CN101217184A - 使用离子结合低聚物络合物的染料敏化太阳能电池及制法 - Google Patents

使用离子结合低聚物络合物的染料敏化太阳能电池及制法 Download PDF

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Abstract

提供使用离子结合的低聚物络合物的染料敏化太阳能电池。该染料敏化太阳能电池包括电解质，其包括在分子两端具有含氮杂原子的C5－30杂芳基作为碱性官能团的第一低聚物，该第一低聚物与在分子两端具有选自羧酸、磷酸和磺酸的酸性官能团的第二低聚物混合，从而形成盐，其然后产生构成所述电解质的离子结合的低聚物络合物。所述太阳能电池表现出优异的机械性能，可易于制造，并具有高的能量转换效率。

Description

使用离子结合低聚物络合物的染料敏化太阳能电池及制法
相关申请的交叉引用
本非临时申请根据U.S.C§119(a)要求于2007年1月5日提交的韩国专利申请No.10-2007-0001365的优先权，其全部内容通过引用在这里引入。
技术领域
本发明主要涉及含有离子结合的低聚物络合物的染料敏化太阳能电池。更具体地说，本发明涉及含有离子结合的低聚物络合物电解质的染料敏化太阳能电池，其包含在分子两端具有含有氮杂原子的C5-30杂芳基作为碱性官能团的第一低聚物，该第一低聚物与在分子两端具有酸性官能团的第二低聚物混合。在分子两端的该酸性官能团可选自羧酸、磷酸和磺酸，从而形成盐。该太阳能电池表现出期望的机械性能，可易于制造，并可具有高的能量转换效率。还提供用于制造含有离子结合的低聚物络合物的染料敏化太阳能电池的方法。
背景技术
通常，太阳能电池是用于将太阳光转化为电能的光伏元件。与其它能源不同，太阳能电池可不受限制地使用，对环境友好，并因此被期望逐渐成为日益重要的能源。特别地，期望太阳能电池可仅使用太阳光充电，且因而可安装在各种便携式信息装置上如便携式计算机、移动电话、个人便携式终端等。
常规地，由单晶或多晶硅制成的硅太阳能电池已被主要地应用。然而，硅太阳能电池由于需要使用大型且昂贵的设备，并从而制造成本高，因而存在缺陷。此外，由太阳能向电能转换效率增加的能力受到限制。因此，需要新的替代物。
该硅太阳能电池的替代物为由可廉价制造的有机材料构成的太阳能电池。特别地，考虑具有极低制造成本的染料敏化太阳能电池。该染料敏化太阳能电池是一种光电化学太阳能电池，其包含由具有吸附于其上的染料微粒的金属氧化物纳米微粒构成的光电极、对电极和装载在该两个电极之间的空间中的氧化还原电解质。所述光电极由导电透明基底、含有金属氧化物的金属氧化物层和染料组成。
当太阳光入射到该太阳能电池上时，光子首先被染料吸收。当染料吸收太阳光时，其转变为激发态，如此使得电子转移至金属氧化物的导带，空穴转移至电解质层。将电子传输至该电极上，然后流向外电路以传输电能，之后它们以较低能态转移至对电极，在那里耗尽所传输的能量。
尽管使用液体电解质的常规染料敏化太阳能电池具有高能量转换效率，但因电解质渗漏和溶剂蒸发，其性能随着时间恶化。该不稳定性已经涉及在低温下盐的检测和有机溶剂的使用。从而，这类太阳能电池很难商品化。已进行多种尝试以防止电解质渗漏。特别地，已经开发了使用固体电解质的染料敏化太阳能电池，所述固体电解质能够提高太阳能电池的稳定性和耐久性。
此外，响应于采用液体电解质的上述问题，已经提出了凝胶型电解质，其能够使电解质渗入聚合物中。然而，这种解决方案有问题，因为所述凝胶型电解质的粘度高，且该凝胶型电解质通过聚合物之间的弱相互作用交联，因此当加热时容易液化。
在这方面，已经提出了染料敏化太阳能电池，包括溶解在具有高沸点的溶剂如N-甲基-2-吡咯烷酮或3-甲氧基丙腈中的聚(偏二氟乙烯-共-六氟丙烯)。虽然如此制备的聚合物电解质在室温下具有与液体电解质类似的高离子传导率，但其机械性能差，使之难于制造太阳能电池。此外，该聚合物电解质的保水性下降(M.G.Kang et al.ECS.151，E257，2004)。
在使用固体电解质的太阳能电池情况下，为减轻因溶剂导致的低能量转换效率问题，可将溶剂从制备的电解质溶液中除去。结果，被光电极接收的电子使用也处于固相的空穴传导材料而容易地减少，以再次氧化所述染料，产生电流。
另外，基于提高使用固体电解质的染料敏化太阳能电池能量转换效率的目的，重要的是开发具有高离子传导率的聚合物电解质以防止或抑制电子复合。因此，这类太阳能电池的开发仍然是需要的。
发明内容
在一个实施方式中，本发明提供含有电解质的染料敏化太阳能电池，其中将两种类型的低聚物混合在一起以形成盐，其然后产生构成所述电解质的离子结合的低聚物络合物。该染料敏化太阳能电池由此表现出优异的机械性能、高能量转换效率，并且本发明提供方便的制造方法。
在另一个实施方式中，本发明提供制造该染料敏化太阳能电池的方法。
在再一个实施方式中，本发明提供包含光电极、对电极和在所述光电极与对电极之间的电解质层的染料敏化太阳能电池。所述电解质层包括电解质，其含有通过混合在其分子两端具有碱性官能团的第一低聚物和在其分子两端具有酸性官能团的第二低聚物产生的离子结合的低聚物络合物，其中所述碱性官能团为含有氮杂原子的C5-30杂芳基，所述酸性官能团选自羧酸、磷酸和磺酸；且还包括氧化还原对。
根据一个实施方式，本发明提供制造所述染料敏化太阳能电池的方法。
附图说明
图1为说明在本发明实施例1中制造的太阳能电池的光电流和光电压之间关系的图。
具体实施方式
以下将参照附图提供本发明示例性实施方式的详细描述。
根据一个实施方式，提供染料敏化太阳能电池，其包括光电极、对电极和在所述光电极与对电极之间的电解质层。
根据另一个实施方式，所述电解质层包括电解质，其包含通过混合在其分子两端具有碱性官能团的第一低聚物和在其分子两端具有酸性官能团的第二低聚物产生的离子结合的低聚物络合物，其中所述碱性官能团为含有氮杂原子的C5-30杂芳基，所述酸性官能团选自羧酸、磷酸和磺酸；且其还包含氧化还原对。
根据再一个实施方式，将所述含有碱性官能团的第一低聚物和所述含有酸性官能团的第二低聚物混合在一起，以由此制备构成所述电解质的离子结合的低聚物络合物。当该两种类型低聚物互相反应时，产生可形成离子键的有机盐。期望该两种低聚物具有低粘度。随后，通过连续反应，最初为液体的所述低聚物变为固体聚合物，导致形成适用于染料敏化太阳能电池中的固体电解质。
所述在分子两端具有碱性官能团的第一低聚物可由以下式1表示，该碱性官能团为含有氮杂原子的C5-30杂芳基：
[式1]
Figure S2007101524875D00041
在式1中，R1为取代或未取代的C5-30杂芳基或取代或未取代的C5-30杂芳基烷基，含有氮作为杂原子；R2为取代或未取代的C1-5烷基，或取代或未取代的C1-5杂烷基；Z选自氧(O)、硫(S)、硒(Se)和碲(Te)；和n为约3-约14的整数。
作为碱性官能团，含氮杂原子的C5-30杂芳基是指具有约5-约30个环原子并包含氮作为杂原子的芳香环体系。
特别地，具有包含氮杂原子的C5-30杂芳基作为碱性官能团的低聚物可由以下式2-5表示：
[式2]
Figure S2007101524875D00042
[式3]
Figure S2007101524875D00043
[式4]
Figure S2007101524875D00044
[式5]
在式2、3、4和5中，n为约3-约14的整数。
所述在分子两端具有酸性官能团的第二低聚物可由以下式6表示，更具体地，可由以下式7-9表示：
[式6]
Y-R3-XR2XnR3-Y
在式6中，R2为取代或未取代的C1-5烷基，或取代或未取代的C1-5杂烷基；R3选自取代或未取代的C1-10烷基、取代或未取代的C1-10杂烷基、取代或未取代的C6-30芳基、取代或未取代的C6-30芳烷基、取代或未取代的C2-30杂芳基、取代或未取代的C2-30杂芳烷基、取代或未取代的C5-20环烷基、取代或未取代的C2-30杂环烷基、取代或未取代的C1-30烷基酯基、取代或未取代的C1-30杂烷基酯基、取代或未取代的C6-30芳基酯基和取代或未取代的C2-30杂芳基酯基；X选自O、S、Se和Te；Y选自羧酸官能团、磷酸官能团和磺酸官能团；和n为约1-约40的整数。
[式7]
Figure S2007101524875D00051
[式8]
[式9]
Figure S2007101524875D00053
在式7、8和9中，n为约1-约40的整数。
在式7、8和9中，烷基的具体例子包括选自直链或支链烷基如甲基、乙基、丙基、异丁基、仲丁基、叔丁基、戊基、异戊基、己基等的一种或多种，其中包含在烷基中的一个或多个氢原子可用C1-10烷基、卤素原子、羟基、硝基、氨基、氰基、烷氧基、脒基、肼基或羧基取代。
杂烷基是指由于用杂原子如O、S、N或P代替烷基主链的一个或多个碳原子，优选约1-约5个碳原子而形成的基团。
芳基是指具有一个或多个芳香环的芳族碳环体系，该环通过悬垂法(pendent process)连接或稠合在一起。芳基的具体例子包括选自芳族基团如苯基、萘基、四氢化萘基等的一种或多种。此外，芳基的一个或多个氢原子可以用与在烷基中相同的取代基取代。
芳烷基是指由于使用低级烷基基团如甲基、乙基、丙基等代替上述芳基中的一些氢原子而形成的基团，且例举苄基和苯乙基。此外，芳烷基的一个或多个氢原子可以用与在烷基中相同的取代基取代。
杂芳基是指具有1、2或3个选自N、O、P和S的杂原子且其余环原子为C的约5-约30元芳香环体系，其中所述环通过悬垂法连接或稠合在一起。此外，该杂芳基的一个或多个氢原子可以用与在所述烷基中相同的取代基取代。
杂芳烷基是指由于使用低级烷基基团代替杂芳基的一些氢原子而形成的基团。此外，该杂芳烷基的一个或多个氢原子可以用与在所述烷基中相同的取代基取代。
环烷基是指具有约5-约30个碳原子的单价单环体系。该环烷基的一个或多个氢原子可以用与在烷基中相同的取代基取代。
杂环烷基是指具有1、2或3个选自N、O、P和S的杂原子且其余环原子为C的约5-约30元单价单环体系。此外，该杂环烷基的一个或多个氢原子可以用与在烷基中相同的取代基取代。
烷基酯基是指其中烷基与酯基结合的官能团。
杂烷基酯基是指其中杂烷基与酯基结合的官能团。
芳基酯基是指其中芳基与酯基结合的官能团。
杂芳基酯基是指其中杂芳基与酯基结合的官能团。
在一个实施方式中，所述电解质可通过将具有碱性官能团的第一低聚物与具有酸性官能团的第二低聚物混合制备。该制得的低聚物溶液进一步与氧化还原对组合，从而制备所述电解质。这样，所述具有碱性官能团的第一低聚物与具有酸性官能团的第二低聚物优选以约1∶1-约1∶20的酸性官能团与碱性官能团的摩尔比混合。更优选，所述低聚物以约1∶1的摩尔比混合。
进一步，所述具有碱性官能团的第一低聚物与具有酸性官能团的第二低聚物优选具有约6-约50的回转半径(“Rg”)。表示所述低聚物电解质盘绕尺寸(coil size)的Rg通过以下方程1表征。在方程1中，A为每种材料的试验常数，且取决于分子类型具有固有值。
[方程1]
Figure S2007101524875D00061
在方程1中，Mw为低聚物的重均分子量。
在另一个实施方式中，具有约6-约50的Rg的低聚物的具体例子包括选自聚丙二醇、聚乙二醇、聚乙二醇二甲醚及包含至少一种或多种上述低聚物的组合的一种或多种。当所述低聚物的Rg落在约6-约50的范围内时，电解质可以注入，类似于用于制造含液体电解质的太阳能电池的方法，从而使得制造方法更方便。
在另一个实施方式中，所述氧化还原对为用于引发电解质中氧化还原反应的功能材料。该氧化还原对由卤素阴离子如碘离子或溴离子和抗衡金属阳离子组成。抗衡金属阳离子的具体例子包括选自金属盐如碘化锂、碘化钠、碘化钾、溴化锂、溴化钠或溴化钾，碘化咪唑和包含至少一种或多种上述金属阳离子的组合的一种或多种。
氧化还原对的具体例子包括选自DMPII(碘化1，1-二甲基-3-丙基咪唑)、HMII(碘化1-甲基-3-己基咪唑)、EMII(碘化1-乙基-3-甲基咪唑)、MBII(碘化1-甲基-3-丁基咪唑)、LiI(碘化锂)、KI(碘化钾)和包含至少一种或多种上述氧化还原对的组合的一种或多种。该氧化还原对通过使用由对电极转移的电子引发氧化还原反应来起作用。所述电子随后转移至基态的有机染料中，从而持续产生电流。
在再一个实施方式中，碱性官能团如吡啶基包含在所述染料敏化太阳能电池中，并能够提高该太阳能电池的能量转换效率。具有羧基的低分子量水的使用是防止或抑制太阳能电池中电子复合的一种方法。此外，4-叔丁基吡啶(“4-tBP”)与碘反应以促进电解质中电子的复合，从而产生盐，并由此降低电子复合率和提高太阳能电池的能量转换效率(H.Kusama et al.SolarEnergy Materials and Solar Cells，2003，80，167)。
根据一个实施方式，所述电解质可进一步包含二氧化硅纳米微粒。该二氧化硅纳米微粒起到稳定电解质的作用，以提高凝固速率。
根据另一个实施方式，所述具有电解质层的染料敏化太阳能电池包括光电极、电解质层和对电极。
在一个实施方式中，所述光电极由通过在基底上涂覆导电材料形成的透明电极、金属氧化物层和吸附于其上的染料组成。在本发明的光电极中，导电材料涂覆在基底上，从而形成透明电极。可使用任何基底，只要其是透明的。透明基底的具体例子包括选自透明无机基底如石英和玻璃，和透明塑料基底如聚对苯二甲酸乙二醇酯(“PET”)、聚萘二甲酸乙二醇酯(“PEN”)、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等，和包含至少一种上述透明基底的组合的一种或多种。并且，涂覆在所述基底上的导电材料的具体例子包括选自氧化铟锡(ITO)、氟掺杂的氧化锡(FTO)、ZnO-Ga2O3、ZnO-Al2O3、SnO2-Sb2O3和一种或多种前述导电材料的组合的一种或多种。
在另一个实施方式中，所述金属氧化物层由金属氧化物和吸附于其上的染料组成。由于该金属氧化物层应最大限度地吸收太阳光能以保证高的能量转换效率，该金属氧化物表面通过采用多孔金属氧化物而增大。所述金属氧化物的具体例子包括选自氧化钛、氧化钨、氧化铌、氧化铪、氧化铟、氧化锡、氧化锌和包含至少一种前述金属氧化物的组合的一种或多种。该金属氧化物可以单独使用或以其两种或多种混合物使用。金属氧化物的优选例子包括TiO2、SnO2、ZnO、WO3、Nb2O5、TiSrO3等和包含至少一种上述金属氧化物的组合。特别有用的是锐钛矿型TiO2。
在再一个实施方式中，可使用任何染料，只要其是太阳能电池领域中典型采用的染料。进一步，对染料没有特别限制，只要其具有电荷分离功能和光敏功能。染料的具体例子包括选自呫吨染料如若丹明B、玫瑰红、曙红或赤藓红，花青染料如喹啉并花青(quinocyanine)或隐花青，碱性染料如酚藏花红、卡普里蓝、6-巯基嘌呤核苷(thiosine)或亚甲基蓝，卟啉化合物如叶绿素、锌卟啉或镁卟啉，偶氮染料，酞菁化合物，络合物如三联吡啶基钌，蒽醌染料，多环醌染料，和至少一种上述染料的组合的一种或多种。优选钌络合物。该钌络合物例举为Ru2L(SCN)2、RuL2(H2O)2、RuL3或RuL2(其中L是2，2’-联吡啶基-4，4’-二羧酸盐)。
根据一个实施方式，所述对电极可由任意导电材料形成，也可由具有面对透明电极的导电层的绝缘材料制成。这样，该电极必须用电化学稳定的材料形成，具体地，使用铂、金、碳或碳纳米管形成。此外，为增强氧化还原催化作用，面对所述透明电极的对电极表面优选具有提供增大的表面积的微结构。例如，优选，如果使用铂，其为铂黑状态，和如果使用碳，其为多孔碳状态。
根据另一个实施方式，所述太阳能电池如下工作。吸附在所述金属氧化物层表面上的染料吸收透过所述透明电极然后入射至该金属氧化物层上的光。当染料吸收光时，电子由基态转变为激发态，从而形成电子-空穴对。激发的电子转移至金属氧化物的导带，然后随后转移至电极，从而产生电动势。当来自染料的被光激发的电子转移至金属氧化物的导带时，带正电的染料从电解质层的空穴传输材料接受电子，从而恢复至其初始的基态。
根据再一个实施方式，提供制造包括该电解质的太阳能电池的方法。所述制造包含光电极、对电极和在光电极和对电极之间的电解质层的染料敏化太阳能电池的方法包括以下步骤：将在分子两端具有碱性官能团(其为含氮杂原子的C5-30杂芳基)的第一低聚物与在分子两端具有选自羧酸、磷酸和磺酸的酸性官能团的第二低聚物，以约1∶1-约1∶20的酸性官能团与碱性官能团的摩尔比混合，从而制备均匀的溶液；将氧化还原对加入该制得的溶液中，从而制备电解质；和在光电极与对电极之间注入该制得的电解质。
根据该方法的一方面，将两种类型的低聚物以约1∶1-约1∶20的酸性官能团与碱性官能团的摩尔比混合，优选以约1∶1的摩尔比混合。
根据另一方面，提供用于在已经形成的光电极和对电极之间注入具有低粘度的两种类型低聚物的混合溶液的方法。结果，该注入法可以与在使用液体电解质的染料敏化太阳能电池制造中相同的方式来进行，从而导致方便的制造方法。这里提供的方法与用于包含凝胶型或固体电解质的常规染料敏化太阳能电池的方法不同，该常规染料敏化太阳能电池通过在透明基底上涂覆电解质，使其干燥，和将具有对电极的基底层压在该涂覆的电解质的方法制备。最终，预计本发明有助于固体电解质的商品化。
制造具有上述结构的染料敏化太阳能电池的方法没有特别限制，可使用任何方法，只要其是本领域公知的。例如，染料敏化太阳能电池可以通过如下制造：配置半导体电极和对电极使得它们彼此面对，同时使用预定的封装部件形成用于封装电解质层的空间，和然后将电解质注入该空间内。这样，所述透明电极可使用包括选自热塑性聚合物膜(例如SURLYN，可得自DuPont)、环氧树脂、UV固化剂及至少一种或多种上述粘合剂的组合的一种或多种的粘合剂粘附至对电极上。当将热塑性聚合物膜安置在所述两个电极之间后，通过加热和压缩使其附着。
在一个实施方式中，所述电池通过如下形成：将两种类型的低聚物注入光电极和对电极之间，之后随着时间通过连续离子键合反应聚合该两种类型的低聚物，产生固体电解质。
即，根据上述制造方法，可以改进注入具有高粘度的凝胶电解质的方法。所述具有低粘度的两种类型低聚物被注入，并随着时间通过离子键合固化。因此，在所述电池形成时，具有低粘度的低聚物的使用使得能够较容易地注入电解质，导致更方便的制造方法。
这里，将参考以下实施例更加详细地描述本发明的示例性实施方式。然而，这些实施例仅用于说明本发明，而不应解释为限制本发明的范围。
实施例
制备实施例1：聚乙二醇-二吡啶的合成
如在以下反应1过程所示的，合成聚乙二醇-二吡啶以使得作为碱性官能团的吡啶基加成在分子两端。
[反应1]
Figure S2007101524875D00101
向1升{“L”}三颈烧瓶中加入PEG、CH2Cl2和吡啶，随后在冰浴中冷却。然后分几次向该烧瓶中加入甲苯磺酰氯。缓慢将反应温度升至室温，随后搅拌该混合物两天。反应结束后，将反应产物用1N HCl水溶液洗涤，并然后用蒸馏水洗涤。收集有机层并用MgSO4干燥，从而制备化合物1。在反应结束后剩余大量甲苯磺酰氯的情况下，使用硅胶柱除去该甲苯磺酰氯。当使用二氯甲烷(M.C.)将甲苯磺酰氯完全从反应提取时，随后用10％MeOH/M.C.洗提该产物。
将化合物1、4-羟基吡啶和DMF(N，N-二甲基甲酰胺)加入1L三颈烧瓶中，然后搅拌同时烧瓶内温度保持在约70℃(实际上，烧瓶内的温度不容许超过80℃)。约24小时后，反应完成，并在减压下除去DMF。将反应产物溶解在M.C.中并随后用盐水洗涤。而后，收集有机层并用MgSO4干燥，和随后使用柱色谱分离。使用二氯甲烷和甲醇作为柱色谱的显色剂。产物产率为57％。关于用于PEG-二吡啶合成中的材料的包括分子量的其它信息示于下表1中
表1
    4-羟基吡啶     化合物1     K2CO3     DMF
  Mw     95.1     908     138.21
  当量比     2     1     2.5
  毫摩尔     93.92     46.64     117.4
  用量     8.93g     42.64g     16.23g     350ml
  密度     0.978
制备实施例2：PEG-二酸的合成
如以下反应2所示，合成在分子两端具有作为酸性官能团的羧基的PEG-二酸。
[反应2]
Figure S2007101524875D00111
如制备实施例1所述制备材料1。向1L单颈烧瓶中加入苯酚、丙酮和K2CO3，随后加入制得的材料1，之后使该混合物回流。反应约14小时后，使用旋转蒸发器除去所有丙酮。然后将反应产物溶解在二氯甲烷中，并随后用蒸馏水洗涤。此后，收集有机层并用MgSO4干燥，和在减压下除去残余的二氯甲烷。最终，用柱色谱除去剩余的羟基苯甲酸甲酯。使用二氯甲烷和甲醇作为柱色谱的显色剂。产物产率为85.42％。
实施例1：染料敏化太阳能电池的制造
通过在30ml乙腈中溶解9.07g(0.012mol)PEG-二吡啶(制备实施例1)和10g(0.012mol)PEG-二酸(制备实施例2)并随后混合来制备均匀溶液。向该溶液中加入0.301g(0.0012mol)碘化1-甲基-3-丙基咪唑(“MPII”)和0.0304g(0.00012mol)碘(I2)。还以1.335g的量(相当于电解质总量的7重量％(重量百分数))加入二氧化硅纳米微粒，之后搅拌该混合物24小时，除去溶剂。然后，将氧化钛(TiO2)导电材料涂覆在氟掺杂的氧化锡基底上，从而形成透明电极。然后将该电极浸入在1∶1体积比的甲醇和乙腈的溶剂混合物中制备的0.3mmol的染料溶液(N719，可得自Solaronix)中24小时，使得染料吸附于其上。染料吸附后，施加由铂材料构成的对电极。将电解质注入所述两个电极之间，然后升温至100℃以维持该电解质渗透时间，并随后降至室温。得到的产物为染料敏化的太阳能电池。
该PEG-二吡啶和PEG-二酸根据以下反应3相互离子结合，从而得到固体电解质
[反应3]
Figure S2007101524875D00121
为评估在实施例1中制造的元件的光伏效率，测量光电压和光电流。作为光源，使用氙灯(01193，可得自Oriel)，并采用标准太阳能电池(FurnhoferInstitute Solare Energiesysteme，Certificate No.C-ISE369，材料类型：单硅+KG滤光器)调节该氙灯的太阳光条件(AM 1.5)。光电流-光电压曲线图示于图1中。将由上述曲线计算的短路电流(Isc)、开路电压(Voc)和填充系数(FF)代入以下方程中，从而确定光电效率(ηe)。
[方程1]
ηe＝(Voc·Isc·FF)/(Pinc)
在方程1中，Pinc为100mw/cm2(1日光)。
如图1所示，实施例1的太阳能电池具有11.5 mA cm-2的Isc、0.665V的Voc和63％的填充系数，从而计算的太阳能电池光电效率为4.85％。基于这些结果，该染料敏化的太阳能电池显示出优异的能量转换效率。
如这里描述的，本发明提供使用离子结合的低聚物络合物的染料敏化太阳能电池及其制备方法。根据本发明，染料敏化太阳能电池包含离子结合的低聚物络合物电解质，其包括在分子两端具有作为碱性官能团的含氮杂原子的C5-30杂芳基的第一低聚物，该第一低聚物与在分子两端具有选自羧酸、磷酸和磺酸的酸性官能团的第二低聚物混合，从而形成盐。该太阳能电池表现出优异的机械性能，可方便地制造，并可具有高的能量转换效率。
虽然为了示例性目的，已经公开了本发明的优选实施方式，但本领域技术人员将会意识到，在不脱离所附权利要求书中公开的本发明范围和精神的情况下，各种改进、补充和替换是可行的。

Claims (21)

1.染料敏化太阳能电池，包括：
光电极：
对电极；和
配置在所述光电极和对电极之间的电解质层，其中该电解质层包括含有离子结合的低聚物络合物的电解质，该离子结合的低聚物络合物通过将在分子两端具有碱性官能团的第一低聚物与在分子两端具有酸性官能团的第二低聚物混合而产生；和
氧化还原对。
2.权利要求1的太阳能电池，其中所述碱性官能团为含有氮杂原子的C5-30杂芳基。
3.权利要求1的太阳能电池，其中所述酸性官能团选自羧酸、磷酸、磺酸和前述酸性官能团的一种或多种的组合。
4.权利要求1的太阳能电池，其中在分子两端具有碱性官能团的第一低聚物由下式1表示：
Figure S2007101524875C00011
其中R1为取代或未取代的C5-30杂芳基、或取代或未取代的C5-30杂芳烷基，其含有氮作为杂原子；
R2为取代或未取代的C1-5烷基或取代或未取代的C1-5杂烷基；
X选自氧、硫、硒和碲；和
n为约3-约14的整数。
5.权利要求4的太阳能电池，其中由式1表示的具有碱性官能团的第一低聚物选自由下式2、3、4和5表示的低聚物：
[式2]
Figure S2007101524875C00012
其中n为约3-约14的整数；
[式3]
其中n为约3-约14的整数；
[式4]
Figure S2007101524875C00021
其中n为约3-约14的整数；和
[式5]
Figure S2007101524875C00022
其中n为约3-约14的整数。
6.权利要求1的太阳能电池，其中在分子两端具有酸性官能团的第二低聚物由下式6表示：
Y-R3-XR2XnR3-Y
其中，R2为取代或未取代的C1-5烷基，或取代或未取代的C1-5杂烷基；
R3选自取代或未取代的C1-10烷基、取代或未取代的C1-10杂烷基、取代或未取代的C6-30芳基、取代或未取代的C6-30芳烷基、取代或未取代的C2-30杂芳基、取代或未取代的C2-30杂芳烷基、取代或未取代的C5-20环烷基、取代或未取代的C2-30杂环烷基、取代或未取代的C1-30烷基酯基、取代或未取代的C1-30杂烷基酯基、取代或未取代的C6-30芳基酯基和取代或未取代的C2-30杂芳基酯基；
X选自氧、硫、硒和碲；
Y选自羧酸官能团、磷酸官能团和磺酸官能团；和
n为约1-约40的整数。
7.权利要求6的太阳能电池，其中由式6表示的具有酸性官能团的第二低聚物选自由下式7、8和9表示的低聚物：
[式7]
Figure S2007101524875C00023
其中n为约1-约40的整数；
[式8]
其中n为约1-约40的整数；和
[式9]
Figure S2007101524875C00032
其中n为约1-约40的整数。
8.权利要求1的太阳能电池，其中所述电解质层包括以约1∶1-约1∶20的酸性官能团与碱性官能团的摩尔比混合的具有酸性官能团的第二低聚物和具有碱性官能团的第一低聚物。
9.权利要求8的太阳能电池，其中所述酸性官能团与碱性官能团的摩尔比为约1∶1。
10.权利要求1的太阳能电池，其中在分子两端具有碱性官能团的第一低聚物和在分子两端具有酸性官能团的第二低聚物具有约6-约50的回转半径。
11.权利要求1的太阳能电池，其中所述氧化还原对为选自碘化锂、碘化钠、碘化钾、溴化锂、溴化钠和溴化钾、碘化咪唑、和上述金属盐的一种或多种的组合的一种或多种金属盐。
12.制造染料敏化的太阳能电池的方法，该染料敏化的太阳能电池包括：
光电极，
对电极，和
配置在所述光电极和对电极之间的电解质层；该方法包括，
通过以约1∶1-约1∶20的酸性官能团与碱性官能团的摩尔比，混合在分子两端具有碱性官能团的第一低聚物和在分子两端具有酸性官能团的第二低聚物制备均匀溶液；
将氧化还原对加入所述制备的溶液中，从而制备电解质；和
在该光电极和对电极之间注入所述制备的电解质。
13.权利要求12的方法，其中所述碱性官能团为包含氮杂原子的C5-30杂芳基。
14.权利要求12的方法，其中所述酸性官能团选自羧酸、磷酸、磺酸和上述酸性官能团的一种或多种的组合。
15.权利要求12的方法，其中在分子两端具有碱性官能团的第一低聚物由下式1表示：
Figure S2007101524875C00041
其中R1为取代或未取代的C5-30杂芳基、或取代或未取代的C5-30杂芳烷基，其含有氮作为杂原子；
R2为取代或未取代的C1-5烷基或取代或未取代的C1-5杂烷基；
X选自氧、硫、硒和碲；和
n为约3-约14的整数。
16.权利要求15的方法，其中由式1表示的具有碱性官能团的第一低聚物选自由下式2、3、4和5表示的低聚物：
[式2]
其中n为约3-约14的整数；
[式3]
其中n为约3-约14的整数；
[式4]
Figure S2007101524875C00044
其中n为约3-约14的整数；和
[式5]
Figure S2007101524875C00045
其中n为约3-约14的整数。
17.权利要求12的方法，其中在分子两端具有酸性官能团的第二低聚物由下式6表示：
Y-R3-XR2XnR3-Y
其中R2为取代或未取代的C1-5烷基，或取代或未取代的C1-5杂烷基；
R3选自取代或未取代的C1-10烷基、取代或未取代的C1-10杂烷基、取代或未取代的C6-30芳基、取代或未取代的C6-30芳烷基、取代或未取代的C2-30杂芳基、取代或未取代的C2-30杂芳烷基、取代或未取代的C5-20环烷基、取代或未取代的C2-30杂环烷基、取代或未取代的C1-30烷基酯基、取代或未取代的C1-30杂烷基酯基、取代或未取代的C6-30芳基酯基和取代或未取代的C2-30杂芳基酯基；
X选自氧、硫、硒和碲；
Y选自羧酸官能团、磷酸官能团和磺酸官能团；和
n为约1-约40的整数。
18.权利要求17的方法，其中由式6表示的具有酸性官能团的第二低聚物选自由下式7、8和9表示的低聚物：
[式7]
Figure S2007101524875C00051
其中n为约1-约40的整数；
[式8]
Figure S2007101524875C00052
其中n为约1-约40的整数；和
[式9]
Figure S2007101524875C00053
其中n为约1-约40的整数。
19.权利要求12的方法，其中所述酸性官能团与碱性官能团的摩尔比为约1∶1。
20.权利要求12的方法，其中在分子两端具有碱性官能团的第一低聚物和在分子两端具有酸性官能团的第二低聚物具有约6-约50的回转半径。
21.如权利要求12所述的方法，其中所述氧化还原对为选自碘化锂、碘化钠、碘化钾、溴化锂、溴化钠和溴化钾、碘化咪唑、和上述金属盐的一种或多种的组合的一种或多种金属盐。
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