CN102034614A - 光电转换器件 - Google Patents

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CN102034614A CN2010105109036A CN201010510903A CN102034614A CN 102034614 A CN102034614 A CN 102034614A CN 2010105109036 A CN2010105109036 A CN 2010105109036A CN 201010510903 A CN201010510903 A CN 201010510903A CN 102034614 A CN102034614 A CN 102034614A
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姜文盛
李知爱
宋守彬
郑柱湜
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Abstract

本发明提供一种光电转换器件，该光电转换器件根据栅格收集电极的线宽与节距的比率来设计。该光电转换器件包括：第一基板；面对第一基板的第二基板；以及第一电极，在第一基板与第二基板之间，第一电极包括第一栅格电极。根据光电转换器件的光电转换效率来设定第一栅格电极的线宽与第一栅格电极的节距的第一比率(W/P)，从而光电转换器件可以具有提高的光电转换效率。

Description

光电转换器件
技术领域
本发明的实施例的方面涉及一种光电转换器件。
背景技术
光电转换器件将光转换成电能。在这些器件中，利用太阳光的太阳能电池作为矿物燃料的替代能源已经受到关注。
在太阳能电池中，利用P-N半导体结的晶片基晶体硅太阳能电池被广泛使用。然而，由于晶片基晶体硅太阳能电池由高纯度半导体材料形成，所以晶片基晶体硅太阳能电池的制造成本高。
与硅太阳能电池不同，燃料敏化太阳能电池包括：光敏染料，接收可见光并产生被激发的电子；半导体材料，接收被激发的电子；以及电解质，与从外部电路返回的电子反应。由于染料敏化太阳能电池具有比其它常规太阳能电池高得多的光电转换效率，所以染料敏化太阳能电池被认为是下一代太阳能电池。
发明内容
本发明的一个或多个实施例的方面涉及一种具有改善的光电转换效率的光电转换器件。
根据本发明的一个实施例，光电转换器件包括：第一基板；面对第一基板的第二基板；以及第一电极，在第一基板与第二基板之间，第一电极包括第一栅格电极(grid electrode)。根据光电转换器件的光电转换效率来设定第一栅格电极的线宽与第一栅格电极的节距的第一比率(W/P)。
第一栅格电极包括多个第一指状电极，第一栅格电极的线宽可以是每个第一指状电极的宽度，第一栅格电极的节距可以是相邻的第一指状电极之间的距离。
第一比率(W/P)可以在约0.009至约0.1之间。第一比率(W/P)可以至少为约0.0125。线宽可以至少为约0.5mm。
第一比率(W/P)可以不大于约0.0625。
第一比率(W/P)可以在约0.0125至约0.0625之间。
光电转换器件还可以包括在第一电极与第二基板之间的第二电极，第二电极包括第二栅格电极。根据光电转换器件的光电转换效率设定第二栅格电极的线宽与第二栅格电极的节距的第二比率(W/P)。
第二栅格电极的线宽可以至少为约0.5mm。
第二比率(W/P)可以在约0.009至约0.1之间。
第二比率(W/P)可以不大于约0.0625。
第二栅格电极可以包括多个第二指状电极，第二栅格电极的线宽可以是每个第二指状电极的宽度，第二栅格电极的节距可以是相邻的第二指状电极之间的距离。
光电转换器件还可以包括在第一电极与第二电极之间的半导体层，半导体层包括光敏染料。
光电转换器件还可以包括在第一电极上的半导体层，半导体层包括光敏染料。
第一电极还可以包括在第一基板与第一栅格电极之间的透明导电层。
第一栅格电极可以包括金属材料。
根据本发明的另一实施例，一种光电转换器件包括：第一基板；面对第一基板的第二基板；第一电极，在第一基板与第二基板之间，第一电极包括第一栅格电极；以及第二电极，在第一电极与第二基板之间，第二电极包括第二栅格电极。根据光电转换器件的光电转换效率设定第一栅格电极的线宽与第一栅格电极的节距的第一比率(W/P)以及第二栅格电极的线宽与第二栅格电极的节距的第二比率(W/P)。
第一比率和/或第二比率可以在约0.009至约0.1之间。
第一比率和/或第二比率可以不大于约0.0625
根据本发明的另一实施例，提供一种制造光电转换器件的方法，该光电转换器件包括第一基板和面对第一基板的第二基板。该方法包括：图案化在第一基板与第二基板之间的第一栅格电极，其中图案化第一栅格电极包括根据光电转换器件的光电转换效率设定第一栅格电极的线宽与第一栅格电极的节距之间的比率(W/P)。
附图说明
通过以下结合附图对实施例的描述，本发明的实施例的方面将变得清晰并更易于理解，附图中：
图1是根据本发明实施例的光电转换器件的截面图；
图2是示出图1的光电转换器件的形成有光电极(photoelectrode)的光接收基板的平面图；
图3是用于解释图2的光电极的模型的电路图；
图4是用于由图3的光电极的模型计算一个等效电阻的电路图；
图5是示出光电极的等效电阻与栅格电极的线宽之间的关系的曲线图；
图6是示出光接收基板的开口率与栅格电极的线宽和栅格电极的节距之间的比率之间的关系的曲线图；
图7是示出光电转换效率与栅格电极的线宽和栅格电极的节距之间的比率之间的关系的曲线图；以及
图8是根据本发明的实施例的光电转换器件的截面图。
具体实施方式
现在将参照附图来描述本发明的一个或多个实施例。图1是根据本发明的实施例的光电转换器件的截面图。参照图1，其上形成有光电极113的光接收基板110与其上形成有相对电极(counter electrode)123的相对基板(counter substrate)120彼此面对。吸收有光敏染料的半导体层118形成在光电极113上，其中光敏染料由光VL激发。电解质层150设置在半导体层118与相对电极123之间。
光接收基板110和相对基板120使用密封材料130彼此附接，使得一间距位于光接收基板110与相对基板120之间。用于电解质层150的电解质溶液可以填充在光接收基板110与相对基板120之间。光电极113和相对电极123使用线160通过外部电路180彼此电连接。在其中多个光电转换器件串联或并联连接的模块中，多个光电转换器件的光电极和相对电极可以串联或并联连接，所连接的光电极和/或相对电极的两端可以连接到外部电路180。
光接收基板110可以由透明材料形成，例如具有高透光率的材料。例如，光接收基板110可以是玻璃基板或树脂膜基板。由于树脂膜通常具有柔性，所以树脂膜可以应用到需要柔性的器件。
光电极113可以包括透明导电层111以及以网格或栅格图案形成在透明导电层111上的栅格电极112。透明导电层111由具有透明性和导电性的材料形成，例如透明导电氧化物诸如铟锡氧化物(ITO)、氟锡氧化物(FTO)或锑掺杂的锡氧化物(ATO)。栅格电极112减小光电极113的电阻，并用作收集线(collector line)，该收集线收集通过光电转换产生的电子并提供具有低电阻的电流通路。例如，栅格电极112可以由具有高电导率的金属材料(诸如金(Au)、银(Ag)或铝(Al))形成，并可以被图案化为网格或栅格形式。
光电极113用作光电转换器件的阴极并可以具有高开口率。由于通过光电极113入射的光VL激发吸收在半导体层118中的光敏染料，所以当增加入射光VL的量时可以提高光电转换效率。术语“开口率”是有效的透光区域与其上涂覆或定位光电极113的光接收基板110的总面积的比率。由于栅格电极112通常由不透明材料例如金属材料形成，所以随着栅格电极112的面积增大，开口率减小。由于栅格电极112的线宽W限制有效透光区域，所以栅格电极112的线宽W应该是小的。然而，由于栅格电极112用于减小光电极113的电阻，所以例如栅格电极112的节距(其是由网格图案制成的栅格电极112中的相邻栅格电极段(或齿)之间的间距)也应该是小的，从而补偿当栅格电极112的线宽W较小时所引起的光电极113的电阻的增加。
保护层115可以进一步形成在栅格电极112的外表面上。保护层115防止栅格电极112受到损伤，例如防止当栅格电极112接触电解质层150并与其反应时栅格电极112被侵蚀。保护层115可以由不与电解质层150反应的材料形成，例如可固化的树脂材料。
半导体层118可以由金属氧化物形成，诸如Cd、Zn、In、Pb、Mo、W、Sb、Ti、Ag、Mn、Sn、Zr、Sr、Ga、Si或Cr的氧化物以及其它合适的金属氧化物。半导体层118可以通过吸收光敏染料来增大光电转换效率。例如，半导体层118可以通过在形成有光电极113的光接收基板110上涂覆颗粒直径在5至1000nm之间的半导体颗粒的浆料并施加热或压力到所得结构上而形成。
吸收在半导体层118中的光敏染料吸收穿过光接收基板110的光VL，从而光敏染料的电子被从基态激发。被激发的电子通过光敏染料与半导体层118之间的电接触而转移到半导体层118的导带、到半导体层118、再到光电极113，并通过光电极113释放到外部，从而形成用于驱动外部电路180的驱动电流。
例如，吸收在半导体层118中的光敏染料可以由吸收光VL并激发电子的分子组成，从而使得被激发的电子快速移动到半导体层118。光敏染料可以是液态型、半固态凝胶型和固态型光敏染料中的任意一种。例如，吸收在半导体层118中的光敏染料可以是钌基光敏染料。吸收有光敏染料的半导体层118可以通过将形成有半导体层118的光接收基板110浸在包括光敏染料的溶液中而获得。
电解质层150可以由包括还原/氧化(R/O)偶(couple)的氧化还原电解质形成。电解质层150可以由固态型、凝胶型和液态型电解质中的任意一种形成。
面对光接收基板110的相对基板120不必是透明的。然而，为了增加光电转换效率，相对基板120可以由透明材料形成，从而在光电转换器件的两侧接收光VL，并且相对基板120可以由与光接收基板110相同的材料形成。例如，如果光电转换器件作为一体的光电系统安装在建筑结构(例如窗框)中，则光电转换器件的两侧可以是透明的，从而不阻挡光VL进入建筑内部。
相对电极123可以包括透明导电层121和形成在透明导电层121上的催化剂层122。透明导电层121由具有透明性和导电性的材料形成，例如透明导电氧化物诸如ITO、FTO或ATO。催化剂层122由用于向电解质层150提供电子的还原催化材料形成。例如，催化剂层122可以包括诸如铂(Pt)、金(Au)、银(Ag)、铜(Au)或铝(Al)的金属、诸如锡氧化物的金属氧化物或诸如石墨的碳基材料。
相对电极123用作光电转换器件的阳极，还用作用于向电解质层150提供电子的还原催化剂。吸收在半导体层180中的光敏染料吸收光VL以激发电子，被激发的电子通过光电极113释放到光电转换器件的外部。失去电子的光敏染料接收由电解质层150的氧化产生的电子，电解质层150将被再次还原，被氧化的电解质层150被经过外部电路180并到达相对电极123的电子再次还原，从而完成光电转换器件的操作。
图2是形成有光电极113的光接收基板110的平面图。参照图2，以一形状图案化的栅格电极112形成在透明导电层111上。栅格电极112可以具有梳状，其中多个指(或齿)112a沿一个方向Z1延伸为条纹，汇流条112b延伸以与指112a交叉且适于收集来自指112a的电子并将所收集的电子释放到光电转换器件的外部。附图标记P和W分别表示栅格电极112的节距和线宽。
图3是用于解释图2的光电极113的模型的电路图。参照图3，光电极113包括栅格型电流通路M、位于电流通路M中的电阻器ITO和Ag。电流通路M是由光电转换器件产生的电子经过其通过透明导电层111并移动到栅格电极112的路径。电流通路M简化了栅格电极112的栅格电极段以及在栅格电极112的栅格电极段之间的透明导电层111的网络结构。电阻器ITO和Ag分别表示栅格电极112和透明导电层111的电阻分量。例如，电阻器ITO的电阻率对应于透明导电层111，电阻器Ag的电阻率对应于栅格电极112。每个电阻器ITO和Ag的电阻可以通过使每个电阻率与栅格电极112的节距P或线宽W相乘而计算出。例如，与透明导电层111相对应的电阻器ITO的长度随栅格电极112的节距P而变化，电阻器ITO的电阻由电阻器ITO的电阻率与电阻器ITO的长度相乘来确定。此外，与栅格电极112相对应的电阻器Ag的宽度随栅格电极112的线宽W而变化，电阻器Ag的电阻由电阻器Ag的电阻率与电阻器Ag的宽度相乘来确定。
在图3中，当形成有光电极112的光接收基板110具有100mm x100mm的面积时，在改变栅格电极112和透明导电层111的节距P和线宽W同时将栅格电极112的厚度固定为特定值时，计算光电极113的等效电阻。图4是根据本发明的一个实施例用于解释在给定条件下由图3的光电极113的模型来计算一个等效电阻的电路图。例如，光电极113的等效电阻可以使用一电流值而计算出，该电流值通过将光电极113的模拟模型输入到诸如OrCAD-PSpice的程序或其它合适的程序中、施加1V的电压Vdc到一个节点并将具有1Ω负载电阻R的外部单元连接在光电极113的模型与接地之间而获得。
图5是根据本发明一个实施例示出光电极113的等效电阻与栅格电极112的线宽W之间的关系的曲线图。在图5中，栅格电极112的节距P是4mm、8mm和11.3mm。参照图5，光电极113的等效电阻随着栅格电极112的线宽W减小而增加。特别地，当线宽W小于0.5mm时，等效电阻急剧增大。因此，线宽W可以被限制为至少大于0.5mm的值。
如图5所示，为了增大收集效率并减小光电极113的电阻，应该增加栅格电极112的线宽W。相反，为了增大光接收基板110的开口率并增大有效透光面积，应该减小不透明的栅格电极112的线宽W。因此，适当地确定栅格电极112的线宽W，从而增大光电转换效率。
栅格电极112的设计直接影响光接收基板110的开口率。例如，当光接收基板110具有固定的面积时，栅格电极112的节距P和线宽W可以确定光接收基板110的开口率。图6是根据本发明一个实施例示出当光接收基板110具有固定的面积时光接收基板110的开口率与栅格电极112的线宽W和栅格电极112的节距P的比率W/P之间的关系的曲线图。在图6中，比率W/P设定为设计参数。
参照图6，光接收基板110的开口率随比率W/P而变化。也就是，开口率随比率W/P减小而增大，开口率随比率W/P增大而减小。换句话说，随着栅格电极112的线宽W减小并且节距P增大，光接收基板110的开口率增大。相反，随着栅格电极112的线宽W增大并且节距P减小，开口率减小。特别地，由于当比率W/P为约0.0625时光接收基板110的开口率急剧减小，所以比率W/P可以被限制为小于0.0625的适当值。
图7是示出光电转换效率η与栅格电极112的线宽W和栅格电极112的节距P之间的比率W/P之间的关系的曲线图。光电转换效率η可以通过使用输入到光电转换器件的入射光的强度Po(mW/cm2)、在光电转换器件的输出端处的开路电压(open voltage)Voc(V)、短路电流密度Jsc(mA/cm2)和填充因子(fill-factor)FF利用以下的公式1来计算。
公式1
η＝100x(Voc x Jsc x FF)/Po
参照图7，光电转换效率随栅格电极112的线宽W与栅格电极112的节距P之间的比率W/P而变化。在图7中，当比率W/P为0.0125时，光电转换效率最高，为约4.7％，光电转换效率从4.7％的峰值减小。当比率W/P大于0.0125时，光电转换效率随比率W/P增大而减小。该轮廓与图6的曲线的轮廓类似。这是因为光接收基板110的开口率直接影响光电转换效率，从而光电转换效率根据开口率而变化。在一个实施例中，由于当比率W/P从约0.1进一步增大时光电转换效率急剧减小，所以比率W/P可以被限制为小于或等于0.1的适当值，例如0.0625。
当比率W/P小于0.0125时，光电转换效率随比率W/P减小而急剧减小。这是因为如果比率W/P在适当水平以下，则光电极113的电阻增大，从而限制光电转换效率。也就是，当比率W/P低时，栅格电极112的线宽W小并且节距P大，因此栅格电极112的面积减小并且光电极113的电阻增大。因此，比率W/P可以被限制为等于或大于0.009的值，例如0.0125。
总之，栅格电极112的线宽W与栅格电极112的节距P之间的比率W/P可以确定为满足0.009≤W/P≤0.1，在一个实施例中，0.0125≤W/P≤0.0625。如果比率W/P大于上限0.1，则光接收基板110的开口率受限，从而降低光电转换效率。如果比率W/P小于下限0.009，则光电极113的电阻增大，从而降低光电转换效率。
图8是根据本发明另一实施例的光电转换器件的截面图。参照图8，其上形成有光电极113的光接收基板110、吸收有光敏染料的半导体层118、电解质层150和其上形成有相对电极123的相对基板220在光VL入射的方向上依次设置。光电极113包括透明导电层111以及在透明导电层111上以网格图案或栅格图案形成的栅格电极112。面对光电极113的相对电极223包括透明导电层221、形成在透明导电层221上的催化剂层222以及在催化剂层222上以网格图案或栅格图案形成的栅格电极224。
图8的光电转换器件与图1的光电转换器件的区别在于：除了形成在相对电极113上的栅格电极112之外栅格电极224形成在相对电极223上。栅格电极224减小相对电极223的电阻，提供用于收集通过外部电路180且到达相对电极223的电子并将该电子传送到电解质层150的具有低电阻的电流通路。例如，栅格电极224可以由具有高电导率的金属材料形成，诸如金(Au)、银(Ag)或铝(Au)或其它合适的金属，并可以以网格形式图案化。
保护层225可以进一步形成在栅格电极224的外表面上。保护层225防止栅格电极224受到损伤，例如防止当栅格电极224接触电解质层150并与其反应时栅格电极224被侵蚀。保护层225可以由不与电解质层150反应的材料形成，例如可固化树脂材料。
关于图5至图7中光电极113的光电转换效率、开口率和电性能的以上公开可以应用于相对电极223以及光电极113。也就是，根据参照图5至图7所描述的公开，设计相对电极223以提高光电转换效率，并且包括在相对电极223中的栅格电极224的节距P’和线宽W’可以被适当地确定。
根据本发明的一个或多个实施例，设计用于收集由光电转换产生的电子的电极以提高光电转换效率。也就是，栅格电极的形状和布置直接影响基板的开口率和电阻，栅格电极的形状和布置由对应于栅格电极的线宽与栅格电极的节距之间的关系的设计参数适当地确定。设定在合适范围内的设计参数允许高的光电转换效率，因此可以提供具有高效率的光电转换器件。
尽管已经参照本发明的示例性实施例具体示出并描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，可以在其中进行形式和细节上的各种变化，而不脱离由权利要求书及其等同物所限定的精神和范围。
本申请要求于2009年10月6日提交到美国专利商标局的美国临时申请No.61/249126以及于2010年8月31日提交到美国专利商标局的美国申请No.12/873227的优先权和权益，其公开内容通过引用整体结合于此。

Claims (20)

1.一种光电转换器件，包括：
第一基板；
面对所述第一基板的第二基板；以及
第一电极，在所述第一基板与所述第二基板之间，所述第一电极包括第一栅格电极，
其中根据所述光电转换器件的光电转换效率来设定所述第一栅格电极的线宽与所述第一栅格电极的节距的第一比率。
2.根据权利要求1所述的光电转换器件，
其中所述第一栅格电极包括多个第一指状电极，以及
其中所述第一栅格电极的线宽是每个所述第一指状电极的宽度，所述第一栅格电极的节距是所述第一指状电极中相邻的第一指状电极之间的距离。
3.根据权利要求1所述的光电转换器件，其中所述光电转换效率定义为：
η＝100×(Voc×Jsc×FF)/Po
其中，η为所述光电转换效率；Po是输入到所述光电转换器件的入射光的强度，单位为mW/cm2；Voc是所述光电转换器件的输出端处的开路电压，单位为V；Jsc是短路电流密度，单位为mA/cm2；FF为填充因子。
4.根据权利要求1所述的光电转换器件，其中所述第一比率至少为0.0125。
5.根据权利要求1所述的光电转换器件，其中所述线宽至少为0.5mm。
6.根据权利要求1所述的光电转换器件，其中所述第一比率在0.009至0.1之间。
7.根据权利要求1所述的光电转换器件，其中所述第一比率不大于0.0625。
8.根据权利要求1所述的光电转换器件，其中所述第一比率在0.0125至0.0625之间。
9.根据权利要求1所述的光电转换器件，还包括：
第二电极，在所述第一电极与所述第二基板之间，所述第二电极包括第二栅格电极，
其中根据所述光电转换器件的所述光电转换效率来设定所述第二栅格电极的线宽与所述第二栅格电极的节距的第二比率。
10.根据权利要求9所述的光电转换器件，其中所述第二栅格电极的所述线宽至少为0.5mm。
11.根据权利要求9所述的光电转换器件，其中所述第二比率在0.009至0.1之间。
12.根据权利要求9所述的光电转换器件，其中所述第二比率不大于0.0625。
13.根据权利要求9所述的光电转换器件，
其中所述第二栅格电极包括多个第二指状电极，以及
其中所述第二栅格电极的线宽是每个所述第二指状电极的宽度，所述第二栅格电极的节距是所述第二指状电极中相邻的第二指状电极之间的距离。
14.根据权利要求13所述的光电转换器件，还包括在所述第一电极与所述第二电极之间的半导体层，该半导体层包括光敏染料。
15.根据权利要求1所述的光电转换器件，还包括在所述第一电极上的半导体层，该半导体层包括光敏染料。
16.根据权利要求1所述的光电转换器件，其中所述第一电极还包括在所述第一基板与所述第一栅格电极之间的透明导电层。
17.根据权利要求1所述的光电转换器件，其中所述第一栅格电极包括金属材料。
18.一种光电转换器件，包括：
第一基板；
面对所述第一基板的第二基板；以及
第一电极，在所述第一基板与所述第二基板之间，所述第一电极包括第一栅格电极；以及
第二电极，在所述第一电极与所述第二基板之间，所述第二电极包括第二栅格电极，
其中根据所述光电转换器件的光电转换效率来设定所述第一栅格电极的线宽与所述第一栅格电极的节距的第一比率以及所述第二栅格电极的线宽与所述第二栅格电极的节距的第二比率。
19.根据权利要求18所述的光电转换器件，其中所述第一比率和/或所述第二比率在0.009至0.1之间。
20.根据权利要求18所述的光电转换器件，其中所述第一比率和/或所述第二比率不大于0.0625。
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