专利名称：染料敏化太阳能电池用电解质组合物及使用其的太阳能电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电解质组合物，特别是一种适用于染料敏化太阳能电池 (Dye-Sensitized Solar Cell,DSC)的电解质组合物。本发明还涉及使用该电解质组合物的染料敏化太阳能电池。
背景技术：
随着人类文明发展，全球面临严重的能源危机及环境污染等问题。其中，以能将太阳能直接转变成电能的太阳能电池，作为解决全世界能源危机及降低环境污染的重要方法之一。在太阳能电池中，因染料敏化太阳能电池的制造成本低、可制成大面积、具可挠性、具透光性而可用于建筑物上等优异特性，逐渐成为一种极具有前景的新型太阳能电池。近年，GrStzel·等人发表一系列染料敏化太阳能电池相关文献(例如0’Regan，B.； Gratzel5M. Nature 1991，353，737)，显示染料敏化太阳能电池具有实用性。一般而言，染料敏化太阳能电池的结构包括阴/阳电极、纳米二氧化钛、染料及电解质，其中，电解质对电池效率有关键性的影响。在染料敏化太阳能电池中，理想的电解质必须具备不易挥发、不易泄漏、易封装、不易破坏染料及其他成份等特性。液态电解质是目前所知光电转换效率较高的电解质，一般而言，其有易挥发、 易泄漏及不易封装等缺点。为了解决上述问题，人们尝试了许多方法，例如离子液体 (N. Papageorgiou et al. , J. Electrochem. Soc, 1996, 143, 3099)；由聚合物及有机溶解盐所组成的胶体电解质(U. S. Pat. No. 6245847)。由于染料敏化太阳能电池中的电解质对电池效率有关键性的影响。因此，如何通过电解质提高染料敏化太阳能电池效率，已为太阳能电池业界亟欲解决的课题。
发明内容
鉴此，本发明提供一染料敏化太阳能电池用电解质组合物，包括(a)有机胺氢碘酸盐，重量百分比为2至25% ；(b)咪唑盐，重量百分比为2至25% ；(c)碘，重量百分比为0. 5至5% ；(d)硫氰酸胍(Guanidine thiocyanate, GuNCS)，重量百分比为 1 至 5% ；(e)苯并咪唑衍生物、吡啶衍生物或其混合物，重量百分比为2至15% ；以及(f)溶剂，重量百分比为50至92. 5%。优选的，组分(a)的重量百分比为5至20%;组分(b)的重量百分比为2至20% ； 组分(c)的重量百分比为0. 5至3% ；组分(d)的重量百分比为1至3% ；组分(e)的重量百分比5至10%;且组分(f)的重量百分比60至86.5%。最优选的，组分(a)的重量百分比为15. 1% ；组分(b)的重量百分比为2. 3% ；组分(c)的重量百分比为1. 3% ；组分(d) 的重量百分比为1.2% ；组分(e)的重量百分比8. 7% ；且组分(f)的重量百分比71.4%。
一具体实施例中，(a)有机胺氢碘酸盐可为氢碘酸三乙胺(Triethylamine hydroiodide, THI)、氢碘酸三丙胺(Tripropylamine hydriodide)、氢碘酸三丁胺 (Tributylamine hydriodide)、氧碘酸三戊胺(Tripentylamine hydriodide)、氧碘酸三己胺(Trihexylamine hydriodide)或其混合物，具体而言，混合物指本发明的电解质组合物中可包括两种以上前述有机胺氢碘酸盐。此外，优选的(a)有机胺氢碘酸盐为氢碘酸三乙胺、氢碘酸三丙胺、或氢碘酸三丁胺，或其混合物。最优选的有机胺氢碘酸盐为三乙胺氢碘酸盐。上述组分(b)咪唑盐可为1-甲基-3-丙基碘化咪唑鐺 (l-Methyl-3-propylimidazolium iodide， PMI I)、1，3- 二 ￥ S W ^
唑鐺(1,3-Dimethylimidazolium iodide),1-甲基 _3_ 乙基碘化咪唑鐺(1-Methy1-3-ethylimidazolium iodide),1-甲基-3- 丁基碘化咪唑鐺(l-Methyl-3-butylimidazolium iodide),1-甲基 _3_ 戊基碘化咪 ^ (I-Methy 1-3-pentyl-imidazolium iodide) ,1- ￥ S -3- S S IR 化咪唑鐺(l-Methyl-3-hexylimidazolium iodide) ,1-甲基 _3_ 庚基碘化咪唑鐺(l-Methyl-3-heptylimidazolium iodide),1-甲基-3-辛基碘化咪唑鐺(l-Methyl-3-octylimidazolium iodide),1,3- 二乙基碘化咪唑鐺(1,3-Diethylimidazolium iodide)、1_ 乙基-3-丙基碘化咪 ^ (1-Ethy 1-3-propylimidazolium iodide) ,1-乙 S -3- T S W it 咪唑鐺(l-Ethyl-3-butylimidazolium iodide)、1，3- 二丙基碘化咪唑鐺(1,3-dipropylimidazolium iodide),1-丙基 _3_ 丁基碘化咪唑鐺 (l-Propyl-3-butylimidazolium iodide)或其混合物。并以1_甲基_3_丙基碘化咪唑鐺、 1-甲基-3-乙基碘化咪唑鐺、1-甲基-3- 丁基碘化咪唑鐺、1-甲基-3-戊基碘化咪唑鐺、 1-甲基-3-己基碘化咪唑鐺、1，3- 二乙基碘化咪唑鐺、1-乙基-3-丙基碘化咪唑鐺、1-乙基-3- 丁基碘化咪唑鐺、1，3- 二丙基碘化咪唑鐺、1-丙基-3- 丁基碘化咪唑鐺或其混合物为优选；更优选的咪唑盐则为1-甲基-3-丙基碘化咪唑鐺、1-甲基-3-乙基碘化咪唑鐺、 1-甲基-3- 丁基碘化咪唑鐺、1-甲基-3-戊基碘化咪唑鐺、1-甲基-3-己基碘化咪唑鐺、 1，3- 二乙基碘化咪唑鐺、1-乙基-3-丙基碘化咪唑鐺、1-乙基-3- 丁基碘化咪唑鐺或其混合物；最优选地，则可选自1-甲基-3-丙基碘化咪唑鐺、1-甲基-3-乙基碘化咪唑鐺、 1-甲基-3- 丁基碘化咪唑鐺、1-甲基-3-戊基碘化咪唑鐺、1，3- 二乙基碘化咪唑鐺、1-乙基-3-丙基碘化咪唑鐺或其混合物。本发明的一个具体实施例中，(e)苯并咪唑衍生物、卩比啶衍生物或其混合物可为N-甲基苯并咪唑(N-Methylbenzimidazole，NMBI)、N- 丁基苯并咪唑 (N-Butylbenzimidazole, NBB)、叔丁基吡啶 Q-tert-Butylpyridine，4-TBP)或其混合物。本发明的一个具体实施例中，所使用的溶剂包括乙腈(Acetonitrile， ACN) ,3-甲氧基丙腈(3-Methoxyl-propionitrile，3-MPN)、N-甲基砒喀烷酮 (N-Methyl-2-pyrrolidone, NMP)、 Y _ 丁内酉旨(gamma—Butyrolactone，GBL)、碳酸丙j；希酉旨 (Propylene carbonate，PC)、碳酸乙烯酯(Ethylene carbonate, EC)或其混合物。另一方面，本发明也提供一种含有本发明电解质组合物的染料敏化太阳能电池。本发明染料敏化太阳能电池包括含有染料化合物的光电阳极(photoanode)；阴极(cathode)；以及使用本发明电解质组合物而位于光电阳极及阴极之间的电解质层(electrolyte layer)。具体而言，该电解质层形成于该阴极与该光电阳极接触的表面上。本发明染料敏化太阳能电池中，光电阳极包括基板、多孔性半导体膜、形成于该基板与多孔性半导体膜之间的导电膜、以及染料化合物，该染料化合物设置于导电膜上且填充于多孔性半导体膜的孔隙中，且该电解质层形成于该阴极与多孔性半导体膜之间。实际应用中，一般使用透明的基板及透明的导电膜，且透明基板的材质并无特别限制，只要是透明的基材均可使用。优选地，透明基板的材质为对于由染料敏化太阳能电池外部侵入的水分或气体具有良好遮断性、耐溶剂性、耐候性等的透明基材。透明基板的非限制性实例包括石英、玻璃等透明无机材料所制得的基板；聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚(萘二甲酸乙二酯)(PEN)、聚碳酸酯(PC)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚酰亚胺(PI)等透明塑胶基板。此外，透明基板的厚度并无特别限制，可依照透光率、染料敏化太阳能电池特性要求而自由选择。优选的，透明基板的材质为玻璃。此外，本发明染料敏化太阳能电池中，导电膜的材料可为氧化铟锡(ITO)、氟掺杂的氧化锡(FTO)、氧化锌-三氧化二镓(ZnO-Ga2O3)、氧化锌-三氧化二铝(ZnO-Al2O3)、或以锡为基础的氧化物材料。再者，本发明染料敏化太阳能电池中，多孔性半导体膜可使用半导体微粒制成。适当的半导体微粒可包括硅、二氧化钛、二氧化锡、氧化锌、三氧化钨、五氧化二铌、三氧化钛锶及其组合。优选的半导体微粒为二氧化钛。通常，半导体微粒的平均粒径为5至500纳米，优选10至50纳米。多孔性半导体膜的厚度为5至25微米。此外，作为染料敏化太阳能电池阴极的材料并无特别限制，可包括任何具有传导性的材料。或者，阴极材料也可以是一绝缘基材，只要有传导层形成于朝向光电阳极的基材表面上即可。通常，电化学穏定的物质就可作为阴极，且适用于阴极材料的非限制实例包括钼、金、碳、及其相似物。本发明提供一种新颖电解质组合物，适用于染料敏化太阳能电池。由于本发明电解质组合物具有优良的光电转换效率及长效稳性，使得利用本发明电解质组合物所制作的染料敏化太阳能电池具有优异的光电性质。
具体实施例方式以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，所属技术领域中的普通技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易了解本发明的功效及特点。为得到本发明染料敏化太阳能电池用电解质组合物，可将有机胺氢碘酸盐(如 THI、TEAI……等)与碘化咪唑鐺(如PMII、EMII……等)混合后，加入苯并咪唑化合物与硫氰酸胍，再以溶剂配制成适当浓度的电解质液体。本发明的染料敏化太阳能电池的制造方法并无特别限制，可用一般已知的方法制造。本发明使用的多孔性半导体膜仅用半导体微粒制成。适当的半导体微粒包括硅、二氧化钛、二氧化锡、氧化锌、三氧化钨、五氧化二铌、三氧化钛锶及其组合。因此，在光电阳极的制作中，先将半导体微粒配制成糊状物，再将其涂布到透明导电基板上，涂布方法可用刮墨刀、网印、旋转涂布、喷洒等或一般湿式涂布。此外，为了得到适当的膜厚，可以涂布一次或多次。半导体膜层可以为单层或多层，多层是指各层使用不同粒径的半导体微粒。例如，可先涂布粒径为5至50纳米的半导体微粒，涂布厚度为5至20微米，然后再涂布粒径为200 至400纳米的半导体微粒，涂布厚度为3至5微米。接着，在50至100°C干燥后，再于400 至500°C烧结约30分钟可制得一多层半导体膜层。至于设置于导电膜上且填充于多孔性半导体膜孔隙中的染料化合物，例如N-719 染料可先溶于适当的溶剂中配制成染料溶液。适当的溶剂包括乙腈、甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮或其混合物，但不以此为限。接着，将涂布有多孔性半导体膜的透明基板浸泡到染料溶液中，让该多孔性半导体膜充分吸附染料溶液中的染料， 干燥后即可制得染料敏化太阳能电池的光电阳极。本发明染料敏化太阳能电池的一具体制造方式如下。首先，将包括具有粒径为 20至30纳米的氧化钛微粒的糊状物，经一次或数次的网印涂布在覆盖有氟掺杂的氧化锡 (FTO)的玻璃板上，接着在450°C烧结30分钟。将染料化合物溶于体积比1 1的乙腈(acetonitrile，ACN)及叔丁醇 (t-butanol)的混合液中，配成染料溶液。接着，将上述含有多孔氧化钛膜的玻璃板浸泡在染料溶液中吸附染料溶液中的染料后，取出干燥即可得到一光电阳极(photoanode)。另外取一覆盖有氟掺杂的氧化锡玻璃，将该氧化锡玻璃板钻一直径为0. 75毫米的注入口，以备注入电解质用。接着，将氯钼酸(H2PtCl6)溶液涂布在覆盖有氟掺杂的氧化锡玻璃板表面上，然后加热到400°C处理约15分钟即可得到一阴极(cathode)。然后，将厚度60微米的热塑性聚合物膜配置在光电阳极和阴极之间，并围成一供容纳电解质的环形区域。在120至140°C下施加压力于此二电极，以粘合此两电极。将本发明电解质经由注入口注入，再用热塑性聚合物膜将注入口密封，即可得到本发明的染料敏化太阳能电池。以下通过特定的具体实施例进一步说明本发明的特点与功效，但非用于限制本发明的范畴。实施例1至3及比较例1的光电效率测试根据下表1所列的成分配制成电解质组合物，并使用N719染料制备成染料敏化太阳能电池，其中，比较例与实施例的差别在于比较例未使用氢碘酸三乙胺(THI)。光电效率测试的部份则将电池的短路电流(Jsc)、开路电压(Vre)、光电转换效率(η)及填充因子 (FF)纪录于表2。表 权利要求
1.一种染料敏化太阳能电池用电解质组合物，包括(a)有机胺氢碘酸盐，重量百分比为2至25%；(b)咪唑盐，重量百分比为2至25%；(c)碘，重量百分比为0.5至5%；(d)硫氰酸胍，重量百分比为1至5%；(e)苯并咪唑衍生物、吡啶衍生物或其混合物，重量百分比为2 15%；以及(f)溶剂，重量百分比为50至92.5%。
2.如权利要求1所述的电解质组合物，其中，所述(a)有机胺氢碘酸盐选自氢碘酸三乙胺、氢碘酸三丙胺、氢碘酸三丁胺、氢碘酸三戊胺、氢碘酸三己胺或其混合物。
3.如权利要求1或2所述的电解质组合物，其中，所述(b)咪唑盐选自1-甲基-3-丙基碘化咪唑鐺、1，3-二甲基碘化咪唑鐺、1-甲基-3-乙基碘化咪唑鐺、1-甲基-3-丁基碘化咪唑鐺、1-甲基-3-戊基碘化咪唑鐺、1-甲基-3-己基碘化咪唑鐺、1-甲基-3-庚基碘化咪唑鐺、1-甲基-3-辛基碘化咪唑鐺、1，3- 二乙基碘化咪唑鐺、1-乙基-3-丙基碘化咪唑鐺、 1-乙基-3- 丁基碘化咪唑鐺、1，3- 二丙基碘化咪唑鐺、1-丙基-3- 丁基碘化咪唑鐺或其混合物。
4.如权利要求1或2所述的电解质组合物，其中，所述(e)苯并咪唑衍生物、吡啶衍生物或其混合物选自N-甲基苯并咪唑、N- 丁基苯并咪唑、叔丁基吡啶或其混合物。
5.如权利要求1或2所述的电解质组合物，其中，所述(f)溶剂选自乙腈、3-甲氧基丙腈、N-甲基砒喀烷酮、Y-丁内酯、碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯或其混合物。
6.如权利要求3所述的电解质组合物，其中，所述(e)苯并咪唑衍生物、吡啶衍生物或其混合物选自N-甲基苯并咪唑、N- 丁基苯并咪唑、叔丁基吡啶或其混合物。
7.如权利要求6所述的电解质组合物，其中，所述(f)溶剂选自乙腈、3-甲氧基丙腈、 N-甲基砒喀烷酮、Y-丁内酯、碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯或其混合物。
8.如权利要求1所述的电解质组合物，其中，所述有机胺氢碘酸盐的重量百分比为 15. 1% ；咪唑盐的重量百分比为2. 3% ；碘的重量百分比为1. 3% ；硫氰酸胍的重量百分比为1.2%;该(e)苯并咪唑衍生物、吡啶衍生物或其混合物的重量百分比8. 7%;且该(f)溶剂的重量百分比71.4%。
9.一种染料敏化太阳能电池，包括(A)光电阳极；(B)阴极；以及(C)电解质层，形成于该阴极与该光电阳极接触的表面上，所述电解质层包括(a)有机胺氢碘酸盐；(b)咪唑盐；(c)碘；(d)硫氰酸胍；(e)苯并咪唑衍生物、吡啶衍生物或其混合物；以及(f)溶剂。
10.如权利要求9所述的染料敏化太阳能电池，其中，所述光电阳极包括基板、多孔性半导体膜、形成于该基板与多孔性半导体膜之间的导电膜、以及染料化合物，所述染料化合物设置于导电膜上且填充于多孔性半导体膜的孔隙中。
11.如权利要求10所述的染料敏化太阳能电池，其中，所述电解质层形成于所述阴极与多孔性半导体膜之间。
12.如权利要求9所述的染料敏化太阳能电池，其中，所述(a)有机胺氢碘酸盐选自氢碘酸三乙胺、氢碘酸三丙胺、氢碘酸三丁胺、氢碘酸三戊胺、氢碘酸三己胺或其混合物。
13.如权利要求9所述的染料敏化太阳能电池，其中，所述(b)咪唑盐选自1-甲基-3-丙基碘化咪唑鐺、1，3-二甲基碘化咪唑鐺、1-甲基-3-乙基碘化咪唑鐺、1-甲基-3- 丁基碘化咪唑鐺、1-甲基-3-戊基碘化咪唑鐺、1-甲基-3-己基碘化咪唑鐺、1-甲基-3 -庚基碘化咪唑鐺、1 -甲基-3 -辛基碘化咪唑鐺、1，3 - 二乙基碘化咪唑鐺、1 -乙基-3-丙基碘化咪唑鐺、1-乙基-3- 丁基碘化咪唑鐺、1，3- 二丙基碘化咪唑鐺、1-丙基-3- 丁基碘化咪唑鐺或其混合物。
14.如权利要求9所述的染料敏化太阳能电池，其中，所述(e)苯并咪唑衍生物、吡啶衍生物或其混合物选自N-甲基苯并咪唑、N- 丁基苯并咪唑、叔丁基吡啶或其混合物。
15.如权利要求9所述的染料敏化太阳能电池，其中，所述(f)溶剂选自乙腈、3-甲氧基丙腈、N-甲基砒喀烷酮、Y-丁内酯、碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯或其混合物。
16.如权利要求12所述的染料敏化太阳能电池，其中，所述(b)咪唑盐选自1-甲基-3-丙基碘化咪唑鐺、1，3-二甲基碘化咪唑鐺、1-甲基-3-乙基碘化咪唑鐺、1-甲基-3- 丁基碘化咪唑鐺、1-甲基-3-戊基碘化咪唑鐺、1-甲基-3-己基碘化咪唑鐺、1-甲基-3 -庚基碘化咪唑鐺、1 -甲基-3 -辛基碘化咪唑鐺、1，3 - 二乙基碘化咪唑鐺、1 -乙基-3-丙基碘化咪唑鐺、1-乙基-3- 丁基碘化咪唑鐺、1，3- 二丙基碘化咪唑鐺、1-丙基-3-丁基碘化咪唑鐺或其混合物；所述(e)苯并咪唑衍生物、吡啶衍生物或其混合物选自N-甲基苯并咪唑、N-丁基苯并咪唑、叔丁基吡啶或其混合物；且所述(f)溶剂选自乙腈、 3-甲氧基丙腈、N-甲基砒喀烷酮、Y-丁内酯、碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯或其混合物。
全文摘要
一种染料敏化太阳能电池用电解质组合物，包括有机胺氢碘酸盐；咪唑盐；碘；硫氰酸胍；苯并咪唑衍生物、吡啶衍生物或其混合物；以及溶剂。本发明提供一种染料敏化太阳能电池，包括光电阳极；阴极；以及本发明电解质组合物所形成的层，形成于该阴极与该光电阳极接触的表面上。使用本发明电解质组合物制得的染料敏化太阳能电池具有优异的光电转换性能，且电解质组合物的各组分相容性高，具有不易干涸并提供稳定光电转换效率的优点。
文档编号H01L51/42GK102347138SQ20101024437
公开日2012年2月8日 申请日期2010年8月4日 优先权日2010年8月4日
发明者李冠纬, 陈欣怡 申请人:台湾永光化学工业股份有限公司