CN101093876A - 用于表面改性对电极的方法及经表面改性的对电极 - Google Patents

用于表面改性对电极的方法及经表面改性的对电极 Download PDF

Info

Publication number
CN101093876A
CN101093876A CNA2007101082827A CN200710108282A CN101093876A CN 101093876 A CN101093876 A CN 101093876A CN A2007101082827 A CNA2007101082827 A CN A2007101082827A CN 200710108282 A CN200710108282 A CN 200710108282A CN 101093876 A CN101093876 A CN 101093876A
Authority
CN
China
Prior art keywords
electrode
conducting material
electric conducting
substrate
photovoltaic devices
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CNA2007101082827A
Other languages
English (en)
Inventor
孙炳熙
朴商喆
姜龙洙
李龙键
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Samsung Electronics Co Ltd
Original Assignee
Samsung Electronics Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Samsung Electronics Co Ltd filed Critical Samsung Electronics Co Ltd
Publication of CN101093876A publication Critical patent/CN101093876A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G9/00—Electrolytic capacitors, rectifiers, detectors, switching devices, light-sensitive or temperature-sensitive devices; Processes of their manufacture
    • H01G9/20—Light-sensitive devices
    • H01G9/2022—Light-sensitive devices characterized by he counter electrode
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0224—Electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G9/00—Electrolytic capacitors, rectifiers, detectors, switching devices, light-sensitive or temperature-sensitive devices; Processes of their manufacture
    • H01G9/20—Light-sensitive devices
    • H01G9/2027—Light-sensitive devices comprising an oxide semiconductor electrode
    • H01G9/2031—Light-sensitive devices comprising an oxide semiconductor electrode comprising titanium oxide, e.g. TiO2
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G9/00—Electrolytic capacitors, rectifiers, detectors, switching devices, light-sensitive or temperature-sensitive devices; Processes of their manufacture
    • H01G9/20—Light-sensitive devices
    • H01G9/2059—Light-sensitive devices comprising an organic dye as the active light absorbing material, e.g. adsorbed on an electrode or dissolved in solution
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K85/00—Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
    • H10K85/30—Coordination compounds
    • H10K85/341—Transition metal complexes, e.g. Ru(II)polypyridine complexes
    • H10K85/344—Transition metal complexes, e.g. Ru(II)polypyridine complexes comprising ruthenium
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/542—Dye sensitized solar cells

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Hybrid Cells (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

本发明公开了用于改性对电极的表面的方法。根据该方法，该表面改性是通过用一端具有侧基的聚乙二醇衍生物处理对电极的表面而完成的。本发明还公开了其表面通过该方法改性的对电极。在光伏装置的对电极和电解质层之间的界面处的电子迁移速率得以增加，并且该对电极和电解质层的亲合性得到改善，使所述光伏装置的能量转换效率得到提高。

Description

用于表面改性对电极的方法及经表面改性的对电极
依照35 U.S.C§119(a)，本申请要求2006年6月19日提交的韩国专利申请No.2006-54801的优先权和从中产生的全部利益，该申请的内容在此全部引入作为参考。
技术领域
本发明涉及一种用于改性对电极的表面的方法，和其表面用该方法改性的对电极。更具体地，本发明涉及通过以下步骤改性对电极的表面的方法和其表面用该方法改性的对电极：用一端具有侧基的聚乙二醇衍生物处理对电极的表面，由此在光伏装置的对电极和电解质层之间的界面处获得增加的电子迁移速率，及获得该对电极对于该电解质层改善的亲合性。
背景技术
由于太阳电池，一种将太阳能转化为电能的光伏装置，利用与其它能源不同的、实际上取之不尽的太阳能，而且是环境友好的，因此其重要性不断增加。特别是，当太阳电池作为便携式数码通讯装置的电源时，如便携式计算机、手机和个人数码助手(PDA)等，希望这些装置能够仅由太阳能供电。
单晶或多晶硅基太阳电池已经得到广泛应用。但是，硅基太阳电池需要使用大型、昂贵的设备和高价的原料，导致相当高的制造成本。此外，硅基太阳电池在提高太阳能到电能的转换效率方面还面临许多难点。
在此情况下，人们开始对能够以较低成本制造的使用有机材料的太阳电池产生越来越大的兴趣。特别是，染料敏化太阳电池由于其低廉的制作成本受到广泛的关注。
染料敏化光伏装置是光电化学太阳电池，其包含：例如，包括透明电极的半导体电极，附着于透明电极的由纳米颗粒形成的多孔半导体层，和覆盖于多孔半导体层表面的染料；置于半导体电极对面的对电极；和介于两电极之间的氧化还原电解质溶液。染料敏化太阳电池的优势是高能量转换效率和低制作成本。
但是，由于染料敏化太阳电池是使用液态电解质的湿式电池，在太阳电池的长期使用中可能发生电解液的渗漏或挥发，导致太阳电池较低的可靠性和较差的长期稳定性(如能量转换效率迅速降低)等问题。
为解决湿式太阳电池的上述问题，人们开展了采用固态电解质或准固态空穴导体替代液态电解质的研究。第一个使用固态聚合物电解质作为空穴传输材料的太阳电池由巴西的De Paoli研究小组于2001年开发的，之后，出现了众多着眼于开发使用固态聚合物电解质的太阳电池的研究。
但是，使用聚合物电解质的太阳电池的能量转换效率低，这使得它们不适合其商品化。此外，与使用液态电解质的太阳电池相比，使用固态电解质的太阳电池离子电导率低。当太阳电池的聚合物电解质包括长分子链的聚合物时，聚合物电解质难于渗入纳米尺度的半导体颗粒间形成的孔隙中。此外，如果聚合物电解质不能充分包围半导体颗粒，以及不能在不短路的情况下与半导体颗粒完全接触，则太阳电池的电流密度会大大降低。或者，当太阳电池的聚合物电解质包括短分子链的液态或石蜡相聚合物时，则太阳电池的机械性质会劣化，并不可避免地发生如湿式太阳电池中的渗漏现象。
染料敏化太阳电池包括两个界面(即半导体电极/电解质界面和对电极/电解质界面)。太阳电池的性能在很大程度上取决于电子迁移速率和界面处的还原速率。特别是，由于固态聚合物和金属构成的太阳电池的对电极/电解质界面，会造成固体材料之间接触不充分。不充分的接触使得对电极与电解质层之间的电子迁移，与使用液态电解质时相比较为困难，从而导致太阳电池的能量转换效率降低。
发明内容
本发明克服了现有技术的上述问题，本发明的一方面包括提供如下方法：通过一端具有侧基(如巯基)的聚乙二醇衍生物处理对电极表面而改性对电极表面，以改善对电极与聚合物电解质的亲合性，使对电极与聚合物电解质之间的界面电阻减小，在该界面处的电子迁移速率得以提高，由此获得提高的能量转换效率。
本发明的另一方面包括提供用于光伏装置的对电极，该对电极的表面经过改性以改善对电极与聚合物电解质的亲合性。
本发明的又一方面包括提供具有高能量转换效率的光伏装置，其中对电极对电解质具有高亲合性。
根据本发明的示例性实施方式，用于改性对电极表面的方法包括在基底上安置导电材料形成导电层，并使用下式1表示的化合物对导电层的表面进行改性
Figure A20071010828200061
其中R是H或OH，X1是S，Se或Te，X2是O，S，Se或Te，和n是1～40的整数。
根据本发明的另一示例性实施方式，表面改性的对电极包括基底，形成于基底上的导电层，和形成于导电层上的表面改性涂层，其中导电层由导电材料形成，表面改性涂层由下式1表示的化合物形成：
Figure A20071010828200062
其中R是H或OH，X1是S，Se或Te，X2是O，S，Se或Te，和n是1～40的整数。
根据本发明的又一示例性实施方式，光伏装置包括表面改性的对电极。
所述光伏装置可以是固态染料敏化光伏装置。
附图说明
结合附图，从下面的详细描述中将更加清楚地理解本发明的以上和其它方面、特征，以及其它优点，其中：
图1是根据本发明的方法的示例性实施方式进行改性的对电极表面的状态示意图；
图2是包括本发明的对电极的光伏装置的示例性实施方式的截面示意图；
图3是根据本发明制作光伏装置的方法的示例性实施方式的流程图；以及
图4是本发明实施例1-4和对比实施例1制作的光伏装置的电流-电压特性曲线图。
具体实施方式
在下文中将参照附图更全面地描述本发明，其中给出了本发明的示例性实施方式。但是，本发明可以用多种不同形式来实施，并且不应被认为局限于本文中给出的示例性实施方式。相反，提供这些示例性实施方式，使得该公开内容将是彻底和完整的，且将充分地将本发明的范围传达给本领域技术人员。全文中相同附图标记表示相同元件。
应当理解的是，当元件称为“在另一元件之上”时，其可以是直接在其它元件之上或者其间可以存在插入元件。相反，当元件表示为“直接位于另一元件之上”时，则不存在插入元件。如本文中所使用的那样，术语“和/或”包括一种或多种相关列出项的任意和所有组合。
应当理解的是，虽然本文中可以使用术语第一、第二、第三等来描述各种元件、组件、区域、层和/或部分，但是这些元件、组件、区域、层和/或部分不应当受这些术语的限制。这些术语仅仅用于将一个元件、组件、区域、层或部分与另一元件、组件、区域、层或部分区别开。因此，在不背离本发明教导下，下面所讨论的第一元件、组件、区域、层或部分可以被称为第二元件、组件、区域、层或部分。
本文中所使用的术语(terminology)仅仅是出于描述特定实施方式的目的，而不意图用来限定本发明。如本文中所使用的那样，除非上下文中清楚地指出，单数形式“一个”及“该”还意指包括复数形式。另外应当理解的是，术语“包含”、“包括”和“含有”当用于本说明书中时，表示存在所述特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或前述组合，但是并不排除存在和/或加入一种或多种其它特征、整体、步骤、操作、元件、组件、集团和/或前述组合。
为了描述的方便，空间上相关的术语如“在...之下(beneath)”、“在...下面(below)”、“底部的(lower)”、“在...之上(above)”、“顶部的(upper)”等可以在本文中用于描述一种元件或特征与另一元件或特征的关系，如图中所示。应当理解的是，空间上相关的术语意指包含在使用或操作时设备除图中所示方位之外的不同方位。例如，如果将图中设备翻转，所述在其它元件或特征下面或之下的元件此时应被定位在其它元件或特征之上(above)。因此，示例性术语“在...下面(below)”可以包含在...之上(above)和在...下面(below)两种方位。该设备可以以其他方式定位(旋转90度或者在其它方位上)，并且相应地解释本文中所使用的空间上相关的描述词。
除非另外定义，否则本文中使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域的普通技术人员常规理解的相同含义。还可以理解的是，诸如在常用辞典中所定义的那些术语应当被解释为具有与它们在相关技术领域的上下文中相一致的含义，并且不应当以理想化或过于形式化的认识来解释，除非本文中清楚地这样定义。
在示例性实施方式中，本发明将对电极表面改性的方法的特征在于，用一端具有侧基的聚乙二醇衍生物将对电极进行表面改性。
具体地，本发明方法的示例性实施方式包括在基底上涂覆导电材料以形成导电层，并用下式1表示的化合物将导电层的表面进行改性：
其中R是H或OH，X1是S，Se或Te，X2是O，S，Se或Te，和n是1～40的整数。
对电极包括基底和涂覆于基底上的导电材料。电化学导电材料的非限制性实例包括高反射性材料，如铂，金，碳，和碳纳米管(CNT)。在示例性实施方式中使用了铂。
为了将对电极更好地表面改性，使用式1中的化合物，其中X1为硫而X2为氧。
基底可以为任何类型，只要它是透明的，其实例包括透明无机基底，如石英和玻璃，以及透明聚合物基底，如聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚碳酸酯、聚苯乙烯和聚丙烯。
对电极的表面改性可以通过涂覆工艺用含有式1化合物的涂覆液涂覆对电极表面而完成。所述涂覆工艺选自浸涂、旋涂、丝网印刷、喷涂、辊涂、刀涂、凹印辊涂(gravure coating)和刮涂。
涂覆以后，干燥所述含有具有侧基的聚乙二醇衍生物的涂覆液。干燥采用普通工艺进行，没有特殊限制。在示例性实施方式中，可以通过将涂覆液的溶剂在大气压和室温下缓慢蒸发至少24小时，之后真空(～10-2torr)干燥2小时来进行干燥。
可用于制备涂覆液的溶剂的实施例包括，但不限于：水；醇如甲醇，乙醇，异丙醇，丙醇，以及丁醇；酮如丙酮，甲乙酮，乙基异丁基酮，以及甲基异丁基酮；乙二醇类如乙二醇，乙二醇甲基醚，以及乙二醇单正丙醚；丙二醇类如丙二醇，丙二醇甲基醚，丙二醇乙基醚，丙二醇丁基醚，以及丙二醇丙基醚；酰胺如二甲基甲酰胺和二甲基乙酰胺；吡咯烷酮如N-甲基吡咯烷酮和N-乙基吡咯烷酮；二甲基亚砜；γ-丁内酯；羟基酯如乳酸甲酯，乳酸乙酯，β-甲氧基异丁酸甲酯，以及α-羟基异丁酸甲酯；苯胺如苯胺和N-甲基苯胺；正己烷；松油醇；氯仿；甲苯；丙二醇单甲醚乙酸酯(PGMEA)；以及N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)。
在另一示例性实施方式中，本发明涉及表面改性的对电极。图1是根据本发明的表面改性的对电极的示例性实施方式的示意图。参见图1，对电极300包含基底310，形成于基底310上的导电层320，以及形成于导电层320上的表面改性涂层330，其中导电层320由导电材料形成，而涂层330由下式1表示的带有侧基的化合物形成：
Figure A20071010828200091
其中R是H或OH，X1是S，Se或Te，X2是O，S，Se或Te，和n是1～40的整数。
在示例性实施方式中，式1的化合物包括巯基侧基。也就是，式1的化合物优选其中X1为硫而X2为氧的化合物。
对电极可以包括，不限于导电材料。只要将导电层布置在与半导体电极相对的对电极表面上，任何绝缘材料都可以用于形成对电极。希望使用电化学稳定的材料来形成对电极。电化学稳定材料的具体实例包括铂、金、碳和碳纳米管(CNTs)。为了提高氧化和还原反应的催化效果，与透明电极相对的对电极表面具有表面积增大的显微结构。例如，在示例性实施方式中，对电极包含铂黑或多孔碳。
如图1所示，用经一端具有侧基(例如，巯基)的聚乙二醇衍生物进行表面改性的对电极制作光伏装置，所述侧基结合至对电极，例如铂电极，以形成特定的结构体，如自组装单层膜(SAM)。例如，用一端具有巯基的聚乙二醇衍生物处理铂电极，形成铂-硫键，如下面的反应1所示。铂-硫键有助于改进对电极对电解质层的亲合性。
反应1
RSH+Pt→RS-Pt+H++e-(Pt)
RSSR+e-(Pt)→RS-Pt+RS-
带有侧基的聚乙二醇链的结构形态增加了对电极的比表面积和粗糙度。结果，对电极和电解质层之间的界面电阻减小，使得电极和电解质层界面处的电子迁移速率增加。由于光伏装置对电极的表面改性，对电极和电解质层界面处的电子迁移速率得以提高，对电极与电解质层的亲合性也得到改善，从而光伏装置的能量转换效率得到提高。改变各种条件，可以获得对电极更好的表面改性效果，这使得本发明表面改性的对电极作为光伏装置(包括太阳电池)的电极具有很高的价值。
本发明表面改性的对电极可以用作光伏装置特别是染料敏化光伏装置的对电极。尤其当本发明表面改性的对电极用于固态染料敏化光伏装置时，对电极和聚合物电解质间的界面电阻减小，由此使染料敏化光伏装置的电流密度增大。
图2是包含本发明表面改性的对电极的光伏装置的示例性实施方式的截面示意图。
参见图2，本发明的光伏装置包含半导体电极100，其包括由基底和涂覆于基底上的导电材料构成的透明电极110，形成于透明电极上的金属氧化物层130，和吸附于金属氧化物层130表面的染料150；相对于半导体电极100放置的对电极300；以及形成于半导体电极100和对电极300之间的电解质层200。
本发明光伏装置的透明电极110通过在基底上涂覆导电材料而形成。基底可以为任何类型，只要它是透明的，其实例包括透明无机基底，如石英和玻璃，以及透明聚合物基底，如聚对苯二甲酸乙二酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯和聚丙烯。
对于涂覆在基底上的导电材料，可以使用，例如，锡掺杂氧化铟(ITO)，氟掺杂氧化锡(FTO)，ZnO-Ga2O3，ZnO-Al2O3，或SnO2-Sb2O3。
本发明的光伏装置的光吸收层包括金属氧化物层130和吸附在金属氧化物层130表面上的染料150。光吸收层吸收尽可能多的光以达到高效率。为此，采用表面积扩大的多孔金属氧化物作为金属氧化物层的材料，染料吸附于多孔金属氧化物的孔隙中。
金属氧化物层130由以下至少一种金属氧化物形成，该金属氧化物选自但不限于，钛、铌、铪、铟、钨、锡和锌的氧化物。这些金属氧化物可以单独或以其组合的形式使用。示例性的金属氧化物包括TiO2，SnO2，ZnO，WO3，Nb2O5和TiSrO3。特别有代表性的氧化物是锐钛矿型TiO2。
希望金属氧化物层130具有大的表面积，以使吸附于金属氧化物层表面上的染料150吸收尽可能多的光，并提高吸附到电解质层200的吸附程度。在示例性实施方式中，金属氧化物具有选自纳米管，纳米线，纳米带和纳米颗粒等的纳米结构。
对于金属氧化物的粒径没有特别限制。金属氧化物的平均粒径为约1纳米(nm)至约200nm，尤其是约5nm至约100nm。如果需要，可以将两种或两种以上具有不同粒径的金属氧化物混合以散射入射光及提高量子产率。
通常用于光伏装置领域的任何染料均可用作染料150而没有限制。优选钌的络合物。除了钌的络合物之外，可以使用具有电荷分离功能并且为光敏的任何染料。特定染料包括呫吨染料如若丹明B，孟加拉玫瑰红，曙红和赤藓红；菁染料如醌菁(quinocyanine)和隐花青；碱性染料如酚藏花红，卡普里蓝(Capri blue)，6-巯基嘌呤核苷(thiosine)和亚甲基蓝，卟啉化合物如叶绿素，卟啉锌和卟啉镁；偶氮染料；络合物如酞菁化合物和三联吡啶钌(ruthenium trisbipyridyl)；蒽醌染料；多环醌染料；等等。这些染料可以单独或以组合的形式使用。
本发明的光伏装置的对电极300可以包括，但不限于，导电材料。只要导电层被安置在与半导体电极相对的对电极表面上，就可以使用任何绝缘材料来形成对电极。希望使用电化学稳定的材料制作对电极。电化学稳定材料的具体实例包括铂、金、碳和碳纳米管(CNT)。
本发明的光伏装置的电解质层200的电解质可以是固态电解质或含有可进行氧化还原反应的离子的凝胶型电解质。该凝胶型电解质可以包括交联基质和包含溶剂的电解质组合物，聚合物电解质可以包括交联基质。由于电解质层包括凝胶型电解质或完全固态的电解质，因此不会出现电解液的渗漏或挥发。因此，用于本发明光伏装置的电解质实际上不会引起光伏装置的性能劣化，从而是高度可靠的。
以下描述本发明的光伏装置的操作。吸附在金属氧化物层表面上的染料吸收光吸收层表面上的入射光，并经历由基态向激发态的电子跃迁，形成电子-空穴对。被激发的电子注入金属氧化物的导带并传输至电极，产生电动力。当由染料经光照产生的电子传输至金属氧化物的导带时，失去电子的染料接受来自电解质层的空穴传输材料的电子，之后，回到基态。
可以使用任何方法制作本发明的光伏装置。首先，制备用导电材料涂覆的透明电极。在透明电极的一面上形成金属氧化物半导体层。
考虑到所需要的物理性能，形成的简易性和形成成本，希望通过湿法形成该金属氧化物层。具体地，将金属氧化物粉末均匀分散于适当的溶剂中以制备糊剂。将糊剂涂覆于形成在基底上的透明导电膜上。此时，可以借助通用的涂覆方法进行涂覆，如喷涂，旋涂，浸渍，印刷，刮刀涂覆和溅射，以及电泳。
用涂覆方法形成金属氧化物层包括涂覆之后的干燥和焙烤。例如，可以在约50℃至约100℃进行干燥，可以在约400℃至约500℃进行焙烤。
接下来，金属氧化物层在含有感光染料的溶液中浸泡至少约12小时，以在金属氧化物表面吸附染料。可用于该含有感光染料溶液的合适溶剂的实例包括叔丁基醇、乙腈，和它们的混合物。
可以采用任何方法改性对电极的表面，只要式1的化合物用于提高对电极对电解质层的附着力即可，该方法的实例包括旋涂、浸涂、喷涂、辊涂、刀涂、凹印辊涂、丝网涂布(screen coating)、刮涂和电泳。
固态染料敏化光伏装置可以按照如下步骤制作。如图3所示，将聚合物电解质渗透入金属氧化物层的孔隙通常包括两个步骤。首先，将溶胶状的稀释的聚合物溶液均匀地渗入金属氧化物层的孔隙，并干燥(S1)。随后，将浓缩的聚合物溶液渗入孔隙并干燥，形成凝胶型聚合物电解质层(S2)。聚合物电解质层结合表面改性的对电极(S3)得到组装体。彻底除去溶剂之后，将组装体封装完成光伏装置(S4)的制作。
在下文中，将参照以下实施例更详细地说明本发明。但是，给出这些实施例是用于说明目的，而不应看作是对发明范围的限定。
实施例
实施例1至4：实验装置的制作
在玻璃基底上溅射氟掺杂的氧化锡(FTO)之后，将平均粒径约13nm的锐钛矿型TiO2颗粒的糊剂通过丝网印刷法涂覆于基底上，并在约70℃下干燥约30分钟。干燥完成后，将所获得的结构体置于电炉中，在空气中以每分钟约3℃的速度加热，在约450℃下保持约30分钟，再以每分钟约3℃的速度冷却，得到厚度为约12微米(μm)的多孔TiO2膜。随后，将其上形成有金属氧化物层的玻璃基底在顺式-二(异二硫代氰酸)双(2，2’-联苯基-4，4’-二羧酸根合)钌(II)二-四丁基铵)(cis-bis(isothiocyanato)bis(2，2’-bipyridyl-4，4’-dicarboxylato)-ruthenium(II)bis-tetrabutylammonium)染料的叔丁醇和乙腈(1∶1(v/v))的约30毫摩尔(mM)溶液中浸泡约24小时并干燥，以便在TiO2层的表面吸附染料。完成吸附后，在该层喷洒乙醇以除去未吸附的染料，并干燥。
将不同分子量的聚乙二醇-SH化合物(Mw：1K，2K和5K，SunBio，Inc.)在约40℃溶于作为溶剂的乙醇中，分别制备约0.1mM(实施例4)，约0.5mM(实施例3)，约1mM(实施例2)和约2mM(实施例1)的溶液。将约0.03M的H2PtCl6异丙醇(IPA)溶液旋涂于基底上，在约450℃焙烤约30分钟以制备铂对电极。将铂对电极单独在各个PEG-SH溶液中浸泡约24小时以便用涂覆溶液涂覆铂对电极表面，使其在大气压和室温下静置约24小时，并在约10-2托的真空下干燥约2小时。
另一方面，将KI和I2分别溶于聚乙二醇二甲基醚(Mw＝500)和乙腈中，然后将溶液混合。此时，KI使用的含量为约0.5wt％，I2使用的量相对于KI的重量为约10wt％。将相对于KI和I2总重量约9wt％的凝熔二氧化硅(fumed silica)加入混合溶液，均匀分散以制备聚合物电解质。
将电解质渗入TiO2层的孔隙中，在约40℃，氮气气氛下除去溶剂约24小时，形成凝胶型聚合物电解质。在聚合物电解质结合到对电极上之后，真空下除去痕量溶剂，完成染料敏化光伏装置的制作。
对比实施例1
用与实施例1至4相同的方法制作光伏测试装置，但没有将对电极的表面进行改性。
测试实施例1：测试装置的性能评价
测量实施例1至4和对比实施例1制作的装置的光电压和光电流以计算装置的能量转换效率。在测量中，使用氙灯(01193，Oriel)作为光源，用标准光伏装置(Frunhofer Institute Solar Engeriessysteme，Certificate No.C-ISE369，材料类型：Mono-Si+KG filter)校准氙灯的阳光模拟状况(solarcondition)(AM1.5)。由得到的光电流-光电压曲线确定光伏装置的光电流密度(Isc)，开路电压(Voc)和填充因子(FF)，依照下式计算光伏装置的能量转换效率(ηe)：
ηe(％)＝(Voc·Isc·FF)/(Pinc)×100
其中Pinc是100mw/cm2(1个标准太阳光强(sun))。
所获得的结果示于表1。此外，图4是光伏装置的电流-电压(I-V)特性曲线图。
表1
实施例编号  Isc(mA)  Voc(mV)  FF  能量转换效率(％)
对比实施例1  0.530  9.902  0.589  3.090
实施例1  0.540  11.130  0.489  2.941
实施例2  0.530  12.750  0.476  3.214
实施例3  0.550  22.275  0.483  5.919
实施例4  0.545  18.240  0.408  4.056
由表1的结果可见，对比实施例1制作的不包含表面改性的对电极的装置，显示了3.090％的能量转换效率，而实施例3制作的包含用约0.5mM聚乙二醇-SH溶液处理的Pt对电极的装置，显示了5.919％的更高的能量转换效率。
光伏装置的I-V特性表明，使用表面改性的对电极降低界面电阻，这导致装置的电流密度显著提高。也就是说，该装置表现出光电流密度增加而开路电压几乎不变。因此，根据本发明的方法表面改性对电极导致了光伏装置效率的提高。
测试实施例2：涂覆能力的测定
将PEG-SH溶于水和乙醇中，以制备具有表2所示浓度的涂覆溶液。测量表面未改性的铂电极与表面改性层的接触角，结果示于表2。
表2
 铂对电极上涂覆PEG-SH 接触角(°)
 纯铂电极 55-65
 H2O(0.5mM) 25
 H2O(1mM) 20
 EtOH(0.5mM) 10
 EtOH(1mM) 12-14
表2的结果显示，与表面未改性的铂对电极的接触角相比，用PEG-SH处理的铂对电极使得接触角减小，这表明PEG-SH使Pt对电极的亲水性提高。用以水作为溶剂的PEG-SH溶液涂覆的Pt对电极随着稀释浓度的提高，接触角减小以及亲水性提高。使用以乙醇作为溶剂的PEG-SH溶液涂覆铂对电极获得了更好的结果。
通过本发明的方法将对电极表面改性促进了染料敏化光伏装置的对电极与聚合物电解质界面处的电子迁移速率，导致光伏装置的界面电阻降低。降低的界面电阻提高了光伏装置的电流密度，因此，光伏装置的氧化还原反应速率增加，光伏装置的能量转换效率得以提高。
此外，通过优化多种条件可以获得对电极更好的表面改性效果，本发明的表面改性对电极作为光伏装置的电极具有很高的价值。
虽然参考过上述示例性实施方式对本发明进行了描述，这些示例性实施方式并非用于限定本发明的范围。因此，本发明所属领域的技术人员能够理解，在不违背本发明所附权利要求的范围和精神的前提下，各种修改、添加和替代都是可行的。

Claims (12)

1.一种用于改性对电极表面的方法，该方法包括：
将导电材料置于基底上形成导电层；和
用式1表示的化合物改性导电层的表面：
Figure A2007101082820002C1
其中
R为H或OH，
X1为S、Se或Te，
X2为O、S、Se或Te，和
n为1～40的整数。
2.权利要求1的方法，其中导电材料选自铂、金、碳和碳纳米管。
3.权利要求2的方法，其中导电材料为铂。
4.权利要求1的方法，其中式1中的X1为硫，且X2为氧。
5.权利要求1的方法，其中改性表面包括：通过涂覆工艺用含有式1化合物的涂覆溶液涂覆对电极的表面，该涂覆工艺选自浸涂、旋涂、丝网印刷、喷涂、辊涂、刀涂、凹印辊涂和刮涂。
6.权利要求5的方法，其中涂覆溶液包括至少一种选自以下的溶剂：醇、酮、乙二醇、丙二醇、酰胺、吡咯烷酮、羟基酯、苯胺、己烷、松油醇、氯仿、甲苯、丙二醇单甲醚乙酸酯和N-甲基-2-吡咯烷酮。
7.表面改性的对电极，包含：
基底；
在基底上形成的导电层；和
在导电层上形成的表面改性涂层，其中导电层由导电材料形成，而表面改性涂层由式1表示的化合物形成：
Figure A2007101082820002C2
其中
R为H或OH，
X1为S、Se或Te，
X2为O、S、Se或Te，和
n为1～40的整数。
8.权利要求7的表面改性的对电极，其中导电材料选自铂、金、碳和碳纳米管。
9.权利要求8的表面改性的对电极，其中导电材料为铂。
10.权利要求7的表面改性的对电极，其中式1中的X1为硫，且X2为氧。
11.光伏装置，包括：
透明半导体电极，其包含基底和涂覆在该基底上的导电材料；
在透明电极上形成的吸光层，所述透明电极上吸附有染料；
对电极，其和半导体电极相对布置；和
氧化还原电解质层，其形成于透明半导体电极和对电极之间，其中所述对电极包括由式1表示的化合物形成的表面改性涂层：
Figure A2007101082820003C1
其中
R为H或OH，
X1为S、Se或Te，
X2为O、S、Se或Te，和
n为1～40的整数。
12.权利要求11的光伏装置，其中电解质层包括固体电解质或含有进行氧化还原反应的离子的凝胶型电解质。
CNA2007101082827A 2006-06-19 2007-06-07 用于表面改性对电极的方法及经表面改性的对电极 Pending CN101093876A (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR54801/06 2006-06-19
KR1020060054801A KR101166018B1 (ko) 2006-06-19 2006-06-19 대향전극의 표면개질방법 및 표면개질된 대향전극

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN101093876A true CN101093876A (zh) 2007-12-26

Family

ID=38520992

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CNA2007101082827A Pending CN101093876A (zh) 2006-06-19 2007-06-07 用于表面改性对电极的方法及经表面改性的对电极

Country Status (5)

Country Link
US (1) US7947896B2 (zh)
EP (1) EP1870913A2 (zh)
JP (1) JP2008004550A (zh)
KR (1) KR101166018B1 (zh)
CN (1) CN101093876A (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102449844A (zh) * 2009-06-24 2012-05-09 新日铁化学株式会社 染料敏化太阳能电池
CN102810406A (zh) * 2012-09-11 2012-12-05 复旦大学 以聚苯胺/取向碳纳米管复合膜为电极的超级电容器及其制备方法
CN103038935A (zh) * 2010-07-27 2013-04-10 岛根县 防止催化剂从色素增感太阳电池及催化剂电极溶解析出的方法
CN103165290A (zh) * 2011-12-14 2013-06-19 海洋王照明科技股份有限公司 一种染料敏化太阳能电池及其制备方法

Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7915068B2 (en) * 2008-03-14 2011-03-29 Atomic Energy Council—Institute of Nuclear Energy Research Method for making solar cells with sensitized quantum dots in the form of nanometer metal particles
US9318706B2 (en) * 2008-07-30 2016-04-19 Sumitomo Chemical Company, Limited Laminated structure, method for producing same, and electronic element comprising same
KR101311384B1 (ko) * 2008-10-30 2013-09-25 에스케이이노베이션 주식회사 태양광 흡수층의 제조를 위한 무기박막의 제조 방법
CN101609869B (zh) * 2009-07-21 2011-05-04 上海大学 染料敏化光晶体管及其制备方法
US20110232715A1 (en) * 2010-03-26 2011-09-29 Sunpower Corporation Minimally penetrating photovoltaic assembly for use with a sloped roof and related methods
WO2011135901A1 (ja) * 2010-04-30 2011-11-03 シャープ株式会社 電極素子の製造方法、算出装置、及び電極素子製造装置
FR2978066B1 (fr) * 2011-07-22 2016-01-15 Commissariat Energie Atomique Procede de fonctionnalisation de nanofils metalliques et de fabrication d'electrodes
KR101405588B1 (ko) * 2011-11-15 2014-06-20 현대자동차주식회사 다공성 박막 필름 고체 전해질 제조방법 및 이를 이용하여 제조한 염료감응 태양전지
KR101406969B1 (ko) * 2013-05-10 2014-06-20 한국과학기술연구원 고체 전해질 염료감응형 태양전지의 제조 방법 및 이에 이용되는 전해질 충진 장치
KR102358817B1 (ko) * 2017-07-04 2022-02-09 한국전자통신연구원 광소자의 제조 방법
KR102208192B1 (ko) * 2017-11-24 2021-01-26 가천대학교 산학협력단 레이저 탈착 이온화 질량 분석용 기판 및 이를 이용하는 질량 분석 방법
CN110969931B (zh) * 2018-09-29 2022-08-23 杰宜斯科技有限公司 显示部模块的返工装置及方法
KR102471969B1 (ko) 2022-03-24 2022-11-29 주식회사 블루텍 전극제조방법, 전극제조장치 및 이를 이용해 제조된 전극
KR102456434B1 (ko) 2022-06-29 2022-10-19 주식회사 블루텍 암모니아를 원료로 활용하는 연소 시스템

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3735570B2 (ja) 2001-12-28 2006-01-18 株式会社東芝 電解質組成物用原料キット、光増感型太陽電池のゲル電解質用電解質組成物、光増感型太陽電池及び光増感型太陽電池の製造方法
EP1528580B2 (en) * 2003-01-15 2015-07-01 Nippon Shokubai Co., Ltd. Dye-sensitized type solar cell
WO2005055286A2 (en) * 2003-12-01 2005-06-16 Konarka Technologies, Inc. Zwitterionic compounds and photovoltaic cells containing same
WO2005122293A2 (en) * 2004-06-08 2005-12-22 Princeton University Formation of ordered thin films of organics on metal oxide surfaces
GB2432722A (en) * 2005-11-25 2007-05-30 Seiko Epson Corp Electrochemical cell and method of manufacture

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102449844A (zh) * 2009-06-24 2012-05-09 新日铁化学株式会社 染料敏化太阳能电池
US8921689B2 (en) 2009-06-24 2014-12-30 Nippon Steel & Sumikin Chemical Co., Ltd. Dye-sensitized solar cell
CN103038935A (zh) * 2010-07-27 2013-04-10 岛根县 防止催化剂从色素增感太阳电池及催化剂电极溶解析出的方法
US8993880B2 (en) 2010-07-27 2015-03-31 Shimane Prefectural Government Dye-sensitized solar cell and method for preventing elution of catalyst from catalyst electrode
US9183992B2 (en) 2010-07-27 2015-11-10 Shimane Prefectural Government Dye-sensitized solar cell and method for preventing elution of catalyst from catalyst electrode
US9214287B2 (en) 2010-07-27 2015-12-15 Shimane Perfectual Government Dye-sensitized solar cell and method for preventing elution of catalyst from catalyst electrode
CN105304339A (zh) * 2010-07-27 2016-02-03 岛根县 色素增感太阳电池
CN103038935B (zh) * 2010-07-27 2016-03-23 岛根县 防止催化剂从色素增感太阳电池及催化剂电极溶解析出的方法
CN103165290A (zh) * 2011-12-14 2013-06-19 海洋王照明科技股份有限公司 一种染料敏化太阳能电池及其制备方法
CN102810406A (zh) * 2012-09-11 2012-12-05 复旦大学 以聚苯胺/取向碳纳米管复合膜为电极的超级电容器及其制备方法
CN102810406B (zh) * 2012-09-11 2015-09-16 宁国市龙晟柔性储能材料科技有限公司 以聚苯胺/取向碳纳米管复合膜为电极的超级电容器及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
US20070289628A1 (en) 2007-12-20
EP1870913A2 (en) 2007-12-26
KR101166018B1 (ko) 2012-07-19
US7947896B2 (en) 2011-05-24
JP2008004550A (ja) 2008-01-10
KR20070120268A (ko) 2007-12-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101093876A (zh) 用于表面改性对电极的方法及经表面改性的对电极
Mozaffari et al. An overview of the Challenges in the commercialization of dye sensitized solar cells
Chen et al. A new photoanode architecture of dye sensitized solar cell based on ZnO nanotetrapods with no need for calcination
Chiu et al. High efficiency flexible dye-sensitized solar cells by multiple electrophoretic depositions
Iqbal et al. Progress in the performance of dye sensitized solar cells by incorporating cost effective counter electrodes
Gebeyehu et al. Hybrid solar cells based on dye-sensitized nanoporous TiO2 electrodes and conjugated polymers as hole transport materials
Cheng et al. High-efficiency metal-free organic-dye-sensitized solar cells with hierarchical ZnO photoelectrode
EP1562206B1 (en) Dye-sensitized solar cell having enlarged wavelength range for light absorption and method of fabricating same
Venkatesan et al. Indoor dye-sensitized solar cells with efficiencies surpassing 26% using polymeric counter electrodes
Vlachopoulos et al. New approaches in component design for dye-sensitized solar cells
Zhang et al. Development of flexible dye-sensitized solar cell based on pre-dyed zinc oxide nanoparticle
WO2008004580A1 (fr) Cellule solaire sensible à la coloration
Yue et al. Low-temperature prepared carbon electrodes for hole-conductor-free mesoscopic perovskite solar cells
Guillén et al. Solvent-free ZnO dye-sensitised solar cells
Yue et al. CdTe quantum dots-sensitized solar cells featuring PCBM/P3HT as hole transport material and assistant sensitizer provide 3.40% efficiency
EP2256764A2 (en) Dye-sensitized solar cell and organic solvent-free electrolyte for dye-sensitized solar cell
KR101190002B1 (ko) 염료감응 태양전지용 반도체 전극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 염료감응 태양전지
JP6367109B2 (ja) ピリジン系添加剤が含有された長期安定性固体状の染料感応太陽電池
US20110203644A1 (en) Quasi-solid-state photoelectrochemical solar cell formed using inkjet printing and nanocomposite organic-inorganic material
Baviskar et al. Dye-sensitized solar cells
Kim et al. Novel photo-crosslinkable polymeric electrolyte system based on poly (ethylene glycol) and trimethylolpropane triacrylate for dye-sensitized solar cell with long-term stability
JP4497999B2 (ja) 色素増感太陽電池
Desilvestro et al. FOR DYE-SENSITIZED SOLAR CELLS
KR101207603B1 (ko) 염료 감응형 태양전지용 기판의 염료 흡착 방법 및 이를 이용한 태양전지
TW201642501A (zh) 染料敏化太陽能電池及其製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Open date: 20071226