CN1860640A - 染料增敏太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的一个方面，提供了一种染料增敏太阳能电池，其包括第一基础元件、多孔绝缘层和第二基础元件，其中第一基础元件具有第一透光性基片、在第一基片的表面上形成的透光性导电层、含有增敏染料并且布置在透光性导电层表面上的第一半导体电极、含有增敏染料并且具有一个面对第一半导体电极的第一表面的第二半导体电极、在第二半导体电极的第二表面上形成的第一收集器电极和位于第一和第二半导体电极之间的电解质层；多孔绝缘层与第二半导体电极和第一收集器电极相接触，或者与第一收集器电极相接触；第二基础元件包括第二基片和在第二基片的表面上形成的并且面对多孔绝缘层的催化剂层。通过在染料增敏太阳能电池中提供这两种半导体电极，有可能高效率地利用辐射光，借此提高光电转换效率。

Description

染料增敏太阳能电池
技术领域
本发明涉及一种用于将光能直接转变成电能的染料增敏太阳能电池，特别地，涉及一种具有两个半导体电极以提高光利用效率的太阳能电池。
背景技术
现在，利用单晶硅、多晶硅、无定形硅、HIT(具有内在薄层的异质结)的各种组合形成的太阳能电池已经被实用化，并成为太阳能发电技术中的主要技术。这些硅太阳能电池具有优异的光电转换效率，接近20％，但是材料处理需要很高的能量消耗，同时在例如环境负荷和成本以及材料供应限制等方面也存在诸多问题。另一方面，Gratzel等在日本公开专利公布No.Hei-01-220380和Nature(vol.353，pp.737-740，1991)上已经提出了一种染料增敏(dye-sensitized)太阳能电池，并作为廉价太阳能电池而受到关注。这些染料增敏太阳能电池的每一个都包括附有增敏染料的多孔氧化钛电极、反电极(counterelectrode)和位于氧化钛电极和反电极之间的电解质材料，因此尽管其光电转换效率低于硅太阳能电池，但它使材料和处理成本显著降低。
染料增敏太阳能电池的光电转换效率能够通过高效地利用光辐射而加以提高。为了提高光辐射的利用率，可以想象使用光吸收波长范围较宽的增敏染料。人们已经尝试开发这种类型的增敏染料，例如日本公开专利公布No.Hei-10-93118中所公布的。
然而，要开发出不但光吸收波长范围足够宽而且能够保证实际耐用性的增敏染料并不容易。需要对增敏染料进行进一步地开发和改良。
发明内容
本发明根据上述的事实，提供了一种染料增敏太阳能电池，其具有两个用于提高光利用率的半导体电极，更明确地讲，其通过利用两个半导体电极中具有不同光吸收波长范围的增敏染料进一步提高了光利用率。
根据本发明的一个方面，提供了一种染料增敏太阳能电池，其包括：第一基础元件，其包括具有透光性的第一基片、在第一基片的表面上形成的透光性导电层、含有增敏染料并且布置在透光性导电层表面上的第一半导体电极、含有增敏染料并且具有一个面对第一半导体电极的第一表面的第二半导体电极、在第二半导体电极的第二表面上形成的第一收集器电极(collector electrode)和位于第一和第二半导体电极之间的电解质层；多孔绝缘层，其与第二半导体电极和第一收集器电极相接触，或者与第一收集器电极相接触；和第二基础元件，其包括第二基片和在第二基片的表面上形成的并且面对多孔绝缘层的催化剂层。
附图说明
图1是根据本发明第一实施例的染料增敏太阳能电池的剖面图。
图2是显示太阳能电池中第一和第二半导体电极的增敏染料相对于波长的光吸收量的比较结果示意图。
图3是根据本发明第一实施例的染料增敏太阳能电池的透光性导电层、第一半导体电极和电解质层的部分放大示意图。
图4是根据本发明第一实施例的染料增敏太阳能电池的电解质层、第二半导体电极和第一收集器电极的部分放大示意图。
图5是根据本发明第二实施例的染料增敏太阳能电池的剖面图。
图6是根据本发明第三实施例的染料增敏太阳能电池的剖面图。
图7是根据本发明第四实施例的染料增敏太阳能电池的剖面图。
图8是根据本发明第五实施例的染料增敏太阳能电池的剖面图。
图9是根据本发明第六实施例的染料增敏太阳能电池的剖面图。
图10是显示半导体电极配置中格栅状电极图形的一个实例的示意图。
图11是显示半导体电极配置中梳状电极图形的一个实例的示意图。
图12是显示半导体电极配置中辐射状电极图形的一个实例的示意图。
图13是显示收集器电极配置中格栅状电极图形的一个实例的示意图。
图14是显示收集器电极配置中梳状电极图形的一个实例的示意图。
图15是显示收集器电极配置中辐射状电极图形的一个实例的示意图。
具体实施方式
下文将参考附图对本发明的示例性实施例进行详细说明。应当注意，在下面的说明书中，相似的部件和部分用相似的指代数字表示，并不再对其进行重复的解释。
每一个根据本发明第1-6实施例的染料增敏太阳能电池201-206都包括第一基础元件(base member)101、多孔绝缘层6和第二基础元件102，如图1、5、6、7、8和9所示。第一基础元件101具有透光性基片1、在透光性基片1的表面上形成的透光性导电层21、位于透光性导电层21的表面上并且含有增敏染料311(见图3)的第一半导体电极31、具有面对第一半导体电极31的第一表面并且含有增敏染料321(见图4)的第二半导体电极32、在第二半导体电极32的第二表面上形成的第一收集器电极41和在第一半导体电极31和第二半导体电极32之间形成的电解质层5。在第一基础元件101的这些组成部分中，第一收集器电极41可以是透光的也可以是不透光的，因为不需要使第一收集器电极41将光线透射到多孔绝缘层6和第二基础元件102。第二基础元件102具有基片7和在基片7的表面上形成的催化剂层8。第二基础元件102的整体可以是透光的也可以是不透光的。也就是说，基片7和催化剂层8的每一个可以是透光的也可以是不透光的。
这里，透光性能是指根据下面的等式，对波长为400-900nm的可见光的透射率为10％或者更高。光透射率在60％或者更高的范围是理想的，更优选的是85％或者更高。在下文的说明中，透光性性能和光透射率的理想范围在含义上是相同的。
透射率(％)＝(光透射量/入射光总量)×100
关于透光性基片1，可以使用玻璃基片、树脂薄片等。树脂薄片没有特殊的限制。树脂薄片的实例包括聚酯薄片，例如聚乙烯对苯二酸酯和聚乙烯萘酯(naphthalate)，和其它的薄片，如聚硫化亚苯(polyphenylene sulfide)、聚碳酸酯、聚砜(polysulfone)和聚亚乙基降莰烷(polyethylidene norbornane)。
透光性基片1的厚度随着其材料的不同而不同。透光性基片1的厚度并没有特殊的限制，但是理想的是，使其厚度能够获得由上面的等式定义的60-99％的透光率，特别地，获得85-99％的透光率。
透光性导电层21没有特殊的限制，只要具有透光性和导电性即可。关于透光性导电层21，可以使用导电氧化物、金属、碳等薄膜。导电氧化物的实例包括氧化锡、氟掺杂氧化锡(FTO)、氧化铟、锡掺杂氧化铟(ITO)和氧化锌。金属的实例包括铂、金、铜、铝、铑和铟。
透光性导电层21的厚度随其材料的不同而不同。透光性导电层21的厚度没有特殊限制，但是理想的是，其厚度能够使导电层21具有100Ω/cm2或者更低的表面电阻率，特别地具有1-10Ω/cm2的表面电阻率。
透光性导电层21的制备方法没有特殊限制。透光性导电层21能够通过，例如，将含有金属、导电氧化物等的小颗粒糊料施加到透光性基片1的表面上而制成。糊料施加处理的实例包括各种处理技术，例如刮刀处理、橡皮刷处理和旋涂处理。选择地，透光性导电层21可以使用金属或导电氧化物材料通过溅射、气相沉积或离子电镀处理制备而成。
关于增敏染料311和321，可以使用络合物染料和有机染料以提高光电转换。络合物染料的实例有金属络合物染料。有机染料的实例有聚甲炔染料和部花青染料。金属络合物染料的特殊实例包括钌络合物染料和锇络合物染料。其中，钌络合物染料是特别优选的。为了保证在更宽的波长范围内进行光电转换以提高光电转换效率，可以组合使用两种或者更多种具有不同增敏波长范围的增敏染料。这种情况下，理想的是，根据辐射光的波长范围和强度分布选择增敏染料311和321的种类和用量比。而且，增敏染料311和321优选地含有可结合于各自半导体电极31和32上的功能基团。功能基团的实例是羧基、磺酸基和氰基。
增敏染料311和321可以是相同的。即使是当第一和第二半导体电极31和32的光吸收波长范围相同时，也有可能通过提供两个这样的半导体电极实现对辐射光的高效利用，从而提高光电转换效率。
在如图2所示的实例中，增敏染料311和321具有不同的光吸收波长范围，因此有可能获得更高的辐射光利用效率，从而进一步提高光电转换效率。因此优选的是，增敏染料311和321的光吸收波长范围彼此不同。尽管对组合使用具有不同吸收波长范围的增敏染料311和321没有特殊限制，但是理想的是，确保增敏染料311与321的吸收波长之间具有较大的差异，以便获得更高的光电转换效率。
在增敏染料311和321的光吸收波长范围彼此不同的情况下，更加理想的是，位于透光性基片1附近的第一半导体电极31的增敏染料311的光吸收波长范围与第二半导体电极32的增敏染料321的光吸收波长范围相比，处于较短波长一侧。这使得更大量的光线通过第一半导体电极31到达第二半导体电极32，从而获得更高的光利用效率。
此外，优选地，增敏染料311和增敏染料321中至少有一个是由两种或者更多种具有不同光吸收波长范围的增敏染料化合物构成的。更优选地，增敏染料311和321的所有增敏染料化合物的光吸收波长范围都不同。当所有增敏染料化合物的光吸收波长范围都不同时，有可能保证增敏染料311和321能够吸收更宽波长范围的光线，从而极大地提高光利用效率。
半导体电极31和32每一个的电极体都能够用金属氧化物材料、金属硫化物材料等制成。金属氧化物材料的实例包括氧化钛、氧化锡、氧化锌、铌的氧化物如五氧化铌、氧化钽和氧化锆。关于金属氧化物材料，可以使用双氧化物，例如钛酸锶、钛酸钙和钛酸钡。金属硫化物材料的实例包括硫化锌、硫化铅和硫化铋。
电极体的制备方法没有特殊限制。在第一半导体电极31的实例中，电极体的制备可以通过，例如将含有金属氧化物、金属硫化物等的小颗粒的灰浆(slurry)施加到透光性导电层21的表面上，而后烧结该糊料。在第二半导体电极32的实例中，电极体的制备类似地可以通过将含有金属氧化物、金属硫化物等的小颗粒的灰浆施加到多孔绝缘层6和第一收集器电极41的表面上，或者施加到第一收集器电极41的表面上，然后烧结该糊料。灰浆施加处理也没有特殊限制。灰浆施加处理的实例有丝网印刷处理、刮刀处理、橡皮刷处理、旋涂处理等。这样制备的电极体呈团块(agglomerate)状，其中小颗粒凝聚在一起。选择地，电极体可以如下地制备：将金属氧化物、金属硫化物等的小颗粒与少量有机聚合物分散在一起的胶体施加到第一基础元件101的透光性导电层21的表面上(在第一半导体电极31的情况下)，或者施加到多孔绝缘层6和第一收集器电极41的表面上或施加到第一收集器电极41的表面上(在第二半导体电极32的情况下)，使胶体干燥，然后通过加热分解除去有机聚合物。胶体施加处理的实例包括各种处理技术，例如丝网印刷处理、刮刀处理、橡皮刷处理和旋涂处理。这样制备的电极体也呈团块状，其中小颗粒凝聚在一起。
这样，大体上以小颗粒团块的形式提供了每一个半导体电极31和32的电极体。电极体的平均小颗粒直径没有特殊限制，但是在用X射线衍射进行测量时，理想的范围是5-100nm，特别地为10-50nm。而且，第一半导体电极31的电极体的平均颗粒尺寸优选地比第二半导体电极32的要小。这可以使更多的光透过位于光入射侧面上的第一半导体电极31，从而获得更高的光利用效率。尽管对第一和第二半导体电极31和32电极体的平均颗粒直径之间的差异没有特殊限制，但是第一和第二半导体电极31和32电极体的平均颗粒直径之间的差异优选地为5-60nm，特别地为10-50nm。特别是当第一半导体电极31的电极体的平均颗粒直径范围为10-20μm，且第二半导体电极32的电极体的平均颗粒直径范围为30-50μm时，透过第一半导体电极31并到达第二半导体电极32的光量能够增加到一个充分的水平，从而实现更高的光利用效率。
第一和第二半导体电极31和32的形式没有特殊限制。半导体电极31和32的每一个能够是薄片电极或是具有特殊电极图形的线形电极。第一半导体电极31一般呈薄片状，并位于透光性导电层21表面除即将形成结点的边缘之外的部分。另一方面，第二半导体电极32优选地成形为具有特殊电极图形的线形电极。半导体电极图形没有特殊限制。电极图形的实例有如图10所示的格栅图形33、如图11所示的梳状图形34和如图12所示的辐射状图形35。在第二半导体电极32是具有这种特殊图形的线形电极的实例中，线形电极的宽度和厚度没有特殊限制，并能根据光电转换效率、成本等加以选择。当第二半导体电极32成形为具有特殊图形的线形电极时，有可能允许电解质材料等通过第二半导体电极32迁移到催化剂层8。
当第一和第二半导体电极31和32都呈薄片状时，每个半导体电极31和32的厚度没有特殊限制，能够在0.1-100μm内进行调节。半导体电极31和32的厚度的理想范围是1-50μm，特别地为2-40μm，更特别地为5-30μm。当每一个半导体电极31和32的厚度范围是0.1-100μm时，有能够获得足够的光电转换，从而提高光电转换效率。特别理想的是，将第一半导体电极31的厚度控制在0.1-25μm，特别地为0.5-20μm，更特别地为1-15μm，将第二半导体电极32的厚度控制在5-100μm，特别地为10-50μm，更特别地为15-30μm，同时，第一半导体电极31成为比第二半导体电极32更薄的层。通过这样控制每个电极的厚度，能够将通过第一半导体电极31到达第二半导体电极32的光量增加到足够高的水平，从而获得更高的光利用率。
为了增加第一和第二半导体电极31和32的强度，第一半导体电极31与透光性导电层21的粘着的强度，以及第二半导体电极32与多孔绝缘层6和第一收集器电极41的粘着的强度，理想地对第一和第二半导体电极31和32进行热处理。热处理的温度和时间没有特殊限制。理想的是，将热处理温度控制在40-700℃，特别地控制在100-500℃，将热处理时间控制在10分钟-10小时，特别地控制在20分钟-5小时。在使用树脂薄片作为第一半导体电极31侧面上的透光性基片1的情况下，热处理优选地在低温下执行，以免导致树脂薄片热降解。
将增敏染料311、321附着到电极体上的方法没有特殊限制。增敏染料311、321能够通过，例如，将电极体浸没在用有机溶剂将增敏染料311、321溶解而成的溶液中，用该溶液浸渍该电极体，然后除去有机溶剂，从而附着在电极体上。选择地，将增敏染料311、321粘着在电极体上可以通过将溶解于有机溶剂的增敏染料311、321的溶液施加在电极体上，然后除去有机溶剂。溶剂施加处理的实例有金属丝棒处理(wire bar process)、滑动储料器处理(slide happor process)、挤压处理、帘涂处理、旋涂处理、喷涂处理等。另外可以选择地通过印刷处理施加溶液，例如胶印处理、照相凹版印刷处理或丝网印刷处理。
增敏染料311、321粘着量的理想范围为每克半导体电极31、32的电极体0.01-1mmol，特别地为0.5-1mmol。当增敏染料311、321的粘着量范围是0.01-1mmol时，半导体电极31、32中可以获得高效的光电转换率。尽管将增敏染料311、321粘着在电极体的至少一个表面上可以得到令人满意的效果，但是理想的是，将增敏染料311、321粘着并参入到电极体距离电极表面90％距离处的部分上，并且大体上粘着并参入在整个电极体上。这可以进一步提高光电转换效率。如果一些增敏染料311、321游离地存在于电极31、32的周围而没有粘着在电极体上，那么半导体电极31、32的光电转换效率会降低。因此理想的是，在增敏染料311、321的粘着处理之后，通过冲洗半导体电极31、32除去多余量的增敏染料311、321。该除去步骤可以通过洗涤槽用一种有机溶剂，例如极性溶剂(如乙腈)或乙醇溶剂，进行刷洗来完成。为了将大量的增敏染料311、322粘着到电极体上，理想的是，电极体在浸渍或施加处理之前进行加热。在这种情况下，进一步优选的是，在热处理之后和电极体达到环境温度之前，立即在40-80℃的温度下进行浸渍或施加处理，从而防止水吸附到电极体的表面。
第一收集器电极41布置在第二半导体电极32的第二表面上。
第一收集器电极41的形式没有特殊限制。第一收集器电极41可以具有如图1所示的薄片形。本文要求，电解质材料要分布在第二半导体电极32与催化剂层8之间。因此，在第一收集器电极41呈薄片形的情况下，特别是在第一收集器电极41的面积大于或等于第二半导体电极32面积的10％或更多，特别地大于或等于30％或者更多的情况下，第一收集器电极41优选地为多孔介质的形式。第一收集器电极41可以和第二半导体电极3的整个第二表面相接触。在这种情况下，第一收集器电极41需要是多孔的，以便在其中参入和浸渍电解质材料。当通过用电子显微镜观察多孔介质的剖面并用孔的面积与总面积的比值确定孔隙率时，这种多孔电极介质的孔隙率没有特殊限制，但是理想地控制在2-40％，特别地控制在10-30％，更特别地控制在15-25％。当电极孔隙率的范围为2-40％，特别地为10-30％时，第一收集器电极41中能够参入需要量的电解质材料，并允许电解质材料充分地迁移通过。这种多孔介质的第一收集器电极41可以通过烧结由含有金属成分，例如钨、钛或镍的金属化油墨构成的，或者由可形成孔的氧化物，例如氧化铝等构成的薄膜，制备而成。
选择地，第一收集器电极41可以是具有特殊电极图形的线形电极形式。收集器电极的图形没有特殊限制。收集器电极图形的实例有如图13所示的格栅图形44，如图14所示的梳状图形45，和如图15所示的辐射状图形46。在第一收集器电极41是具有特殊图形的线形电极的情况下，线形电极的宽度和厚度没有特殊限制，可以根据电阻、成本等加以选择。当第一收集器电极41具有特殊图形，例如格栅图形、梳状图形或辐射状图形时，第一收集器电极41的总面积的范围优选地为第二半导体电极32的总面积的1-90％，特别地为5-50％，更特别地为10-20％。当第一收集器电极41的总面积的范围为第二半导体电极32的总面积的1-90％，特别地为5-50％时，有可能将电解质材料充分地固定在没有布置收集器电极41的部分，从而允许电解质材料容易地进行迁移。
电解质层5可以用电解质溶液加以形成。电解质溶液一般含有一种溶剂，并且除了电解质材料之外还含有各种添加剂。电解质材料的实例包括1)I2和碘化物；2)Br2和溴化物；3)金属络合物，例如亚铁氰化物-铁氰化物络合物，或二茂铁-二茂铁离子络合物；4)硫化合物，例如多硫化钠或烷基硫醇-烷基二硫化物(alkylthiol-alkyldisulfide)；5)viologen染料；以及6)氢醌-醌。关于碘化物电解质材料(1)，能够使用的金属碘化物有，例如LiI，NaI，KI，CsI和CaI2，四铵碘化物如四烃基铵碘化物、吡啶碘化物和咪唑啉碘化物等。关于溴化物电解质材料2)，能够使用的金属溴化物有，例如LiBr，NaBr，KBr，CsBr和CaBr2，四铵溴化物如四烃基铵溴化物、吡啶溴化物和咪唑啉溴化物等。这些电解质材料中，特别优选的是I2与LiI的组合，或者四铵碘化物，例如吡啶碘化物或咪唑啉碘化物等。这些电解质材料可以单独使用，或者组合地使用。
电解质层5的溶剂优选的是一种具有低黏度、高离子迁移率和足够离子电导的溶剂。这种溶剂的实例包括：1)碳酸盐，例如碳酸乙烯酯和碳酸丙稀酯；2)杂环化合物，例如3-甲基-2-唑烷；3)醚，例如二氧杂环乙烷和二乙基醚；4)链式醚(chain ether)，例如乙烯乙二醇二烃基醚(ethylene glycol dialkylether)、丙稀乙二醇二烃基醚、聚乙烯乙二醇二烃基醚和聚丙稀乙二醇二烃基醚；5)单元醇，例如甲醇、乙醇、乙烯乙二醇单烃基醚、丙烯乙二醇单烃基醚、聚乙烯乙二醇单烃基醚和聚丙烯乙二醇单烃基醚；6)多元醇，例如乙烯乙二醇、丙稀乙二醇、聚乙烯乙二醇、聚丙烯乙二醇和甘油；7)腈，例如乙腈、戊二腈、甲氧基乙腈、丙腈和氰苯；和8)质子惰性极性溶剂，例如二甲基亚砜和硫烷(sulfolane)。
电解质层5的厚度没有特殊限制，并且可以调节到100μm或者更小，特别地调节到20μm或者更小。当电解质层5的厚度范围为100μm或者更小，特别地为20μm或者更小时，有可能保证足够高的光电转换效率。而且，第一和第二半导体电极31和32可以彼此接触。在这种情况下，当它们之间形成的缝隙厚度为20μm或者更小时(通常1μm或者更大)，能够将光电转换效率提高到足够高的水平。
电解质层5布置在第一和第二半导体电极31和32之间，电解质层5的制备方法没有特殊限制。电解质层5的制备可以通过，例如，在第一和第二半导体电极31和32周围和位于透光性基片1与基片7之间，或位于透光性导电层21与基片7之间，或者如下文所述的如果在基片7的一侧上具有一个导电层22的话，则位于透光性基片1与基片7之间，或位于透光性导电层21与基片7之间，或位于透光性基片1与导电层22之间，或位于透光性导电层21与导电层22之间的空间内提供一个树脂或玻璃密封，然后将电解质溶液注入到所密封的空间内。电解质溶液可以从透光性基片1一侧或者从基片7一侧注入到密封空间内。然而理想的是，在透光性基片1的侧面上形成一个注射孔，在该处有较少量的部件部分被打孔。尽管一个注射孔足以注射电解质溶液，但是可以想象到，再形成一个孔用于通气。形成通气孔可以更容易地注射电解质溶液。用于密封第一和第二半导体电极31和32四周的树脂的实例包括热固性树脂，例如环氧树脂、聚氨酯树脂、聚酰亚胺树脂和热固性聚酯树脂。选择地，可以用玻璃提供密封。理想的是用玻璃进行密封，特别是当太阳能电池201-206需要具有长期耐用性的时候。
电解质层5可以选择地用如下的离子性液体形成，包括非挥发性咪唑啉盐(imidazolium salt)、其胶体化产物或者一种固体，例如碘化铜或者硫氰酸铜。这种电解质层5的厚度没有特殊限制，可以控制在100μm或者更小，特别地当使用电解质溶液时，控制在20μm或者更小(通常为1μm或者略大)。当电解质层厚度的上限小于或等于上面在任何一个实例中指定的数值时，就有可能获得足够高的转换效率。
多孔绝缘层6与第二半导体电极32和第一收集器电极41相接触，或者与第一收集器电极41接触。尽管多孔绝缘层6的材料没有特殊限制，但是多孔绝缘层6优选地用陶瓷形成。陶瓷没有特殊的限制。可以使用各种陶瓷材料，例如氧化物陶瓷、氮化物陶瓷和碳化物陶瓷。氧化物陶瓷的实例有氧化铝、莫来石和氧化锆。氮化物陶瓷的实例有氮化硅、硅铝氧氮陶瓷、氮化钛和氮化铝。碳化物陶瓷的实例有碳化硅、碳化钛和碳化铝。其中，氧化铝、氮化硅和氧化锆是优选的。
多孔绝缘层6的孔隙率没有特殊限制。理想的是，当通过用电子显微镜观察多孔绝缘层6的剖面，并以视场中孔面积与总面积的比值确定孔隙率时，多孔绝缘层6的孔隙率范围是2-40％，特别地为10-30％，更特别地为15-25％。当多孔绝缘层6的孔隙率范围是2-40％，特别地为10-30％时，电解质材料能够容易地包含在多孔绝缘层6内并且能够容易地在其中迁移，而不会降低光电转换效应。
多孔绝缘层6的厚度没有特殊限制，并可以调节为0.5-20μm，特别地调节为1-10μm，更特别地调节为2-7μm。当多孔绝缘层6的厚度处于0.5μm或者更大的范围时，有可能在半导体电极32和催化剂层8之间建立电绝缘。
多孔绝缘层6的制备能够通过物理气相沉积处理，例如磁电管溅射或电子束气相沉积，在催化剂层8的表面上沉积陶瓷材料，例如氧化铝、氮化硅或氧化锆而实现。选择地，多孔绝缘层6可以如下地制备：通过丝网印刷处理向催化剂层8的表面施加含有陶瓷成分、烧结助剂、有机粘合剂等的灰浆层，然后在使烧结物变得多孔的条件下烧结灰浆。多孔绝缘层6可以如下地加以制备：通过丝网印刷处理等向催化剂层8的表面施加含有陶瓷成分、烧结助剂、有机粘合剂和成孔氧化物材料例如碳的糊料层，然后在预定的温度下烧结糊料达所需时间。
基片7可以具有也可以没有透光性质。
关于具有透光性质的基片7，可以像透光性基片1的实例那样使用玻璃薄片、树脂薄片等。当用树脂薄片制造基片7时，可以使用热固性树脂，例如聚酯、聚亚苯基硫化物、聚碳酸酯、聚砜或聚亚乙基降莰烷，作为树脂薄片的材料。而且，当基片7具有透光性质时，基片7的厚度随所用材料的不同而不同。基片7的厚度没有特殊限制，但理想的是，其厚度可以使如上定义的透光率范围达到60-99％，特别地达到85-99％。
在基片7没有透光性质的情况下，基片7能够用陶瓷制成。当用陶瓷制成时，基片7的强度很高，足以起到支持基片的作用，从而使每个染料增敏太阳能电池201-206都具有优良的耐用性。用于陶瓷基片7的陶瓷没有限制。各种陶瓷都可以使用，例如氧化物陶瓷、氮化物陶瓷和碳化物陶瓷。氧化物陶瓷的实例有氧化铝、莫来石和氧化锆。氮化物陶瓷的实例有氮化硅、硅铝氧氮陶瓷、氮化钛和氮化铝。碳化物陶瓷的实例有碳化硅、碳化钛和碳化铝。作为陶瓷材料，氧化铝、氮化硅和氧化锆是优选的。特别优选的是氧化铝。
基片7的厚度没有特殊限制，当用陶瓷制造基片7时，能够将厚度调节为100μm-5mm，特别地为500μm-5mm，更特别地为800μm-5mm，或500μm-2mm。当陶瓷基片的厚度范围是100μm-5mm，特别地为800μm-5mm时，基片7能够获得高强度并起到支持基片的作用，从而使每个染料增敏太阳能电池201-206都具有优良的耐用性。
催化剂层8能够用有催化活性的材料制成，或者用其中含有催化活性材料的金属、导电氧化物和树脂中的至少一种制成。有催化活性的材料的实例包括贵金属，例如铂、金、铑，和碳黑。(银不适合于用在催化剂层8中，因为它对电解质材料等的腐蚀抗性较低。出于同样的原因，银也不适合用在任何与电解质材料等相接触的部分)。这些材料还具有导电性质。优选的是，催化剂层8用具有催化活性和电化学稳定性的贵金属制成。特别优选的是铂，其具有很高的催化活性，并且能够抵抗电解质溶液的溶解作用。
在使用没有催化活性的金属、导电氧化物和导电树脂中任何一种的情况下，催化剂层8内可以使用的金属的实例有铝、铜、铬、镍、和钨，催化剂层8内可以使用的导电树脂的实例有聚苯胺、聚吡咯和聚乙烯(polyacethylene)。导电树脂的实例还有通过将导电材料混合到非导电树脂材料中制备的树脂复合物。树脂材料没有特殊限制，既能够是热塑性的，也能够是热固性的。热塑性树脂的实例包括热塑性聚酯树脂、聚酰胺树脂、聚烯烃树脂和聚氯乙烯树脂。热固性树脂的实例包括环氧树脂、热固性聚酯树脂和苯酚树脂。导电材料没有特殊的限制。导电材料的实例包括碳黑、贵金属材料例如铂、金和铑、其它材料，例如铜、铝、镍、铬和钨，以及导电聚合物，例如聚苯胺、聚吡咯和聚乙烯(polyacethylene)。关于导电材料，特别优选的是贵金属和碳黑，它们都具有导电性质和催化活性。这些导电材料能够单独使用或者组合使用。
在使用没有催化活性的金属、导电氧化物和导电树脂中任何一种的情况下，理想的是，催化活性材料的含量为每100份重量的无催化活性金属、导电氧化物和/或导电树脂材料含有1-99份重量的催化活性材料，特别地为50-99份。
这样，催化剂层8能够或者用同时具有催化活性和导电性的材料制成，或者用含有催化活性材料的金属、导电氧化物和导电树脂中的至少一种制成。催化剂层8可以是一种材料构成的层，或者是两种或多种材料的混合层。而且，催化剂层8可以具有单层结构，或者是含有金属层、导电氧化物层、导电树脂层和两种或两种以上金属、导电氧化物和导电树脂的混合层中至少两个的多层结构。
催化剂层8的厚度没有特殊限制，在催化剂层8为单层结构以及催化剂层8为多层结构的实例中，能够调节为3nm-10μm，特别地为3nm-2μm。当催化剂层8的厚度范围是3nm-10μm时，催化剂层8的电阻可以降低到足够低的程度。
当催化剂层8由具有催化活性的材料构成时，催化剂层8能够通过向基片7的表面，或者如果提供了导电层22的话，向导电层22的表面施加含有具有催化活性材料的小颗粒的金属化油墨制备而成。当催化剂层8由含有催化活性材料的金属或导电氧化物中任何一种构成时，催化剂层8的制备方法可以和用具有催化活性的材料制备催化剂8时一样。油墨施加处理的实例包括各种处理技术，例如丝网印刷处理、刮刀处理、橡皮刷处理和旋涂处理。选择地，催化剂层8可以通过溅射处理、气相沉积处理、离子电镀处理等在基片7表面上沉积金属等制备而成。当催化剂层8用含有催化活性材料的导电树脂构成时，催化剂层8能够如下地制备：使用揉合设备，例如Banbury混炼机、内混机或开放式轧辊将导电树脂与粉末或纤维状的催化活性材料揉合在一起，将经过揉制的物质塑成薄膜，然后将薄膜结合到基片7的表面上或者类似物上。催化剂层8可以选择地如下地制备：将树脂成分溶解或分散到溶剂内，将所获得的溶液或分散体施加到基片7的表面上或类似物上，干燥以除去溶剂，然后按照需要加热。当催化剂层8是混合层时，可以根据其材料成分的种类用上述催化剂层制备方法中任何一种加以制备。
如图6、7和9所示，在基片7和催化剂层8之间，或者如果在基片7和催化剂层8之间布置有导电层22的话，在基片7和导电层22之间，或者在导电层22的表面上，可以提供一个第二收集器电极42。当催化剂层8用具有优良导电性质的贵金属制成，例如铂或金，其厚度为20nm或更大，特别地为1μm或者更大(通常10μm或者更小)时，不需要提供该第二收集器电极42。然而理想的是，考虑到成本，还是提供第二收集器电极42。尽管由于铂等比较昂贵，所以催化剂层8优选地成形为薄膜，但是薄膜层8具有很高的电阻。因此通过提供由金属，例如钨、钛或镍，构成的第二收集器电极42，可以提高电荷收集效率并降低成本。当催化剂层8由催化活性材料和导电氧化物材料的混合成分制备时，催化剂层8的电阻变得更高。因此，在这种情况下理想的是，提供第二收集器电极42以提高电荷收集效率。
第二收集器电极42的形式没有特殊限制。第二收集器电极42可以具有如图6所示的薄片形式，因为透光性质对于第二基础元件102而言不是最重要的条件。当第二收集器电极42呈薄片状时，第二收集器电极42可以是多孔的也可以不是多孔的，因为不需要使电解质材料迁移通过第二收集器电极42。为了使第二收集器电极42的电阻较低，理想的是，第二收集器电极42的配置与催化剂层8平面型相似，并且面积是催化剂层8的面积的50％或者更多，特别地65％或者更多，更特别地80％或者更多(包括与催化剂层8的大小相同)。同样理想的是，第二收集器电极42的轮廓与催化剂层8相似。第二收集器电极42可以选择地呈具有如图7所示特殊电极图形的线形电极的形式。收集器电极的图形没有限制。电极图形的实例有如图13所示的格栅图形44，如图14所示的梳状图形45和如图15所示的辐射状图形46。当第二收集器电极42是具有这种特殊图形的线形电极时，线形电极的宽度和厚度没有特殊限制，并能够根据电阻、成本等加以选择。而且，当第二收集器电极42是具有特殊图形的线形电极时，第二收集器电极42的总面积没有特殊限制。第二收集器电极42的总面积优选地控制为催化剂层8总面积的0.1％或者更多，特别地5％或者更多，更特别地10％或者更多。当第二收集器电极42的面积较大时，有可能进一步提高电荷收集效率。
如图8和9所示，可以在透光性基片1与透光性导电层21之间，或者在透光性导电层21上提供一个第三收集器电极43。第三收集器电极43的形式没有特殊限制，只要第三收集器电极43能够保证透光性质即可。第三收集器电极43能够是具有特殊电极图形的线形电极形式，例如如图13所示的格栅图形44，如图14所示的梳状图形45和如图15所示的辐射状图形46。当第三收集器电极43是具有这种特殊图形的线形电极时，线形电极的宽度和厚度没有特殊限制，并能够根据电阻、成本等加以选择。而且，当第三收集器电极43的总面积优选地为第一半导体电极31总面积的0.1-20％，特别地为0.1-5％，更特别地为0.1-1％。当第三收集器电极43的总面积是第一半导体电极31总面积的0.1-20％时，有可能提高电荷收集效率，并保证有足够的光能够入射到第一半导体电极31上。
第一、第二和第三收集器电极41、42和43的制备方法没有特殊限制。例如，收集器电极41、42、43能够如下地制备：通过物理气相沉积处理，例如磁电管溅射或电子束气相沉积，利用具有预定图形的掩模来沉积金属，例如钨、钛或镍，然后通过光刻处理等使沉积物图形化。选择地，收集器电极41、42、43能够如下地制备：通过丝网印刷处理等提供含有金属成分的金属化油墨的图形，然后烧结该油墨图形。适合用于气相沉积的金属包括贵金属，例如铂、金，以及铜和钨、钛及镍。其中，具有高抗腐蚀性的钨、镍、钛和贵金属是优选的用于气相沉积的金属。河鱼和金属化油墨混合的金属包括钨、钛、镍、贵金属如铂和金，以及铜。关于用在金属化油墨中的金属，具有高抗腐蚀性质的钨、钛、镍和贵金属是优选的。在上述的电极制备方法中，收集器电极41、42、43能够通过物理气相沉积和烧结的条件加以调节。特别地，第一收集器电极41能够制成具有上述孔隙率的多孔性。
当第二收集器电极42具有足够高电荷收集效率时，不需要提供导电层22。然而，理想的是，当第二收集器电极42的电荷收集效率不够高时，在第二基础元件102中的基片7与催化剂层8之间提供导电层22，以提高电荷收集效率。
导电层22可以具有透光性质，也可以不具有透光性质。而且，导电层22能够用和透光性导电层21相同的材料制成。
导电层22的厚度没有特殊限制，因为透光性质不是导电层22最主要的条件。然而，考虑到成本，优选的将导电层22成形为薄膜。当成形为薄膜时，导电层22可以获得透光性质，但是内部电阻会变高。因此，理想的是，根据透光性质和内部电阻调节导电层22的厚度。通常，选择导电层22的厚度，使得导电层22具有100Ω/cm2或者更低的表面电阻率，特别地具有1-10Ω/cm2的表面电阻率。
导电层22的制备方法没有特殊限制。导电层22能够通过，例如，向基片7的表面施加含有金属、导电氧化物或类似物的小颗粒的糊料制备而成。糊料施加处理的实例有多种处理技术，例如刮刀处理、橡皮刷处理和旋涂处理。选择地，导电层22可以通过溅射、气相沉积、离子电镀处理或类似技术在基片7的表面上沉积金属或类似物加以制备。
染料增敏太阳能电池201-206的制造方法没有特殊限制。染料增敏太阳能电池201-206能够通过如下的方法加以制备。制备一个层压薄片，其中透光性基片1、透光性导电层21和第一半导体电极31按顺序层压在一起，如果提供有第三收集器电极43的话，则将第三收集器电极43置于透光性基片1和透光性导电层21之间，或者置于透光性导电层21的表面上，同时制备另一个层压薄片，其中基片7、催化剂层8、多孔绝缘层6、第一收集器电极41和第二半导体电极32按顺序层压在一起，如果提供了第二收集器电极42和/或导电层22的话，则将第二收集器电极42和/或导电层22置于基片7和催化剂层8之间。然后以使第一和第二半导体电极31和32彼此相对的方式将层压薄片放在一起，借此完成染料增敏太阳能电池201-206的制备。
如上所述，染料增敏太阳能电池201-206的每一个都具有两个半导体电极31和32，以实现对辐射光的高效利用，从而提高光电转换效率。当第一半导体电极31的增敏染料311的光吸收波长范围与第二半导体电极32的增敏染料321的光吸收波长范围不同时，可以进一步提高光利用效率。特别是当增敏染料311的光吸收波长范围位于增敏染料321的光吸收波长范围较短波长一侧时，则有可能允许大量的光通过光入射侧上的第一半导体电极31，从而进一步提高光利用效率。当增敏染料311和321中有至少一个是由具有不同光吸收波长范围的两种或多种不同类型增敏染料化合物构成时，增敏染料311和321吸收的光波长范围能够加宽从而特别大地提高光利用效率。
当第一和第二半导体电极31和32每一个的电极体都是颗粒团块形式且第一半导体电极31电极体的平均颗粒尺寸小于第二半导体电极32电极体的平均颗粒尺寸时，有可能允许大量的光透过第一半导体电极31，从而进一步提高光利用效率。
当第二半导体电极32呈具有特殊电极图形的线形形状时，可允许电解质材料等充分地通过，并向催化剂层8迁移。
当第一收集器电极41呈多孔形式时，可允许电解质材料等充分地通过，并向催化剂层8迁移。当第一收集器电极41呈具有特殊电极图形的线形形状时，则不仅可以提高电荷收集效率，而且可允许电解质材料等通过，并向催化剂层8迁移。
当第二收集器电极42位于基片7和催化剂层8之间时，则有可能进一步提高光电转换效率。
当第三收集器电极43位于透光性基片1与透光性导电层21之间，或者位于透光性导电层21表面上时，则可以提高第一半导体电极31的电荷接收效率，从而使光电转换效率增加。当第三收集器电极43呈具有特殊电极图形的线性形状时，可允许足够量的光通过，并照射到半导体电极31。
当基片7用陶瓷制成时，可以发挥支持基片的作用，从而每一个染料增敏太阳能电池201-206都能够获得优良的耐用性。
实例
下面将参考染料增敏太阳能电池201-206的下述实例对本发明进行更详细的说明。然而，应当注意，下面的实例只是例证性的，并不对本发明具有限制。
实例1
(1)第一层压元件的制造
制备长100mm、宽100mm、厚1mm的玻璃基片，作为透光性基片1。通过RF溅射在基片1的表面上形成具有格栅图形的钨第三收集器电极43，宽度为1mm，节距为10mm，厚度为1μm。之后，在已经施加了第三收集器电极43的基片1的表面上，通过RF溅射处理形成500nm厚的氟掺杂氧化锡透光性导电层21。然后如下地制备一个长90mm、宽90mm、厚20μm的电极层(作为电极体)：通过丝网印刷处理向透光性导电层21的表面施加含有直径为10-20nm的氧化钛颗粒的糊料(可以从Solaronix购买，商标为“非氧化钛D/SP”(Ti-Nonoxide D/SP))，在120℃下干燥1小时，在480℃下烧结30分钟。将所获得的层压薄片浸入钌络合物(可以从Solaronix购买，商标为“535bis-TBA”)的乙醇溶液中达10小时，从而用钌络合物作为光吸收波长范围为400-600nm的增敏染料31孵育经过烧结的钛颗粒，如图3部分放大图所示，借此完成第一半导体电极31的制造。这样，便制造处了第一层压元件。
(2)第二层压元件的制造
接着，通过按质量混合100份质量纯度为99.9％的铝粉，5份作为烧结助剂的氧化镁、氧化钙和氧化硅的混合粉，2份粘合剂和溶剂制备灰浆。使用该灰浆，通过刮刀处理制造厚度为2mm的氧化铝绿色薄片。通过丝网印刷处理在氧化铝绿色薄片的表面上用含铂的金属化油墨形成厚度为500nm的催化剂层导电涂层薄膜。随后，在上面施加的导电涂层薄膜的表面上用和上面相同的但进一步含有碳作为孔形成剂的灰浆形成厚度为6μm的用于多孔绝缘层6的绝缘涂层薄膜。在绝缘涂层薄膜的表面上用和上面相同的但进一步含有铝粉作为孔形成剂的金属化油墨形成厚度为5μm的用于第一收集器电极41的导电涂层薄膜。在1500℃下在还原气氛中整体烧结所获得的层压薄片，借此在1mm厚的氧化铝基片7的表面上依次提供长90mm、宽90mm、厚500nm的催化剂层8，长90mm、宽90mm、厚5μm的多孔绝缘层6和长90mm、宽90mm、厚5μm的第一收集器电极41(不含用于电流输出的接线端部分)。之后，通过丝网印刷处理向第一收集器电极41的表面施加和上面相同的含氧化钛颗粒的灰浆，然后以和上面相同的方式进行干燥和烧结，形成长90mm、宽90mm、厚20μm的氧化钛电极层(电极体)。然后将层压薄片浸没在溶液中达10小时，其中含有光吸收波长范围为500-700nm的有机染料作为增敏染料321，以便通过将增敏染料321粘合烧结的氧化钛颗粒来形成第二半导体电极21。这样便完成了第二层压元件的制造。
(3)染料增敏太阳能电池205的制造
在第二层压元件的氧化铝基片7的表面上提供一个厚60μm的热塑性粘着薄片(可以从Solaronix购买，商标为“SX1170-60”)，其中在第二层压元件上没有形成催化剂层8。随后将第一层压元件布置在第二层压元件上，并使第一层压元件的第一半导体电极31面对第二层压元件的第二半导体电极32。将所获得的层压薄片放置在温度调节在100℃的热平板上，使氧化铝基片7朝下，加热5分钟，以便在第一层压元件的透光性基片21与第二层压元件的氧化铝基片7之间形成连接9。之后，通过位于第一层压元件预定位置上的电解质溶液注射孔注射碘电解质溶液，在第一半导体电极31和第二半导体电极32之间形成电解质层5(可以从Solaronix购买，商标为“Iodolyte PN-50”)。这里，注入的碘电解质溶液进入到第一收集器电极41和多孔绝缘层6中，并迁移达到催化剂层8的表面。之后，用和上面相同的粘合剂密封注射孔。从第三收集器电极43、第一收集器电极43和催化剂层8的每一个上获取太阳能。
(4)染料增敏太阳能电池205的性能评估
通过将太阳能模拟器的频谱调节到AM 1.5用人造太阳光以100mW/cm2的强度照射通过上述程序(1)-(3)制造的染料增敏太阳能电池205。染料增敏太阳能电池205特征性显示具有10.5％的转换效率。
实例2
染料增敏太阳能电池206按照和实例1相同的方式加以制造，只是在陶瓷基片7的表面上通过溅射处理形成了厚度为1μm的薄片形钨第二收集器电极42，并且在第二收集器电极42的表面上提供了催化剂层8。太阳能能够第三收集器电极43、第一收集器电极41和第二收集器电极42的每一个上获得。用和实例1相同的方式评估所获得的染料增敏太阳能电池206的性能。实例2的染料增敏太阳能电池206特征性地具有10.8％的转换效率。因此显然，通过在催化剂层8的侧面上提供收集器电极42进一步提高了光电转换效率。
比较实例1
按照和实例1相同的方式制造染料增敏太阳能电池，只是没有提供第一收集器电极41。用和实例1相同的方式评估所获得的染料增敏太阳能电池的性能。比较实例1的染料增敏太阳能电池特征性地显示出6.2％的光电转换效率。因此显然，比较实例1的染料增敏太阳能电池的性能低于实例1和实例2的性能。
比较实例2
按照和实例1相同的方式制造染料增敏太阳能电池，只是没有提供导电层21、半导体电极31和收集器电极43。用和实例1相同的方式评估所获得的染料增敏太阳能电池的性能。比较实例2的染料增敏太阳能电池特征性地显示出6.8％的光电转换效率。因此显然，比较实例2的染料增敏太阳能电池的性能低于实例1和实例2的性能。
尽管本发明是通过参考本发明特殊的实施例加以说明的，但是本发明并不仅限于上述的实施例。本领域的技术人员通过上面的学习可以对上面的实施例进行各种修饰和改变。

Claims (12)

1.一种染料增敏太阳能电池，包括：
第一基础元件，其包括具有透光性的第一基片、在第一基片的表面上形成的透光性导电层、含有增敏染料并且布置在透光性导电层表面上的第一半导体电极、含有增敏染料并且具有一个面对第一半导体电极的第一表面的第二半导体电极、在第二半导体电极的第二表面上形成的第一收集器电极和位于第一和第二半导体电极之间的电解质层；
多孔绝缘层，其与第二半导体电极和第一收集器电极相接触，或者与第一收集器电极相接触；以及
第二基础元件，其包括第二基片和在第二基片的表面上形成的并且面对多孔绝缘层的催化剂层。
2.根据权利要求1的染料增敏太阳能电池，其中第一和第二半导体电极的增敏染料具有不同的光吸收波长范围。
3.根据权利要求2的染料增敏太阳能电池，其中第一半导体电极的增敏染料的光吸收波长范围位于第二半导体电极增敏染料的光吸收波长范围的较短波长一侧。
4.根据权利要求1-3中任何一个的染料增敏太阳能电池，其中第一和第二半导体电极的增敏染料中至少有一个是由两种或者更多种具有不同光吸收波长范围的增敏染料化合物构成的。
5.根据权利要求1-4中任何一个的染料增敏太阳能电池，其中第一和第二半导体电极中每一个的电极体都呈颗粒团块的形式，并且第一半导体电极的平均颗粒直径小于第二半导体电极的平均颗粒直径。
6.根据权利要求1-5中任何一个的染料增敏太阳能电池，其中第二半导体电极呈具有特殊电极图形的线形电极的形式。
7.根据权利要求1-6中任何一个的染料增敏太阳能电池，其中第一收集器电极呈多孔层的形式。
8.根据权利要求1-6中任何一个的染料增敏太阳能电池，其中第一收集器电极呈具有特殊电极图形的线形电极的形式。
9.根据权利要求1-8中任何一个的染料增敏太阳能电池，进一步包括位于第二基片和催化剂层之间的第二收集器电极。
10.根据权利要求1-9中任何一个的染料增敏太阳能电池，进一步包括位于第一基片和透光性导电层之间的，或者位于透光性导电层的表面上的第三收集器电极。
11.根据权利要求10的染料增敏太阳能电池，其中第三收集器电极呈具有特殊电极图形的线形电极形式。
12.根据权利要求1-11中任何一个的染料增敏太阳能电池，其中第二基片用陶瓷制成。
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