DE102007061340A1

DE102007061340A1 - Farbstoffsensibilisierte Solarzelle und Verfahren zur Herstellung derselben

Info

Publication number: DE102007061340A1
Application number: DE102007061340A
Authority: DE
Inventors: Wha-Sup Suwon Lee
Original assignee: Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2007-02-28
Filing date: 2007-12-17
Publication date: 2008-09-04
Anticipated expiration: 2027-12-18
Also published as: US20080202583A1; JP2008218394A; DE102007061340B4; KR20080079894A

Abstract

Eine Farbstoffsolarzelle, beinhaltend: eine erste Elektrode; eine Lichtabsorptionsschicht auf einer Seite der ersten Elektrode; eine der Lichtabsorptionsschicht auf der ersten Elektrode gegenüberliegende zweite Elektrode sowie einen Elektrolyten zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode, wobei die Lichtabsorptionsschicht beinhaltet: einen an einer porösen Membran adsorbierten lichtempfindlichen Farbstoff, wobei die poröse Membran Halbleiterpartikel und ein die Halbleiterpartikel umgebendes -M-O-M--Oxidnetzwerk beinhaltet, wobei das M ein Übergangsmetall ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine farbstoffsensibilisierte Solarzelle und ein Verfahren zur Herstellung derselben. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine farbstoffsensibilisierte Solarzelle, die aufgrund einer erhöhten Adsorptionsmenge eines Farbstoffs und Inhibition der Rekombination von angeregten Elektronen und Elektronen in einem Grundzustand eines Farbstoffs verbesserte fotoelektrische Effizienz und Lebensdauer aufweist, sowie auf ein Verfahren zur Herstellung derselben.
2. Beschreibung der verwandten Technik
Vielfältige Forschung wurde betrieben, um Energiequellen zu entwickeln, die herkömmliche fossile Brennstoffe ersetzen können. Insbesondere ist umfangreiche Forschung im Gange, um Wege zu finden, alternative Energiequellen, wie zum Beispiel Windenergie, Atomenergie und Solarenergie, als Ersatz für Erdölressourcen zu verwenden. Unter den alternativen Energiequellen verwenden Solarzellen Solarenergie, die reichlich vorhanden ist und im Vergleich zu anderen Energiequellen umweltfreundlich ist. Seit 1983, als zum ersten Mal eine Si-Solarzelle hergestellt wurde, wurden Solarzellen schrittweise weiterentwickelt, und Si-Solarzellen haben in letzter Zeit die Aufmerksamkeit der Forscher auf sich gezogen.
Die praktische Verwendung von Si-Solarzellen ist jedoch schwierig, da die Produktionskosten hoch sind und es schwierig ist, die Zelleffizienz zu verbessern. Um die Probleme zu überwinden, arbeiten Forscher an der Entwicklung einer farbstoffsensibilisierte Solarzelle, die mit niedrigen Kosten produziert werden kann.
Im Unterschied zu der Si-Solarzelle ist die farbstoffsensibilisierte Solarzelle eine elektrochemische Solarzelle, die hauptsächlich aus lichtempfindlichen Farbstoffmolekülen, die sichtbare Strahlen absorbieren und Elektron-Loch-Paare produzieren, und einem Übergangsmetalloxid, das die produzierten Elektronen transferiert, besteht. Zu herkömmlichen farbstoffsensibilisierte Solarzellen gehören eine farbstoffsensibilisierte Solarzelle, die Nano-Titanoxid, d. h. Anatas, verwendet.
Die farbstoffsensibilisierte Solarzelle kann mit niedrigen Kosten produziert werden, und da sie eine transparente Elektrode verwendet, liegt ein Vorteil darin, dass sie auf externen Glaswänden eines Gebäudes oder eines Glasgewächshauses angebracht werden kann. Die farbstoffsensibilisierte Solarzelle hat jedoch eine Einschränkung in der praktischen Verwendung aufgrund niedriger fotoelektrischer Effizienz.
Die fotoelektrische Effizienz einer Solarzelle ist proportional zu der Menge an von der Absorption von Sonnenstrahlen produzierten Elektronen. Daher sollte, um die fotoelektrische Effizienz zu erhöhen, die Menge an Elektronen erhöht werden, und/oder die Elektron-Loch-Rekombination von produzierten und angeregten Elektronen sollte verhindert werden. Die Menge an produzierten Elektronen kann erhöht werden, indem die Absorption von Sonnenstrahlen und/oder die Farbstoff-Adsorptionseffizienz erhöht wird.
Partikel eines Oxid-Halbleiters sollten in einer Nanogröße hergestellt werden, um die Farbstoff-Adsorptionseffizienz je Einheitsfläche zu erhöhen, und das Reflexionsvermögen einer Platinelektrode sollte erhöht werden, oder ein Oxid-Halbleiter-Lichtstreuungsmittel in Mikrogröße sollte einbezogen werden, um die Absorption von Sonnenstrahlen zu erhöhen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Aspekt einer Ausführung der vorliegenden Erfindung richtet sich auf eine farbstoffsensibilisierte Solarzelle mit verbesserter fotoelektrischer Effizienz und Lebensdauer.
Ein weiterer Aspekt einer Ausführung der vorliegenden Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zur Herstellung der farbstoffsensibilisierte Solarzelle.
Eine Ausführung der vorliegenden Erfindung stellt eine farbstoffsensibilisierte Solarzelle bereit, die Folgendes beinhaltet: eine erste Elektrode; eine Lichtabsorptionsschicht auf einer Seite der ersten Elektrode; eine der Lichtabsorptionsschicht gegenüberliegende zweite Elektrode; sowie einen Elektrolyten zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode, wobei die Lichtabsorptionsschicht beinhaltet: einen an einer porösen Membran adsorbierten lichtempfindlichen Farbstoff, wobei die poröse Membran Halbleiterpartikel und ein die Halbleiterpartikel umgebendes -M-O-M-Oxidnetzwerk beinhaltet, wobei das M ein Übergangsmetall ist.
Das M kann ein Material aus der Gruppe bestehend aus Nb, Zn, Ti, W und Kombinationen derselben Gruppe sein.
Das M kann in einer Menge zwischen ungefähr 0,01 und ungefähr 0,09 Gewichtsanteilen basierend auf 100 Gewichtsanteilen der Halbleiterpartikel vorhanden sein.
Die Halbleiterpartikel können einen Elementhalbleiter, einen Verbindungshalbleiter, eine Perowskitverbindung und/oder Mischungen derselben beinhalten.
Die Halbleiterpartikel können ein Oxid beinhalten, das mindestens ein Metall ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ti, Zr, Sr, Zn, In, Yr, La, V, Mo, W, Sn, Nb, Mg, Al, Y, Sc, Sm, Ga, In, TiSr und Kombinationen derselben beinhaltet.
Die Halbleiterpartikel können einen durchschnittlichen Partikeldurchmesser zwischen ungefähr 5 und ungefähr 500 nm aufweisen.
Die Halbleiterpartikel können auf der ersten Elektrode in einer Menge zwischen ungefähr 40 und ungefähr 100 mg/mm² vorhanden sein.
Die erste Elektrode kann beinhalten: ein transparentes Substrat; und eine auf dem transparenten Substrat angeordnete und ein aus der aus Indiumzinnoxid, (ITO), fluordotiertem Zinnoxid (FTO), ZnO-(Ga₂O₃ oder Al₂O₃), einem Oxid auf Zinnbasis, Antimonzinnoxid (ATO), Zinkoxid und Kombinationen derselben bestehenden Gruppe ausgewähltes leitendes Metalloxid beinhaltende leitende Schicht.
Das transparente Substrat kann ein Kunststoffsubstrat beinhalten.
Das Kunststoffsubstrat kann ein aus der aus Polyethylenterephthalat, Polyethylennaphthalat, Polycarbonat, Polypropylen, Polyimid, Triacetylcellulose, Polyethersulfon, Copolymeren derselben und Mischungen derselben bestehenden Gruppe ausgewähltes Material umfassen.
Eine weitere Ausführung der vorliegenden Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung der farbstoffsensibilisierte Solarzelle bereit, wobei das Verfahren beinhaltet: Präparieren einer porösen Membranzusammensetzung, die Halbleiterpartikel und einen Metall M enthaltenden Prekursor beinhaltet, wobei das M ein Übergangsmetall ist; Aufbringen der Zusammensetzung auf eine erste Elektrode und Bestrahlen der aufgebrachten porösen Membranzusammensetzung mit UV-Strahlung, um eine poröse Membran zu bilden; Adsorbieren eines lichtempfindlichen Farbstoffs auf der porösen Membran, um eine Lichtabsorptionsschicht zu bilden; Ausbilden einer zweiten Elektrode auf der Lichtabsorptionsschicht; und Injizieren eines Elektrolyten zwischen die erste Elektrode und die zweite Elektrode.
Der Metall M enthaltende Prekursor kann ein Übergangsmetall enthaltendes Alkoxid oder Chlorid sein.
Der Metall M enthaltende Prekursor kann ein Alkoxid oder ein Chlorid sein, und das Alkoxid oder das Chlorid kann ein Metall ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Nb, Zn, Ti, W und Kombinationen derselben umfassen.
Der Metall M enthaltende Prekursor kann ungefähr 0,01 bis ungefähr 0,09 Gewichtsanteile des Metalls M basierend auf 100 Gewichtsanteilen der Halbleiterpartikel umfassen.
Die Halbleiterpartikel können ein aus der aus einem Elementhalbleiter, einem Verbindungshalbleiter, einer Perowskitverbindung und Mischungen derselben bestehenden Gruppe ausgewähltes Material beinhalten.
Die Halbleiterpartikel können ein Oxid beinhalten, das ein Metall ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ti, Zr, Sr, Zn, In, Yr, La, V, Mo, W, Sn, Nb, Mg, Al, Y, Sc, Sm, Ga, In, TiSr und Kombinationen derselben beinhaltet.
Die Halbleiterpartikel können einen durchschnittlichen Partikeldurchmesser zwischen ungefähr 5 und ungefähr 500 nm aufweisen.
Die erste Elektrode kann beinhalten: ein transparentes Substrat; und eine auf dem transparenten Substrat angeordnete und ein aus der aus Indiumzinnoxid (ITO), fluordotiertem Zinnoxid (FTO), ZnO-(Ga₂O₃ oder Al₂O₃), einem Oxid auf Zinnbasis, Antimonzinnoxid (ATO), Zinkoxid und Kombinationen derselben bestehenden Gruppe ausgewähltes leitendes Metalloxid beinhaltende leitende Schicht.
Das transparente Substrat kann ein Kunststoffsubstrat beinhalten.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die beiliegenden Zeichnungen illustrieren zusammen mit der Spezifikation Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der vorliegenden Erfindung zu erklären.
1 ist eine schematische Ansicht, die eine Betriebsweise einer herkömmlichen farbstoffsensibilisierte Solarzelle zeigt.
2 ist eine schematische Ansicht, die eine farbstoffsensibilisierte Solarzelle gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
3 ist ein Ablaufdiagramm, das einen Herstellungsprozess einer farbstoffsensibilisierte Solarzelle gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
4 ist eine Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme einer porösen Membran nach Beispiel 2.
5 zeigt Ergebnisse von Massenanalyse poröser Membranen gemäß Vergleichsbeispiel 1 und Beispiel 2.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
In der folgenden detaillierten Beschreibung werden, schlicht zur Illustration, nur bestimmte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben. Wie der Fachmann erkennen kann, können die beschriebenen Ausführungen auf mehrere verschiedene Weisen modifiziert werden, ohne von dem Geist oder dem Umfang der Erfindung abzuweichen. Entsprechend sind die Zeichnungen und die Beschreibung als veranschaulichend und nicht als einschränkend anzusehen. Ähnliche Bezugszahlen bezeichnen in der Spezifikation durchweg ähnliche Elemente.
Eine farbstoffsensibilisierte Solarzelle besteht aus einer porösen Membran einschließend Partikel in Nanogröße, Farbstoffen, die sichtbares Sonnenlicht adsorbieren und Elektronen anregen, einem Elektrolyten sowie einer transparenten Elektrode und arbeitet nach dem Prinzip der Fotosynthese.
1 ist eine schematische Ansicht, die eine Betriebsweise einer herkömmlichen farbstoffsensibilisierte Solarzelle zeigt.
Unter Bezug auf 1 treten Sonnenstrahlen in die farbstoffsensibilisierte Solarzelle, und Farbstoffmoleküle 1 in einer Lichtabsorptionsschicht absorbieren Photonen. Die Farbstoffmoleküle 1, die Photonen absorbiert haben, sind aus einem Grundzustand angeregt, was als Elektronentransfer bezeichnet wird, um dadurch Elektron-Loch-Paare zu bilden. Die angeregten Elektronen werden in ein Leitungsband an der Grenzfläche von Übergangsmetalloxidpartikeln 2, wie zum Beispiel Titanoxid, injiziert. Die injizierten Elektronen werden durch eine Grenzfläche mit einem transparenten Leiter 3 zu dem transparenten Leiter 3 transferiert und werden dann durch einen externen Schaltkreis 4 zu einer mit dem transparenten Leiter verbundenen Pt-Gegenelektrode 5 transferiert. Der Farbstoff, der durch den Elektronentransfer oxidiert wird, wird durch Iodionen (I^–) eines Oxidations-Reduktions-Paares 6 in dem Elektrolyten reduziert, und oxidierte dreiwertige Iodionen (I₃ ^–) sind mit Elektronen, die an der Grenzfläche der Gegenelektrode 5 angekommen sind, an einer Reduktionsreaktion beteiligt, um Ladungsneutralität zu erreichen.
Die Energieumwandlungseffizienz der farbstoffsensibilisierte Solarzelle ist durch ein Produkt aus Strom, Spannung und Füllgrad bestimmt. Daher sollen Strom, Spannung und Füllgrad erhöht werden, um die Energieumwandlungseffizienz zu verbessern. In einer Ausführung kann die Spannung erhöht werden durch Minimieren der Rekombination durch Oberflächenmodifikation mit dem Ergebnis einer Erhöhung der Elektronendichte von Nanopartikeln in der porösen Membran; Erhöhen der Leitungsbandenergie von Nanopartikeln bezüglich eines Standard-Wasserstoffelektrodenpotentials zu einem negativen Wert hin; und/oder Erhöhen eines Oxidations-Reduktionspotentials eines Oxidations-Reduktionselektrolyten bezüglich eines Standard-Wasserstoffelektrodenpotentials zu einem positiven Wert hin.
Gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist ein Oxidnetzwerk, das Halbleiterpartikel in einer porösen Membran umgibt, ausgebildet, um die Farbstoffadsorptionsmenge zu erhöhen und um außerdem Rekombination (z. B. Elektron-Loch-Rekombination) von angeregten Elektronen eines Farbstoffs mit Löchern zu inhibieren und/oder Rekombination von Elektronen in einem Grundzustand des Farbstoffs mit Löchern zu inhibieren, was zu Verbesserung der fotoelektrischen Effizienz einer Solarzelle führt.
Die vorliegende Erfindung wird nun nachstehend detaillierter mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen Ausführungsbeispiele der Erfindung gezeigt sind. Die vorliegende Erfindung kann in verschiedenen Formen verwirklicht werden, und sie ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungen beschränkt.
2 ist eine schematische Ansicht, die eine farbstoffsensibilisierte Solarzelle gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
Unter Bezug auf 2 weist die farbstoffsensibilisierte Solarzelle 10 einen Sandwich-Aufbau auf, bei dem transparente Elektroden vom Zwei-Platten-Typ, die eine erste Elektrode 11 und eine zweite Elektrode 14 sind, einander berühren. Eine Seite der ersten Elektrode 11 beinhaltet eine Lichtabsorptionsschicht 12. Die Lichtabsorptionsschicht 12 ist auf der Oberfläche der der zweiten Elektrode 14 gegenüberliegenden ersten Elektrode 11 angeordnet. Ein Zwischenraum zwischen der ersten Elektrode 11 und der zweiten Elektrode 14 ist mit einem Elektrolyten 13 gefüllt. Die Lichtabsorptionsschicht 12 beinhaltet eine poröse Membran, die Halbleiterpartikel beinhaltet, sowie an der porösen Membran adsorbierte Farbstoffmoleküle.
Die erste Elektrode (oder Arbeitselektrode oder Halbleiterelektrode) 11 beinhaltet ein transparentes Substrat und eine auf dem transparenten Substrat angeordnete leitende Schicht.
Das transparente Substrat kann aus irgendeinem geeigneten Material, das externes Licht überträgt, wie zum Beispiel Glas und/oder Kunststoff, gebildet sein. Nicht einschränkende Beispiele der Kunststoffe können Polyethylenterephthalat (PET), Polyethylennaphthalat (PEN), Polycarbonat (PC), Polypropylen (PP), Polyimid (PI), Triacetylcellulose (TAC), Polyethersulfon und Copolymere derselben einschließen.
Das transparente Substrat kann mit einem Dotierstoff ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ti, In, Ga, Al und Kombinationen derselben sein.
Eine leitende Schicht ist auf dem transparenten Substrat angeordnet.
Die leitende Schicht kann ein leitendes Metalloxid der Gruppe bestehend aus Indiumzinnoxid (ITO), fluordotiertem Zinnoxid (FTO), ZnO-(Ga₂O₃ oder Al₂O₃), einem Oxid auf Zinnbasis, Antimonzinnoxid (ATO), Zinkoxid und Kombinationen derselben beinhalten. SnO₂ oder ITO kann geeignet sein, da sie geeignete Leitfähigkeit, Transparenz Hitzeebeständigkeit aufweisen.
Die leitende Schicht kann ein einschichtiges Metalloxid oder ein mehrschichtiges Metalloxid beinhalten.
Auf der ersten Elektrode 11 wird die poröse Membran ausgebildet, die Halbleiterpartikel und ein die Halbleiterpartikel umgebendes -M-O-M-Oxidnetzwerk einschließt, wodurch die Lichtabsorptionsschicht 12 einschließlich des auf der Oberfläche der Halbleiterpartikel der porösen Membran absorbierten fotosensitiven Farbstoffs gebildet wird. Elektronen des fotosensitiven Farbstoffs werden angeregt, wenn der Farbstoff sichtbares Licht absorbiert.
Die poröse Membran hat gleichförmige Nanoporen und eine adäquate Oberflächenrauigkeit gebildet durch gleichförmiges Verteilen von Halbleiterpartikeln mit sehr winziger und einheitlicher durchschnittlicher Partikelgröße gebildete.
Jedes Halbleiterpartikel kann ein Elementhalbleiter, der Silizium sein kann, ein Verbindungshalbleiter oder eine Perowskitverbindung sein. Der Halbleiter kann ein n-Halbleiter sein, in dem Elektronen des Leitungsbandes durch optische Anregung Träger werden und einen Anodenstrom bereitstellen. Beispiele des Verbindungshalbleiters beinhalten ein Oxid, das ein Metall ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ti, Zr, Sr, Zn, In, Yr, La, V, Mo, W, Sn, Nb, Mg, Al, Y, Sc, Sm, Ga, In, TiSr und Kombinationen derselben beinhaltet. Gemäß einer Ausführung kann der Verbindungshalbleiter TiO₂, SnO₂, ZnO, WO₃, Nb₂O₅, TiSrO₃ oder Mischungen derselben sein. Gemäß einer weiteren Ausführung kann der Verbindungshalbleiter Anatas TiO₂ sein. Der Halbleiter ist nicht auf die oben erwähnten Materialien beschränkt, und die oben erwähnten Materialien können einzeln oder in Kombination verwendet werden.
Die Halbleiterpartikel können eine große Oberfläche aufweisen, um dem auf der Oberfläche der Halbleiterpartikel adsorbierten Farbstoff zu erlauben, besser Licht zu absorbieren. Die Halbleiterpartikel können einen durchschnittlichen Partikeldurchmesser in einer Spanne von ungefähr 5 bis ungefähr 500 nm (oder 5 bis 500 nm) aufweisen. In einer Ausführung können Halbleiterpartikel mit einem durchnittlichen Partikeldurchmesser von weniger als 5 nm aufgrund einer Verringerung des Nahkontakts mit dem Substrat von dem Substrat abgelöst werden, und von dem Farbstoff produzierte Elektronen können durch die nackten Halbleiterpartikel hindurchtreten und auf eine externe Elektrode übergehen, was nicht wünschenswert ist. Außerdem ist in einer anderen Ausführung die Menge an Farbstoffadsorption gering, wenn die Halbleiterpartikel einen durchschnittlichen Partikeldurchmesser von über 500 nm aufweisen, was nicht wünschenswert ist. Gemäß einer Ausführung weisen die Halbleiterpartikel unter Beachtung des Herstellungsprozesses und der Effizienz einen durchschnittlichen Partikeldurchmesser zwischen 10 und 50 nm auf.
Die Halbleiterpartikel können auf der ersten Elektrode 11 in einer Menge zwischen ungefähr 40 und ungefähr 100 mg/mm² (oder 40 bis 100 mg/mm²) vorhanden sein. Gemäß einer weiteren Ausführung können die Halbleiterpartikel auf der ersten Elektrode 11 in einer Menge zwischen 60 und 80 mg/mm² geladen sein. In einer Ausführung kann die poröse Membran zu dünn sein, wenn die Halbleiterpartikel in einer Menge von weniger als 40 mg/mm² geladen sind, wodurch eine optische Transmission erhöht wird. Sie ist somit nicht wünschenswert, da das einfallende Licht nicht effektiv genutzt werden kann. Ferner kann in einer weiteren Ausführung das Volumen der porösen Membran pro Einheitsfläche zu groß werden, wenn die Halbleiterpartikel in einer Menge über 100 mg/mm² geladen sind, und die durch das von außen einfallende Licht produzierten Elektronen werden mit Löchern kombiniert, bevor sie zu der externen Elektrode fließen können. Daher kann nicht genügend Strom generiert werden.
Jedes Halbleiterpartikel ist von dem -M-O-M-Oxidnetzwerk umgeben, wobei das M ein Übergangsmetall ist. Das -M-O-M-Oxidnetzwerk fungiert als Puffer.
Das Oxidnetzwerk wird durch UV-Bestrahlung während des Bildens der porösen Membran gebildet. Dies erhöht eine Adsorptionsmenge an Farbstoff und Inhibition der Rekombination von angeregten Elektronen und Elektronen in einem Grundzustand des Farbstoffs, was zu einer Verbesserung der fotoelektrischen Effizienz der Solarzelle führt. Solch ein Oxidnetzwerk zeigt verbesserte Elektronentransfereigenschaften im Vergleich zu einer Oxid-Fotokathode.
Das Metall M des Oxidnetzwerks kann ein Übergangsmetall ausgewählt aus der aus Nb, Zn, Ti, W und Kombinationen derselben sein.
Das M kann in einer Menge zwischen ungefähr 0,01 und ungefähr 0,09 Gewichtsanteilen (oder 0,01 bis 0,09 Gewichtsanteilen) basierend auf 100 Gewichtsanteilen der Halbleiterpartikel vorhanden sein. Gemäß einer Ausführung kann das M in einer Menge zwischen ungefähr 0,02 und ungefähr 0,05 Gewichtsanteilen basierend auf 100 Gewichtsanteilen der Halbleiterpartikel vorhanden sein. In einer Ausführung ist das -M-O-M-Netzwerk nicht zufriedenstellend, wenn die Menge an M in der porösen Membran weniger als 0,01 Gewichtsanteile beträgt. In einer weiteren Ausführung kann sie den Elektronentransfer inhibieren, wenn sie mehr als 0,09 Gewichtsanteile beträgt.
Farbstoffe werden auf der Oberfläche der Halbleiterpartikel der porösen Membran adsorbiert, um angeregte Elektronen zu produzieren.
Der Farbstoff kann eine Metallverbindung sein, die ein Metall ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aluminium (Al), Platin (Pt), Palladium (Pd), Europium (Eu), Blei (Pb), Iridium (Ir), Ruthenium (Ru) und Kombinationen derselben beinhaltet. Da Ruthenium viele organische Metallverbindungen ausbilden kann, kann Ruthenium als Farbstoff verwendet werden. Zum Beispiel wird Ru-(etc bpy)₂(NCS)₂·2CH₃CN im Allgemeinen in der farbstoffsensibilisierte Solarzelle verwendet. Das etc ist eine reaktive (COOEt)₂- oder (COOH)₂-Gruppe, die in der Lage ist, eine Bindung mit der Oberfläche der porösen Membran (zum Beispiel TiO₂) einzugehen. Ein organischer Farbstoff, wie zum Beispiel Cumarin, Porphyrin, Xanthen, Riboflavin, Triphenylmethan und so weiter, kann ebenfalls verwendet werden. Diese organischen Farbstoffe können einzeln oder in einer Mischung mit Ru-Verbindungen verwendet werden, und sie verbessern die Adsorption sichtbaren Lichts bei langen Wellenlängen, was zu einer Verbesserung der fotoelektrischen Effizienz führt.
Die zweite Elektrode (oder Gegenelektrode) 14 ist der mit der Lichtabsorptionsschicht 12 ausgebildeten ersten Elektrode 11 zugewandt angeordnet. Die zweite Elektrode 14 beinhaltet ein transparentes Substrat und eine der ersten Elektrode 11 zugewandte transparente Elektrode sowie eine auf dem transparenten Substrat ausgebildete Katalysatorelektrode.
Das transparente Substrat kann aus Glas und/oder Kunststoff bestehen, wie in der ersten Elektrode 11. Spezifische Beispiele der Kunststoffe können Polyethylenterephthalat, Polyethylennaphthalat, Polycarbonat, Polypropylen, Polyimid, Triacetylcellulose, Polyethersulfon und so weiter einschließen.
Auf dem transparenten Substrat ist eine transparente Elektrode ausgebildet.
Die transparente Elektrode kann ein transparentes Material, wie zum Beispiel Indiumzinnoxid, fluordotiertes Zinnoxid, Antimonzinnoxid, Zinkoxid, Zinnoxid, ZnO-Ga₂O₃, ZnO-Al₂O₃ und so weiter sein. Die transparente Elektrode kann aus einer einschichtigen Membran oder einer mehrschichtigen Membran bestehen.
Die transparente Elektrode kann gewellt sein, um einen Lichtstreueffekt zu erhöhen. Die gewellte Oberfläche kann eine Oberfläche in der Form von Treppen, Nadeln, Netzen, Kratzern und/oder Narben aufweisen. Zum Beispiel können solche gewellte Oberflächen durch Verkratzen der transparenten Elektrode mit Sandpapier ausgebildet werden. Sie kann auch unter Verwendung anderer geeigneter mechanischer Verfahren und/oder durch chemisches Ätzen gebildet werden.
Eine Katalysatorelektrode ist auf der transparenten Elektrodeangeordnet.
Die Katalysatorelektrode aktiviert ein Redox-Paar und beinhaltet ein leitendes Metall ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Platin (Pt), Gold (Au), Ruthenium (Ru), Palladium (Pd), Rhodium (Rh), Iridium (Ir), Osmium (Os), Kohlenstoff (C), WO₃, TiO₂, einem leitenden Polymer und Kombinationen derselben.
Ferner kann die der ersten Elektrode zugewandte Katalysatorelektrode porös sein, um die Oberfläche zu vergrößern, so dass der Katalysatoreffekt verbessert wird. Zum Beispiel kann Pt oder Au einen Schwarzzustand aufweisen (hier bezieht sich „Schwarzzustand" auf den Zustand, in dem nichts auf dem Stützkörper unterstützt wird), und Kohlenstoff kann einen porösen Zustand aufweisen. Insbesondere kann der Platin-Schwarzzustand durch ein anodisches Oxidationsverfahren, ein Hexachloridoplatinsäureverfahren und so weiter erzielt werden. Ferner kann poröser Kohlenstoff durch Sintern eines Kohlenstoffpartikels oder Brennen organischer Polymere gewonnen werden.
Das transparente Substrat der ersten Elektrode 11 ist mit dem transparenten Substrat der zweiten Elektrode 14 durch ein Klebemittel verbunden (oder vereinigt). Der Elektrolyt 13 wird in ein die zweite Elektrode 14 durchdringendes Loch injiziert, um zwischen der ersten Elektrode 11 und der zweiten Elektrode 14 imprägniert zu sein. Der Elektrolyt 13 ist gleichförmig innerhalb der porösen Membran in der Lichtabsorptionsschicht 12 dispergiert.
Der Elektrolyt 13 kann aus einer Elektrolytlösung bestehen, die ein Iodid-/Triiodid-Paar ist. Das Iodid-/Triiodid-Paar erhält und transferiert Elektronen von der zweiten (oder Gegen-)Elektrode 14 durch eine Oxidations-Reduktionsreaktion zu dem Farbstoff. Der Elektrolyt kann eine durch Lösen von Iod in Acetonitril präparierte Lösung sein, ist jedoch nicht auf die Iod-Acetonitril-Lösung beschränkt und kann irgendein Stoff mit einer Löcherleitfähigkeit sein.
Obwohl die vorliegende Ausführung mit einem Flüssigelektrolyten 13 beschrieben wurde, kann ein Festelektrolyt ebenfalls innerhalb des Umfangs und Geistes der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
Eine Vielzahl von Abstandshaltern kann in dem Raum zwischen der ersten Elektrode 11 und der zweiten Elektrode 14 angeordnet sein, so dass die erste Elektrode 11 im Abstand eines Intervalls (das vorbestimmt sein kann) von der zweiten Elektrode 14 angeordnet sein kann.
Die Abstandshalter weisen eine isolierende Eigenschaft auf und verhindern einen elektrischen Kurzschluss zwischen der ersten Elektrode 11 und der zweiten Elektrode 14.
Die Abstandshalter können aus irgendeinem Material hergestellt sein, das geeignet ist, einen elektrischen Kurzschluss zwischen einer Halbleiterelektrode und einer Gegenelektrode zu verhindern. Sie können auch in irgendeiner geeigneten Form hergestellt sein, wie zum Beispiel einer Kugelform oder einer Streifenform.
In einer Ausführung kann die Farbstoffzelle 10 mit der obigen Struktur gemäß dem folgenden Verfahren gebildet werden, welches Präparieren einer porösen Membranzusammensetzung beinhaltet einschließend Halbleiterpartikel und einen Metall M enthaltenden Prekursor, wobei das M ein Übergangsmetall ist; Aufbringen der porösen Membranzusammensetzung auf eine erste Elektrode 11 und UV-Bestrahlen oder Brennen bei einer niedrigen Temperatur, um einen poröse Membran zu bilden; Adsorbieren eines lichtempfindlichen Farbstoffs auf der porösen Membran, um eine Lichtabsorptionsschicht 12 zu bilden; sowie Ausbilden einer zweiten Elektrode 14 auf der Lichtabsorptionsschicht 12, gefolgt vom Einbringen eines Elektrolyten.
3 ist ein Ablaufdiagramm, das einen Herstellungsprozess einer farbstoffsensibilisierte Solarzelle gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
Unter Bezug auf 3 wird eine poröse Membranzusammensetzung, die Halbleiterpartikel und einen Metall M enthaltenden Prekursor beinhaltet, in Schritt S1 präpariert.
Die Halbleiterpartikel sind dieselben (oder im Wesentlichen dieselben) wie oben beschrieben.
Der Metall M enthaltende Prekursor kann ein Alkoxid, ein Chlorid, ein Hydrat und so weiter sein, welches ein Übergangsmetall beinhaltet. Gemäß einer Ausführung können Übergangsmetall enthaltende Alkoxide oder Choride angemessen sein, da Farbstoffe einen schwachen Feuchtigkeitswiderstand aufweisen.
Beispiele der Alkoxide oder Chloride können ein Übergangsmetall ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Nb, Zn, Ti, W und Kombinationen derselben beinhalten. Spezifischere Beispiele der Alkoxide oder Chloride schließen Titan-(IV-)isopropoxid (Ti(O-iPr)₄), Nb₂Cl₅ und Mischungen derselben ein.
Das M des Metall M enthaltenden Prekursors kann in einer Menge zwischen ungefähr 0,01 und ungefähr 0,09 Gewichtsanteilen (oder 0,01 bis 0,09 Gewichtsanteilen) basierend auf 100 Gewichtsanteilen der Halbleiterpartikel vorhanden sein. Gemäß einer Ausführung kann der Metall M enthaltende Prekursor in einer Menge zwischen ungefähr 0,02 und ungefähr 0,05 Gewichtsanteilen basierend auf 100 Gewichtsanteilen der Halbleiterpartikel vorhanden sein. In einer Ausführung ist das -M-O-M-Netzwerk nicht zufriedenstellend, wenn die Menge an M in der porösen Membran weniger als 0,01 Gewichtsanteile beträgt. In einer weiteren Ausführung kann sie Elektronentransfer inhibieren, wenn sie mehr als 0,09 Gewichtsanteile beträgt.
Die poröse Membranzusammensetzung kann wahlweise einen Zusatzstoff, wie zum Beispiel ein Bindemittel oder ein porenbildendes Polymer, beinhalten.
Das Bindemittel kann Polymere auf Fluor-Basis, Polymere auf Vinyl-Basis, Polymere auf Acrylat-Basis, Polymere auf Polyalkylenoxid-Basis, Polyacrylnitril, Polyvinylpyridin und/oder Styrol-Butadien-Kautschuke beinhalten. Beispiele für Bindemittel schließen Polyvinylidenfluorid (PVDF), ein Polyhexafluorpropylen-Polyvinylidenfluorid-Copolymer (PVDF/HFP), Poly(vinylacetat), Polyvinylalkohol, Polyethylenoxid, Polyvinylpyrrolidon, ein Alkyl-Polyethylenoxid, Polyvinylether, Poly(methylmethacrylat), Poly(ethylacrylat), Polytetrafluoroethylen, Polyvinylchlorid, Polyacrylnitril, Polyvinylpyridin, einen Styrol-Butadien-Kautschuk, Copolymere derselben und Mischungen derselben ein.
Hier sollte in einer Ausführung ein porenbildendes Polymer gewählt werden, das nach Wärmebehandlung kein organisches Material zurücklässt. Beispiele des Polymers schließen Ethylencellulose (EC), Hydroxy-Propylcellulose (HPC), Polyethylenglycol (PEG), Polyethylenoxid (PEO), Polyvinylalkohol (PVA) und Polyvinylpyridon (PVP) ein. Unter den Polymeren wird ein Polymer mit einem geeigneten Molekulargewicht unter Berücksichtigung von Beschichtungsverfahren und Beschichtungsbedingungen ausgewählt. Mit einem geeigneten, der Halbleiterpartikelschicht hinzugefügten Polymer können sowohl eine Dispersionseigenschaft als auch die Porösität verbessert werden. Ferner kann die Schicht aufgrund einer erhöhten Viskosität besser gebildet werden, und Haftung an dem Substrat kann verbessert werden.
Ein Lösungsmittel kann ausgewählt werden aus Alkoholen, wie zum Beispiel Ethanol, Isopropylalkohol, n-Propylalcohol und Butanol; und Wasser; Dimethylacetamid; Dimethylsulfoxid; und/oder N-Methylpyrrolidon
In Schritt S2 wird die poröse Membranzusammensetzung auf der ersten Elektrode 11 aufgetragen und wird dann UV-Strahlung oder Brennen bei niedriger Temperatur ausgesetzt, um eine poröse Membran zu bilden.
Die erste Elektrode 11 kann wie oben beschrieben unter Verwendung eines herkömmlichen Verfahrens gebildet werden. Zum Beispiel kann die erste Elektrode 11 hergestellt werden, indem eine leitende Schicht, die ein leitendes Material beinhaltet, unter Verwendung von Galvanotechnik, einem physikalischen Gasphasenabscheidungs-(PVD-)Verfahren, wie zum Beispiel Sputtern, und/oder Elektronenstrahlabscheidung auf einem transparenten Substrat ausgebildet wird.
Die poröse Membranzusammensetzung wird gemäß einem herkömmlichen Verfahren auf der ersten Elektrode 11 aufgebracht.
Gemäß einer Ausführung kann die erste Elektrode 11 mit der porösen Membranzusammensetzung durch ein aus der aus Siebdruck, Sprühbeschichtung, Rakelbeschichtung, Gravurbeschichtung, Tauchbeschichtung, Aufstreichen, Schlitzdüsenbeschichtung, Rotationsbeschichtung, Walzbeschichtung, Decalcomaniebeschichtung und Kombinationen derselben bestehenden Gruppe gemäß der Viskosität der Zusammensetzung ausgewählten Verfahren beschichtet werden, doch die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt. Gemäß einer weiteren Ausführung kann eine Rakelbeschichtung, die in der Lage ist, eine poröse Membran mit einer gleichförmigen Stärke aufzutragen, verwendet werden.
Die auf die erste Elektrode 11 aufgetragene Membran wird getrocknet und wird dann UV-Strahlung und/oder Brennen bei einer niedrigen Temperatur ausgesetzt.
UV-Strahlung wird mit einer Leistung zwischen ungefähr 0,5 und ungefähr 0,8 W (oder 0,5 bis 0,8 W) angewendet. Gemäß einer Ausführung kann die UV-Strahlung mit einer Leistung zwischen ungefähr 0,5 und 0,7 W angewendet werden. In einer Ausführung ist die -M-O-M-Netzwerkbildung nicht ausreichend, wenn die UV-Strahlung mit einer Leistung angewendet wird, die kleiner ist als 0,5 W. In einer weiteren Ausführung kann, wenn die UV-Strahlung mit einer Leistung angewendet wird, die größer als 0,8 W ist, ein flexibles Substrat beschädigt werden.
Das heißt, dass ein UV-Strahler zum Anwenden der UV-Strahlung in dem Fall, dass die Temperatur des Strahlers während der Strahlungsanwendung steigt, eine schädliche Wirkung auf ein leitendes Substrat haben kann, und daher sollte seine Temperatur während der Anwendung der UV-Strahlung nicht über lange Zeit bei über 150°C gehalten werden.
Wenn bei einer niedrigen Temperatur gebrannt wird, wird das Brennen bei einer Temperatur unter ungefähr 150°C durchgeführt. Gemäß einer Ausführung wird es bei einer Temperatur zwischen ungefähr 110 und ungefähr 150°C (oder 110 bis 150°C) durchgeführt. In einer Ausführung kann, wenn die Temperatur mehr als 150°C beträgt, ein Polymerfilmsubstrat verzerrt (oder beschädigt) werden.
Durch die UV-Bestrahlung oder das Brennen bei niedriger Temperatur ist das Metall M des Metall M enthaltenden Prekursors mit Sauerstoff gebunden, um ein die Halbleiterpartikel umgebendes Oxidnetzwerk zu bilden.
In Schritt S3 wird ein Farbstoff, der auf der obig präparierten porösen Membran adsorbiert ist, durch Sprühen einer Dispersionslösung, die den Farbstoff beinhaltet, auf diese abgeschieden, wobei die poröse Membran mit der Dispersionslösung beschichtet wird oder die poröse Membran mit der Dispersionslösung imprägniert wird.
Die Adsorption des Farbstoffs geschieht in 12 Stunden nachdem die erste Elektrode 11 mit der porösen Membran durch die Dispersionslösung, die den Farbstoff beinhaltet, imprägniert wird, und die Adsorptionszeit kann verkürzt werden, indem Wärme zugeführt wird. Der Farbstoff ist wie vorangehend beschrieben, und das Lösungsmittel zum Dispergieren des Farbstoffs ist nicht beschränkt, kann aber Acetonitril, Dichlormethan und/oder ein Lösungsmittel auf Alkohol-Basis sein.
Die Dispersionslösung, die den Farbstoff beinhaltet, kann ferner organische Pigmente verschiedener Farben beinhalten, um die Absorption von langwelligem sichtbarem Licht zu verbessern und die Zelleffizienz zu verbessern.
Nachdem die Farbstoffschicht abgeschieden ist, kann eine einschichtige Lichtabsorptionsschicht 12 präpariert werden, indem die poröse Membran, die den Farbstoff enthält, mit einem Lösungsmittel ausgewaschen wird.
In Schritt S4 wird die zweite Elektrode 14 bereitgestellt und angeordnet, um die Lichtabsorptionsschicht 12 der ersten Elektrode 11 zu bedecken. Dann wird der Elektrolyt injiziert, um die farbstoffsensibilisierte Solarzelle 10 herzustellen.
Wie oben beschrieben beinhaltet die zweite Elektrode 14 das transparente Substrat, die transparente Elektrode und die Katalysatorelektrode, und die zweite Elektrode 14 kann in einem geeigneten Herstellungsverfahren gebildet werden.
Die Katalysatorelektrode kann wie folgt gebildet werden: eine in einem organischen Lösungsmittel, wie zum Beispiel Alkohol, gelöste Katalysatorprekursorlösung (zum Beispiel eine H₂PtCl₆-Lösung) wird auf der transparenten Elektrode aufgebracht, und dann wird über Hitzebehandlung unter einer Luft- oder Wasserstoffatmosphäre bei einer hohen Temperatur von mehr als ungefähr 400°C durchgeführt. Wahlweise kann die Katalysatorelektrode unter Verwendung von Galvanotechnik, einem physikalischen Gasphasenabscheidungs-(PVD-)Verfahren, wie zum Beispiel Sputtern, und/oder Elektronenstrahlabscheidung gebildet werden.
Die zweite Elektrode 14 kann gemäß einem geeigneten Verfahren mit der ersten Elektrode 11 verbunden (oder vereinigt) werden, wobei die Lichtabsorptionsschicht 12 zwischen der zweiten Elektrode 14 und der ersten Elektrode 11 liegt. In einer Ausführung wird das Verbinden (oder Vereinen) durch Verwendung eines Klebemittels, wie zum Beispiel eines thermoplastischen Polymerfilms, eines Epoxidharzes oder eines Ultraviolett-(UV-)Aushärtemittels; durch Schmelzfusionieren mit einer Ultraschallwelle, Hitze, Infrarotstrahlen und/oder Vibration; und/oder durch Schweißen durchgeführt.
Ein Loch wird gebildet, um die zweite Elektrode 14 zu durchdringen, und durch das Loch wird ein Elektrolyt in den Raum zwischen der ersten Elektrode 11 und der zweiten Elektrode 14 injiziert.
Der Elektrolyt kann derselbe wie oben beschrieben sein.
Ein externer Teil des Lochs wird mit einem Klebemittel abgedichtet, um somit die farbstoffsensibilisierte Solarzelle 10 herzustellen.
In der obigen Beschreibung ist das Herstellungsverfahren der Solarzelle 10 unter Verwendung des Verfahrens beschrieben, welches Aufbringen der porösen Membranzusammensetzung, welche Halbleiterpartikel und den Metall M enthaltenden Prekursor beinhaltet, gefolgt von UV-Bestrahlung und/oder Brennen bei einer niedrigen Temperatur, um die poröse Membran zu bilden, einschließt. Jedoch kann die poröse Membran gemäß einem geeigneten Verfahren unter Verwendung von Halbleiterpartikeln gebildet werden, und dann wird eine Zusammensetzung, die einen Metall M beinhaltenden Prekursor beinhaltet, aufgebracht, gefolgt von UV-Bestrahlung oder Brennen bei einer niedrigen Temperatur, um die poröse Membran zu bilden.
Die folgenden Beispiele illustrieren die vorliegende Erfindung in näherem Detail. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht durch diese Beispiele beschränkt. Beispiel 1
Eine erste Elektrode wurde durch Ausbilden einer leitenden Schicht aus Zinnoxid auf einem aus einem Polyethylenterephthalat-Polymer zu 1 cm × 1 cm gebildeten transparenten Substrat mit einem Oberflächenwiderstand von 10 Ω hergestellt.
Eine poröse Membranzusammensetzung wurde durch Dispergieren von 3 g TiO₂-Halbleiterpartikeln mit einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 20 nm und 0,03 g Ti(O-iPr)₄ in 10 ml Alkohol präpariert. Die erste Elektrode wurde unter Verwendung einer Rakel mit der porösen Membranzusammensetzung beschichtet und getrocknet. Die getrocknete poröse Membranzusammensetzung wurde mit 0,5 W UV bestrahlt und dann gewaschen, um eine poröse TiO₂-Membran mit einer Stärke von 0,010 mm zu bilden.
Anschließend wurde die erste Elektrode mit der porösen Membran durch eine 0,3 mM Ruthenium-(4,4-dicarboxyl-2,2'-bipyridine)₂(NCS)₂-Lösung von 0,3 mM 24 Stunden lang imprägniert, um den Farbstoff an der porösen Membran zu adsorbieren. Die poröse Membran mit dem daran adsorbierten Farbstoff wurde mit Ethanol gewaschen und anschließend bei Raumtemperatur getrocknet, um eine Lichtabsorptionsschicht auf der ersten Elektrode auszubilden.
Eine zweite Elektrode wurde durch Ausbilden einer transparenten Elektrode hergestellt, die aus Zinnoxid gebildet wurde und einen Oberflächenwiderstand von 10 Ω aufwies, und einer Katalysatorelektrode, die aus Platin gebildet wurde und einen Oberflächenwiderstand von 0,5 Ω aufwies, auf einem aus einem Polyethylenterephthalat-Polymer zu 1 cm × 1 cm gebildeten transparenten Substrat. Ein Loch wurde unter Verwendung eines Bohrers mit einem Durchmesser von 0,75 mm gebildet, um die zweite Elektrode zu durchdringen.
Die erste Elektrode und die zweite Elektrode wurden einander direkt gegenüber angeordnet, so dass die zweite Elektrode der porösen Membran der ersten Elektrode zugewandt sein konnte. Dann wurde ein thermoplastischer Polymerfilm mit einer Stärke von 60 μm zwischen dem transparenten Substrat der ersten Elektrode und dem transparenten Substrat der zweiten Elektrode angeordnet. Sie wurden 9 Sekunden lang bei 100°C komprimiert, um dadurch die erste Elektrode mit der zweiten Elektrode zu verbinden (vereinen).
Ein Elektrolyt wurde durch das die zweite Elektrode durchdringende Loch injiziert, und das Loch wurde mit einem thermoplastischen Harz verschlossen, um somit die Herstellung einer Solarzelle zu vervollständigen. Hierbei war der Elektrolyt eine Lösung, die durch Lösen von 21,928 g Tetrapropylammoniumiodid und 1,931 g Iod (I₂) in 100 ml gemischtem Lösungsmittel mit 80 Volumenprozent Ethylencarbonat und 20 Volumenprozent Acetonitril präpariert wurde. Beispiel 2
Eine erste Elektrode wurde durch Ausbilden einer leitenden Schicht aus Zinnoxid auf einem aus Polyethylenterephthalat-Polymer zu 1 cm × 1 cm gebildeten transparenten Substrat mit einem Oberflächenwiderstand von 10 Ω hergestellt.
Eine poröse Membranzusammensetzung wurde durch Dispergieren von 3 g TiO₂-Halbleiterpartikeln mit einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 20 nm in 10 ml Alkohol präpariert. Die erste Elektrode wurde unter Verwendung einer Rakel mit der porösen Membranzusammensetzung beschichtet und getrocknet. Eine Lösung mit 5 mmol Nb₂Cl₅ wurde auf der getrockneten porösen Membranzusammensetzung aufgetragen und getrocknet. Dann wurde die Membran mit 0,5 W UV bestrahlt und ausgewaschen, um die poröse TiO₂-Membran mit einer Stärke von 0,010 mm zu bilden.
Anschließend wurde die erste Elektrode mit der porösen Membran durch eine 0,3 mM Ruthenium-(4,4-dicarboxyl-2,2'-bipyridine)₂(NCS)₂-Lösung 24 Stunden lang imprägniert, um den Farbstoff an der porösen Membran zu adsorbieren. Die poröse Membran mit dem daran adsorbierten Farbstoff wurde mit Ethanol gewaschen und anschließend bei Raumtemperatur getrocknet, um eine Lichtabsorptionsschicht auf der ersten Elektrode auszubilden.
Eine zweite Elektrode wurde durch Ausbilden einer transparenten Elektrode hergestellt, die aus Zinnoxid gebildet wurde und einen Oberflächenwiderstand von 10 Ω aufwies, und einer Katalysatorelektrode, die aus Platin gebildet wurde und einen Oberflächenwiderstand von 0,5 Ω aufwies, auf einem transparenten Substrat. Ein Loch wurde unter Verwendung eines Bohrers mit einem Durchmesser von 0,75 mm gebildet, um die zweite Elektrode zu durchdringen.
Die erste Elektrode und die zweite Elektrode wurden einander direkt gegenüber angeordnet, so dass die zweite Elektrode der porösen Membran der ersten Elektrode zugewandt sein konnte. Dann wurde ein thermoplastischer Polymerfilm mit einer Stärke von 60 μm zwischen dem transparenten Substrat der ersten Elektrode und dem transparenten Substrat der zweiten Elektrode angeordnet. Sie wurden 9 Sekunden lang bei 100°C komprimiert, um dadurch die erste Elektrode mit der zweiten Elektrode zu verbinden (vereinen).
Ein Elektrolyt wurde durch das die zweite Elektrode durchdringende Loch injiziert, und das Loch wurde mit einem thermoplastischen Harz verschlossen, um somit die Herstellung einer Solarzelle zu vervollständigen. Hierbei war der Elektrolyt eine Lösung, die durch Lösen von 21,928 g Tetrapropylammoniumiodid und 1,931 g Iod (I₂) in 100 ml gemischtem Lösungsmittel mit 80 Volumenprozent Ethylencarbonat und 20 Volumenprozent Acetonitril präpariert wurde.
Beispiel 3
Eine erste Elektrode wurde durch Ausbilden einer leitenden Schicht aus Zinnoxid auf einem aus Polyethylenterephthalat-Polymer zu 1 cm × 1 cm gebildeten transparenten Substrat mit einem Oberflächenwiderstand von 10 Ω hergestellt.
Eine poröse Membranzusammensetzung wurde durch Dispergieren von 3 g TiO₂-Halbleiterpartikeln mit einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 20 nm in 10 ml Alkohol präpariert. Die erste Elektrode wurde unter Verwendung einer Rakel mit der porösen Membranzusammensetzung beschichtet und getrocknet. Eine Lösung mit 5 mmol Nb₂Cl₅ wurde auf der getrockneten porösen Membranzusammensetzung aufgetragen und getrocknet. Dann wurde die Membran bei einer niedrigen Temperatur von 150°C gebrannt, um eine poröse TiO₂-Membran mit einer Stärke von 0,010 mm zu bilden.
Anschließend wurde die erste Elektrode mit der porösen Membran durch eine 0,3 mM Ruthenium-(4,4-dicarboxyl-2,2'-bipyridine)₂(NCS)₂-Lösung 24 Stunden lang imprägniert, um den Farbstoff an der porösen Membran zu adsorbieren. Die poröse Membran mit dem daran adsorbierten Farbstoff wurde mit Ethanol ausgewaschen und anschließend bei Raumtemperatur getrocknet, um eine Lichtabsorptionsschicht auf der ersten Elektrode auszubilden.
Eine zweite Elektrode wurde durch Ausbilden einer transparenten Elektrode hergestellt, die aus Zinnoxid gebildet wurde und einen Oberflächenwiderstand von 10 Ω aufwies, und einer Katalysatorelektrode, die aus Platin gebildet wurde und einen Oberflächenwiderstand von 0,5 Ω aufwies, auf einem transparenten Substrat. Ein Loch wurde unter Verwendung eines Bohrers mit einem Durchmesser von 0,75 mm gebildet, um die zweite Elektrode zu durchdringen.
Die erste Elektrode und die zweite Elektrode wurden einander direkt gegenüber angeordnet, so dass die zweite Elektrode der porösen Membran der ersten Elektrode zugewandt sein konnte. Dann wurde ein thermoplastischer Polymerfilm mit einer Stärke von 60 μm zwischen dem transparenten Substrat der ersten Elektrode und dem transparenten Substrat der zweiten Elektrode angeordnet. Sie wurden 9 Sekunden lang bei 100°C komprimiert, um dadurch die erste Elektrode mit der zweiten Elektrode zu verbinden (vereinen).
Ein Elektrolyt wurde durch das die zweite Elektrode durchdringende Loch injiziert, und das Loch wurde mit einem thermoplastischen Harz verschlossen, um somit die Herstellung einer Solarzelle zu vervollständigen. Hierbei war der Elektrolyt eine Lösung, die durch Lösen von 21,928 g Tetrapropylammoniumiodid und 1,931 g Iod (I₂) in 100 ml gemischtem Lösungsmittel mit 80 Volumenprozent Ethylencarbonat und 20 Volumenprozent Acetonitril präpariert wurde.
Vergleichsbeispiel 1
Eine erste Elektrode wurde durch Ausbilden einer leitenden Schicht aus Zinnoxid auf einem aus Polyethylenterephthalat-Polymer zu 1 cm × 1 cm gebildeten transparenten Substrat mit einem Oberflächenwiderstand von 10 Ω hergestellt.
Eine poröse Membranzusammensetzung wurde durch Dispergieren von 3 g TiO₂-Halbleiterpartikeln mit einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 20 nm in 10 ml Alkohol präpariert. Die erste Elektrode wurde unter Verwendung einer Rakel mit der porösen Membranzusammensetzung beschichtet und getrocknet. Brennen wurde 15 Minuten lang bei 150°C durchgeführt, um eine poröse TiO₂-Membran mit einer Stärke von 0,01 mm zu bilden.
Anschließend wurde die erste Elektrode mit der porösen Membran durch eine 0,3 mM Ruthenium-(4,4-dicarboxyl-2,2'-bipyridine)₂(NCS)₂-Lösung 24 Stunden lang imprägniert, um den Farbstoff an der porösen Membran zu adsorbieren. Die poröse Membran mit dem daran adsorbierten Farbstoff wurde mit Ethanol ausgewaschen und anschließend bei Raumtemperatur getrocknet, um eine Lichtabsorptionsschicht auf der ersten Elektrode auszubilden.
Eine zweite Elektrode wurde durch Ausbilden einer transparenten Elektrode hergestellt, die aus Zinnoxid gebildet wurde und einen Oberflächenwiderstand von 10 Ω aufwies, und einer Katalysatorelektrode, die aus Platin gebildet wurde und einen Oberflächenwiderstand von 0,5 Ω aufwies, auf einem transparenten Substrat. Ein Loch wurde unter Verwendung eines Bohrers mit einem Durchmesser von 0,75 mm gebildet, um die zweite Elektrode zu durchdringen.
Die erste Elektrode und die zweite Elektrode wurden einander direkt gegenüber angeordnet, so dass die zweite Elektrode der porösen Membran der ersten Elektrode zugewandt sein konnte. Dann wurde ein thermoplastischer Polymerfilm mit einer Stärke von 60 μm zwischen dem transparenten Substrat der ersten Elektrode und dem transparenten Substrat der zweiten Elektrode angeordnet. Sie wurden 9 Sekunden lang bei 100°C komprimiert, um dadurch die erste Elektrode mit der zweiten Elektrode zu verbinden (vereinen).
Ein Elektrolyt wurde durch das die zweite Elektrode durchdringende Loch injiziert, und das Loch wurde mit einem thermoplastischen Harz verschlossen, um somit die Herstellung der Solarzelle zu vervollständigen. Hierbei war der Elektrolyt eine Lösung, die durch Lösen von 21,928 g Tetrapropylammoniumiodid und 1,931 g Iodid (I₂) in 100 ml gemischtem Lösungsmittel mit 80 Volumenprozent Ethylencarbonat und 20 Volumenprozent Acetonitril präpariert wurde.
Eine Oberflächenaufnahme der in Beispiel 2 präparierten porösen Membran wurde mit einem Rasterelektronenmikroskop aufgenommen und ist in 4 gezeigt.
Wie in 4 gezeigt bleibt die Form der Halbleiterpartikel in der porösen Membran erhalten. Durch diese Ergebnisse wurde bestätigt, dass die Halbleiterpartikel in der porösen Membran ohne Verzerrung Poren in der porösen Membran bilden.
Das Vorhandensein eines Oxidnetzwerks wurde unter Verwendung der Massenanalyse poröser Membranen gemäß Vergleichsbeispiel 1 und Beispiel 2 bestätigt. Die Ergebnisse sind in 5 gezeigt.
Wie in 5 gezeigt sind NbO-Oxid-Peaks in der Massenanalyse der porösen Membran gemäß Vergleichsbeispiel 1 im Wesentlichen nicht vorhanden. Im Gegensatz sind NbO-Oxid-Peaks in der Massenanalyse der porösen Membran gemäß Beispiel 2 sowohl nach dem Waschen als auch nach UV-Bestrahlung gezeigt. Diese Ergebnisse bestätigen, dass ein Oxidnetzwerk in der porösen Membran gemäß Beispiel 2 gebildet wird.
Fotospannungen der farbstoffsensibilisierte Solarzellen gemäß Beispielen 1 und 2 und Vergleichsbeispiel 1 wurden gemessen, und die Leerlaufspannung (Voc), die Stromdichte (Kurzschlussstrom: Jsc) und der Füllgrad (FF) wurden auf der Grundlage einer Kurve der gemessenen Fotospannungen berechnet. Die Messergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.
Hierbei wurde eine Xenon-Lampe, Oriel 01193, als Lichtquelle verwendet, und die Solarbedingung (AM 1,5) der Xenon-Lampe wurde korrigiert, indem eine Standard-Solarzelle (Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme, Zertifikat Nr. C-ISE369, Materialtyp: Mono-Si + KG-Filter) verwendet wurde.
Der Füllfaktor ist ein Wert, der durch Dividieren von Vmp × Jmp, wobei Vmp eine Stromdichte und Jmp eine Spannung bei einer maximalen elektrischen Leistung ist, durch Voc × Jsc gewonnen wird. Die fotovoltaische Effizienz (η) einer Solarzelle ist eine Umwandlungseffizienz von Solarenergie in elektrische Energie, die durch Dividieren einer elektrischen Energie einer Solarzelle (Strom × Spannung × Füllgrad) durch Energie pro Einheitsfläche (P_inc) gewonnen werden kann, wie in der folgenden Gleichung 1 gezeigt.
Gleichung 1
η = (Voc·Jsc·FF)/(Pinc)wobei das P_inc 100 mW/cm² (1 sun) beträgt. Tabelle 1

Jsc (mA/cm²) Voc (mV) F. F Effizienz (%)

Beispiel 1 9,59 840 0,74 5,93

Beispiel 2 10,41 824 0,73 6,25

Vergleichsbeispiel 1 8,68 757 0,71 4,63
Wie in Tabelle 1 gezeigt zeigten die Solarzellen von Beispielen 1 und 2, die die poröse Membran enthielten, die ein die Halbleiterpartikel umgebendes Oxidnetzwerk beinhaltete, verbesserte fotoelektrische Effizienz im Vergleich zu der Solarzelle von Vergleichsbeispiel 1, die die durch Hitzebehandlung gewonnene poröse Membran enthielt.
Die Solarzelle gemäß Beispiel 3 zeigte als Ergebnis der Auswertung von Zelleigenschaften ein ähnliches Ergebnis wie das von Beispiel 2.
Die farbstoffsensibilisierte Solarzelle gemäß der vorliegenden Erfindung weist aufgrund einer erhöhten Menge an adsorbiertem Farbstoff und Inhibition der Rekombination von angeregten Elektronen und Elektronen in einem Grundzustand eines Farbstoffs herausragende fotoelektrische Effizienz und Lebensdauer auf.
Obgleich die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit bestimmten Ausführungsbeispielen beschrieben wurde, versteht es sich, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungen beschränkt ist, sondern im Gegenteil verschiedene innerhalb des Geistes und Umfangs der angefügten Patentansprüche beinhaltete Modifikationen und äquivalente Anordnungen und Äquivalente derselben abdecken soll.

Claims

Eine Farbstoffsolarzelle, umfassend: eine erste Elektrode; eine Lichtabsorptionsschicht auf einer Seite der ersten Elektrode; eine der Lichtabsorptionsschicht gegenüberliegende zweite Elektrode; und einen Elektrolyten zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode, wobei die Lichtabsorptionsschicht umfasst: einen an einer porösen Membran adsorbierten lichtempfindlichen Farbstoff, wobei die poröse Membran Halbleiterpartikel und ein die Halbleiterpartikel umgebendes -M-O-M-Oxidnetzwerk umfasst, wobei das M ein Übergangsmetall ist.
Die Farbstoffsolarzelle nach Anspruch 1, wobei das M ein Material aus der Gruppe bestehend aus Nb, Zn, Ti, W und Kombinationen derselben umfasst.
Die Farbstoffsolarzelle nach Anspruch 1, wobei das M in einer Menge zwischen ungefähr 0,01 und ungefähr 0,09 Gewichtsanteilen basierend auf 100 Gewichtsanteilen der Halbleiterpartikel vorhanden ist.
Die Farbstoffsolarzelle nach Anspruch 1, wobei die Halbleiterpartikel einen Elementhalbleiter, einen Verbindungshalbleiter und/oder eine Perowskitverbindung umfassen.
Die Farbstoffsolarzelle nach Anspruch 1, wobei die Halbleiterpartikel ein Oxid umfassen, das ein Metall umfasst ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ti, Zr, Sr, Zn, In, Yr, La, V, Mo, W, Sn, Nb, Mg, Al, Y, Sc, Sm, Ga, In, TiSr und Kombinationen.
Die Farbstoffsolarzelle nach Anspruch 1, wobei die Halbleiterpartikel einen durchschnittlichen Partikeldurchmesser zwischen ungefähr 5 und ungefähr 500 nm aufweisen.
Die Farbstoffsolarzelle nach Anspruch 1, wobei die Halbleiterpartikel auf der ersten Elektrode in einer Menge zwischen ungefähr 40 und ungefähr 100 mg/mm² vorhanden sind.
Die Farbstoffsolarzelle nach Anspruch 1, wobei die erste Elektrode umfasst: ein transparentes Substrat; und eine auf dem transparenten Substrat angeordnete leitende Schicht und ein leitendes Metalloxid umfassend aus der Gruppe bestehend aus Indiumzinnoxid (ITO), fluordotiertem Zinnoxid (FTO), ZnO-(Ga₂O₃ oder Al₂O₃), einem Oxid auf Zinnbasis, Antimonzinnoxid (ATO), Zinkoxid und Kombinationen derselben.
Die Farbstoffsolarzelle nach Anspruch 8, wobei das transparente Substrat ein Kunststoffsubstrat umfasst.
Die Farbstoffsolarzelle nach Anspruch 9, wobei das Kunststoffsubstrat ein Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyethylenterephthalat, Polyethylennaphthalat, Polycarbonat, Polypropylen, Polyimid, Triacetylcellulose, Polyethersulfon, Copolymeren derselben umfasst.
Ein Verfahren zur Herstellung der Farbstoffsolarzelle, wobei das Verfahren umfasst: Präparieren einer porösen Membranzusammensetzung, die Halbleiterpartikel und einen Metall M enthaltenden Prekursor umfasst, wobei das M ein Übergangsmetall ist; Aufbringen der Zusammensetzung auf eine erste Elektrode und Bestrahlen der aufgebrachten porösen Membranzusammensetzung mit UV-Strahlung, um eine poröse Membran zu bilden; Adsorbieren eines lichtempfindlichen Farbstoffs auf der porösen Membran, um eine Lichtabsorptionsschicht zu bilden; Ausbilden einer zweiten Elektrode auf der Lichtabsorptionsschicht; und Injizieren eines Elektrolyten zwischen die erste Elektrode und die zweite Elektrode.
Das Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Metall M enthaltende Prekursor ein Alkoxid oder Chlorid enthaltendes Übergangsmetall ist.
Das Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Metall M enthaltende Prekursor ein Alkoxid oder ein Chlorid ist und wobei das Alkoxid oder das Chlorid ein Metall ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Nb, Zn, Ti, W und Kombinationen derselben umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Metall M enthaltende Prekursor ungefähr 0,01 bis ungefähr 0,09 Gewichtsanteile des Metalls M basierend auf 100 Gewichtsanteilen der Halbleiterpartikel umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Halbleiterpartikel ein Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Elementhalbleiter, einem Verbindungshalbleiter, einer Perowskitverbindung und Mischungen derselben umfassen.
Das Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Halbleiterpartikel ein Oxid umfassen, das ein Metall ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ti, Zr, Sr, Zn, In, Yr, La, V, Mo, W, Sn, Nb, Mg, Al, Y, Sc, Sm, Ga, In, TiSr und Kombinationen derselben umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Halbleiterpartikel einen durchschnittlichen Partikeldurchmesser zwischen ungefähr 5 und ungefähr 500 nm aufweisen.
Das Verfahren nach Anspruch 11, wobei die erste Elektrode umfasst: ein transparentes Substrat; und ein auf dem transparenten Substrat angeordnete leitende Schicht und ein umfassend leitendes Metalloxid ausgewählt aus Gruppe bestehend aus Indiumzinnoxid (ITO), fluordotiertem Zinnoxid (FTO), ZnO-(Ga₂O₃ oder Al₂O₃), einem Oxid auf Zinnbasis, Antimonzinnoxid (ATO), Zinkoxid und Kombinationen.
Das Verfahren nach Anspruch 18, wobei das transparente Substrat ein Kunststoffsubstrat umfasst.