗粒来增加日光吸收、或者增加光子吸收到染料中以增加电子数量的方法；防止受激发电子被电子-空穴复合消灭的方法；提高界面和电极的薄层电阻以增加受激发电子的转移率的方法，等等。然而，在大规模太阳电池或模块的制造期间可能降低光电转换效率，其限制了实际应用并导致大规模太阳电池的制造相当困难。
发明内容
本发明提供了一种染料敏化太阳电池，其中金属线设置在用作氧化物半导体电极的透明电极上，以增加电子的转移率并因此改善光电转换效率的减小。
特别地，本发明公开了一种染料敏化太阳电池，其中金属线设置在间隔物中，以防止金属线与构成模块的单元电池的直接接触。因此，防止了由金属线与电解质溶液或氧化物半导体层的直接接触造成的短路，以及电解质溶液对金属线的腐蚀。此外，无需增加阻挡层，而这是常用的金属线层所需要的。本发明公开了使用光电转换电极的染料敏化太阳电池，该太阳电池包括半导体电极、设置为与半导体电极相对的反电极、设置在半导体电极和反电极之间并在其上吸附有染料的氧化物半导体层、设置在半导体电极和反电极之间的电解质溶液、对半导体电极和反电极之间限定的空间进行划分以形成至少一个单元电池的间隔物、以及至少部分地在该至少一个单元电池之间限定的空间中进行构图的金属线。
本发明公开了使用光电转换电极的染料敏化太阳电池的制造方法，该方法包括制备具有导电层的半导体衬底、确定导电层上设置用于限定单元电池的间隔物的位置、在半导体衬底的导电层上确定的位置中形成金属线、在金属线上方形成间隔物、以及用电解质溶液填充单元电池，其中间隔物使金属线与电解质溶液绝缘。
应当理解，前面的大致描述和后面的详细描述都是示例性的和解释行的，并且旨在提供对于如权利要求所要求的本发明的进一步解释。
附图包含在此用于提供对本发明进一步的理解，并且构成说明书的一部分，其描述了本发明的实施例并且和说明书结合用于解释本发明的原理。
图1是描述常规染料敏化太阳电池的示意图。
图2是描述染料敏化太阳电池的示意截面图。
图3是描述根据本发明的染料敏化太阳电池的示意截面图。
图4是图3的太阳电池的透视图。
具体实施例方式
下面参考附图来描述根据本发明的染料敏化太阳电池。
图3是描述根据本发明的染料敏化太阳电池的示意截面图，图4是图3的太阳电池的透视图。
参考图3和图4，使用光电转换电极的染料敏化太阳电池具有类似三明治的结构，其中两个电极板，即半导体电极110和反电极120彼此面对。例如，两个电极可以基本上彼此平行。其中吸附有染料的氧化物半导体层130设置在半导体电极110和反电极120之间。具体地，氧化物半导体层130在半导体电极110的表面上形成。
氧化还原电解质溶液140设置在或填充在半导体电极110和反电极120之间的空间中。间隔物160，例如用作分隔壁的支承，设置在半导体电极110和反电极120之间的空间中，以便将半导体电极110和反电极120之间限定的空间进行划分以形成彼此分开预定距离的单元电池142。金属线150在单元电池142之间、即在单元电池142之间限定的空间中进行构图。这样，单元电池142的数目由设置在半导体电极110和反电极120之间的所划分空间的数目来确定。
半导体电极110包括半导体电极衬底111和用于在半导体电极衬底111的表面上形成的半导体电极的透明导电膜112。半导体电极衬底111可以由透明材料制成，例如玻璃、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二酯(PEN)、或者聚碳酸酯(PC)，并且可以用作太阳电池的阴极。涂敷在半导体电极衬底111的表面上的透明导电膜112可以由透明导电材料制成，例如氧化铟锡(ITO)或氧化氟锡(FTO)。因此，日光可以入射到并透射穿过具有上述结构的透明半导体电极110。
同时，设置为与半导体电极110相对的反电极120包括反电极衬底121、用于在半导体电极衬底121的表面上形成的反电极的透明导电膜122、以及形成在透明导电膜122的表面上的导电膜123，其中导电填料包括铂或贵金属。
反电极衬底121可以是透明塑料衬底，包括玻璃衬底或PET、PEN、PC、聚丙烯(PP)、聚酰亚胺(PI)和三乙酰纤维素(TAC)。用于反电极的透明导电膜122可以是由ITO或FTO制成的透明且导电的膜。
形成在透明导电膜122的表面上的导电膜123可以是由铂制成的导电膜，其是通过在透明导电膜122上湿涂敷有机溶剂(甲醛、乙醇、异丙醇等等)中的H2PtCl6溶液而获得的。湿涂敷之后是400℃下的高温处理，例如热处理，或者进一步在空气或氧气气氛中，或者通过电镀或物理汽相沉积(PVD)(诸如溅射、e束蒸发等等的技术)。这里，湿涂敷可以通过旋转涂敷、浸渍涂敷或流式涂敷来实现。
这样，在本发明的非限定实施例中，太阳电池包括其上吸附有光敏染料分子的半导体电极110、其中涂敷了包含铂的导电膜123的反电极120、以及填充在半导体电极110和反电极120之间的氧化还原电解质溶液140。半导体电极110包括半导体电极衬底111，其可以是涂敷有ITO或FTO的透明导电玻璃衬底。金属布线150设置在间隔物160中。间隔物160为在涂敷有透明导电膜112的半导体电极衬底111上形成的氧化物半导体层130提供了支承结构，例如侧面支承。根据干法或者湿法，间隔物160设置或安装为以便划分半导体电极110和反电极120之间的空间，并形成将要填充电解质溶液140的单元电池142。
通过将至少包括铂的导电膜123和氧化物半导体层130设置为彼此面对、并提供由SURLYN(DupontTM的商标)制成的聚合物层用作金属线150上的间隔物160、然后当其处于大约100℃的温度下时按压聚合物层用作金属线150上的间隔物160，从而附着半导体电极110和反电极120。间隔物160可以通过各种其他技术形成，诸如通过使用SURLYN以外的各种聚合物粘接剂其中之一的滴涂器(dispenser)方法。
例如，氧化还原电解质溶液140可以通过在乙腈中溶解碘(I)源，即0.5M的四丙基铵碘化物或0.8M的碘化锂(LiI)和0.05M的碘(I2)来制备。
金属线150与填充在单元电池142中的电解质溶液140通过间隔物160而隔离或者分开。金属线150可以由Au、Ag、Al、Pt、Cu、Fe、Ni、Ti、Zr或上述金属中的两种或多种的合金制成。
根据本发明的实施例，金属线150可以通过已知构图方法，诸如丝网印刷法、印制法或滴涂器法，对选自Au、Ag、Al、Pt、Cu、Fe、Ni、Ti和Zr中的一种或多种元素的金属胶进行构图而形成。或者，金属线150可以通过丝网印刷法、印制法或滴涂器法，对选自Au、Ag、Al、Pt、Cu、Fe、Ni、Ti和Zr中的一种或多种的胶状溶液进行构图而形成。
此外，金属线150可以使用光刻工艺与化学沉积、溅射和电沉积其中一种的组合，对选自Au、Ag、Al、Pt、Cu、Fe、Ni、Ti和Zr中的一种或多种元素的制成的金属膜进行蚀刻而形成。
这样，在非限定实例中，为了将金属线150与电解质溶液140隔离，金属线150形成得比间隔物160更窄，例如，金属线完全包含在间隔物160中。换言之，金属线150形成为使得其掩埋在间隔物160中。
如图4所示，金属线150环绕单元电池142，这是由于其位于形成用作划分单元电池的边界的空间中。由于金属线150形成为掩埋在间隔物160中，在金属线150形成之后或形成期间，即使单元电池142的数目由于大规模太阳电池或模块的制造而增加，金属线150也可以适当地进行安装。采用这种设置，受激发的电子到半导体电极110中的转移率增加，由此防止了光电转换效率的下降。
金属线150具有大约0.1到30μm的厚度或直径。单元电池142通常形成为方形或矩形形状，然而本发明并不限于此。单元电池142可以形成为具有预定的形状。然而，金属线150应当根据由间隔物160划分的单元电池142的形状而掩埋在间隔物160中，以便金属线150不暴露于反电极120或电解质溶液140。
例如，当单元电池142形成为方形形状时，则每个单元电池的侧边长度在大约0.1到30mm的范围内。可以理解，可以存在多于一个单元电池142。如图3和图4所示，金属线150沿着划分单元电池142的间隔物160、以掩埋在间隔物160中的方式形成在半导体电极110上。
描述了染料敏化太阳电池的制造方法，该太阳电池包括在其上根据本发明实施例形成金属线的半导体电极。
制备半导体电极衬底111。例如，半导体电极衬底111可以是具有良好透明性的衬底，其是并且能够用作太阳电池的阴极，例如玻璃衬底、PET衬底、PEN衬底或PC衬底、或涂敷有诸如ITO或FTO的透明导电材料的衬底。
在限定了用于氧化物半导体层130的位置的半导体电极衬底的导电层上确定用于间隔物160的位置，例如预定位置。间隔物160还防止了在制造模块期间单元电池142之间的电极短路。间隔物160还限定了半导体电极110和反电极120之间的将要填充电解质溶液的空间。当确定了用于间隔物的位置时，金属线形成为具有与将要形成的间隔物相同的图案或空间。金属线应当比间隔物更窄，以便防止由于暴露金属线导致的金属线和电解质溶液的直接接触。
金属线可以根据各种方法和构图技术进行构图。根据本发明的实施例，构图是在半导体电极衬底的表面上直接进行的。例如，构图可以采用选自金、银、铂及其合金中的高导电性金属颗粒的胶或胶状溶液，并采用下列技术中的一种，即丝网印刷技术、印制技术和滴涂器技术施加到表面来进行。此外，构图也可以通过将光刻工艺与诸如化学汽相沉积(CVD)或溅射的沉积工艺结合来进行。此外构图可以通过蚀刻利用电沉积或电镀形成的金属膜来进行。
当金属线150通过上述任一一种方法进行构图时，氧化物半导体胶涂敷并施加到金属线之间的半导体电极110的表面，并被加热以形成氧化物颗粒之间的颈缩(necking)。光敏染料于是被吸收到所产生的半导体电极衬底结构中，其完成了氧化物半导体电极110的形成。例如，光敏染料可以选择下列金属络合物中的一种，诸如Al、Pt、Pd、Eu、Pb或者Ir，其中光敏染料优选由钌染料(Ru染料)分子形成。
此外，制备反电极120。反电极120通过湿法涂敷工艺，例如旋转涂敷、浸渍涂敷或流式涂敷以ITO或FTO涂敷的透明或玻璃衬底、或者具有诸如甲醛、乙醇、异丙醇等等的有机溶剂中的H2PtCl6溶液的透明导电聚合物膜而形成的，之后是400℃下的高温处理，或者进一步在空气或氧气气氛中，或者采用电镀或PVD，诸如溅射或e束蒸发，在玻璃衬底上涂敷由铂制成的导电膜。
通过将导电膜和氧化物半导体层设置或定位为彼此面对，例如彼此平行，以及将例如SURLYN的聚合物层形成为金属线150上的间隔物、然后当其处于大约100℃的温度下时将聚合物层按压到金属线150上，从而附着或耦合半导体电极和反电极。或者，除了使用SURLYN以外，间隔物160还可以通过各种聚合物粘接剂其中之一的滴涂器方法来形成。
接着，将氧化还原电解质溶液140施加或填充在单元电池142中。氧化还原电解质溶液140可以通过在乙腈中溶解碘源，如0.5M的四丙基铵碘化物或0.8M的LiI、和0.05M的I2来制备。将如此制备的电解质溶液通过穿过反电极形成的入口136注入或施加到单元电池142。在施加了电解质溶液140之后，入口被密封或由密封部分134覆盖。密封部分134可以由环氧树脂或SURLYN制成。用于密封入口的玻璃(参见图3的132)设置在密封部分上，由此完成了一个太阳电池。可以理解，多个这种入口136可以形成在反电极120中，以提供给电解质溶液140。
根据至少在上述本发明的实施例中描述的染料敏化太阳电池，金属线设置在用作氧化物半导体电极的透明电极上。因此，可以提高染料中受激发的电子到氧化物半导体电极中的转移率，这样，可以改善在大规模染料敏化太阳电池或模块的制造中可能发生的光电转换效率下降。
和没有金属线的常规太阳电池相比，本发明的染料敏化太阳电池呈现出大约35％的光电转换效率增加。此外，金属线提供在间隔物中，其防止了在氧化物半导体电极和反电极之间发生的短路，并限定了将要填充电解质的空间。因此，无需形成单独的涂敷层，通常称为保护层或阻挡层，以防止在金属线和电解质溶液或氧化物层之间发生的短路，以及金属线被电解质溶液腐蚀。
对于本领域技术人员显而易见的是，可以在本发明中进行各种修改和变型而不背离本发明的主旨和范围。因此，本发明意图覆盖落在附属权利要求及其等价物范围内的本发明的各种修改和变型。
权利要求
1.具有光电转换电极的染料敏化太阳电池，该太阳电池包括半导体电极；设置为与半导体电极相对的反电极；设置在半导体电极和反电极之间并在其上吸附有染料的氧化物半导体层；设置在半导体电极和反电极之间的电解质溶液；对半导体电极和反电极之间限定的空间进行划分以形成至少一个单元电池的间隔物；以及至少部分地在该至少一个单元电池之间进行构图的金属线。
2.根据权利要求1的染料敏化太阳电池，其中金属线完全地在至少一个单元电池之间限定的空间中进行构图。
3.根据权利要求1的染料敏化太阳电池，其中半导体电极包括半导体电极衬底；和形成在半导体电极衬底上的透明导电膜。
4.根据权利要求3的染料敏化太阳电池，其中反电极包括反电极衬底；形成在反电极衬底上的透明导电膜；和形成在透明导电膜上的导电膜。
5.根据权利要求4的染料敏化太阳电池，其中导电膜包括铂。
6.根据权利要求1的染料敏化太阳电池，其中金属线包括选自Au、Ag、Al、Pt、Cu、Fe、Ni、Ti和Zr中的金属，或上述金属中的两种或多种的合金。
7.根据权利要求6的染料敏化太阳电池，其中使用包括金属或金属合金的金属胶，通过丝网印刷法、印制法或滴涂器法对金属线进行构图。
8.根据权利要求6的染料敏化太阳电池，其中使用包括金属或金属合金的胶状溶液，通过丝网印刷法、印制法或滴涂器法对金属线进行构图。
9.根据权利要求6的染料敏化太阳电池，其中通过将光刻工艺与化学沉积、溅射或电沉积其中的一种结合来蚀刻包括金属或金属合金的膜，从而对金属线进行构图。
10.根据权利要求1的染料敏化太阳电池，其中间隔物将金属线与电解质溶液隔离开来。
11.根据权利要求10的染料敏化太阳电池，其中金属线比间隔物更窄。
12.根据权利要求10的染料敏化太阳电池，其中金属线约为0.1到30μm厚。
13.根据权利要求1的染料敏化太阳电池，其中至少一个单元电池是矩形形状的。
14.根据权利要求13的染料敏化太阳电池，其中每个单元电池的每个侧边的长度约为0.1到30mm。
15.根据权利要求1的染料敏化太阳电池，其中间隔物围绕金属线形成以将金属线与电解质溶液隔离开来。
16.一种制造使用光电转换电极的染料敏化太阳电池的方法，该方法包括制备具有在半导体电极衬底上形成的导电层的半导体电极；确定导电层上用于将设置用于形成单元电池的间隔物的位置；在导电层上所确定的位置处形成金属线；在金属线上方形成间隔物；以及将电解质溶液添加到单元电池，其中间隔物将金属线与电解质溶液隔离开来。
17.根据权利要求16的方法，其中金属线包括选自Au、Ag、Al、Pt、Cu、Fe、Ni、Ti和Zr中的金属，或上述金属中的两种或多种的合金。
18.根据权利要求16的方法，还包括使用包括金属或金属合金的金属胶，通过丝网印刷法、印制法或滴涂器法对金属线进行构图。
19.根据权利要求16的方法，还包括使用包括金属或金属合金的胶状溶液，通过丝网印刷法、印制法或滴涂器法对金属线进行构图。
20.根据权利要求16的方法，还包括通过将光刻工艺与化学沉积、溅射或电沉积其中的一种结合来蚀刻包括金属或金属合金的膜，从而对金属线进行构图。
全文摘要
一种具有光电转换电极的染料敏化太阳电池。该太阳电池包括半导体电极，设置为与半导体电极相对的反电极，设置在半导体电极和反电极之间并在其上吸附有染料的氧化物半导体层，设置在半导体电极和反电极之间的电解质溶液，对半导体电极和反电极之间限定的空间进行划分以形成至少一个单元电池的间隔物，以及至少部分地在该至少一个单元电池之间进行构图的金属线。
文档编号H01M14/00GK1716641SQ20051008106
公开日2006年1月4日 申请日期2005年6月29日 优先权日2004年6月29日
发明者崔在万, 李知爰, 李禾燮, 安光淳, 朴晶远, 申炳哲 申请人:三星Sdi株式会社