專利名稱：可再充電的染料敏化太陽能電池的制作方法
技術領域：
本發(fā)明大體上涉及光伏電池，且更明確地說，涉及染料敏化光伏電池。
背景技術：
長期以來，光伏電池或太陽能電池一直被用作能源。傳統(tǒng)的太陽能電池通常是由半導體(例如硅)構造。雖然使用半導體的光伏電池對于ー些應用被證明為有效能源，但它們的制造及維護是昂貴的，這使它們在許多應用中因成本太高而受到限制。為了提供更能承受得起的光伏電池，利用在電極內合并染劑的便宜的過渡金屬電極以吸收太陽能輻射而開發(fā)出染料敏化太陽能電池(DSSC)。在此類太能能電池中，當波長低于820nm的實質上所有發(fā)射光子被吸收時，會最有效率地實現(xiàn)太陽能到電 的轉換。在格蘭澤爾(Graetzel)等人的第5，350，644號美國專利中掲示了此類太陽能電池，其具有多孔ニ氧化鈦(TiO2)襯底，在所述襯底中分散有染料以吸收在光譜的可見區(qū)中的光。染料敏化太陽能電池通常包含兩個隔開式電極及電解質溶液。通常，第一電極包含涂有包含染劑的TiO2多孔基質的透明導電襯底。第二或反電極通常是具有任選鉬涂層的透明導電電極。光穿過透明導電襯底且被多孔基質中的染料吸收。當染料吸收光時，在稱為光致激發(fā)的過程中，染料中的電子從基態(tài)躍遷到受激態(tài)。受激電子接著可從染料移動到TiO2基質中的導帶。此電子跨越TiO2而擴散且到達底層導電透明襯底。電子接著穿過電路的其余部分，從而返回到電池的第二或反電極。當電子從染料移動到TiO2時，染料改變氧化態(tài)，這是因為其具有較少的電子。在染料可吸收光的另一光子之前，必須恢復電子。電解質提供電子給染料且又改變其氧化態(tài)。電解質隨后在氧化還原反應中從第二或反電極回收電子自身。為了使光能轉換有效率，在已吸收光且由此取得能量豐富狀態(tài)之后，染劑必須能夠在接近単位量子產(chǎn)額的情況下將電子注入到TiO2膜的導帶中。這是由染劑通過連鎖基團而附著到TiO2的表面予以促迸。此基團在染劑的色形態(tài)基團與半導體的導帶之間提供電子偶合。此類型的電子偶合通常需要連鎖η傳導取代基，例如羧酸鹽基、ー價基、磷酸基，或具有η傳導特性的螯合基，例如，肟、ニ肟、羥基喹啉、水楊酸鹽及α酮烯醇鹽。染料敏化太陽能電池(例如在格蘭澤爾(Graetzel)的專利中所掲示的染料敏化太陽能電池)已產(chǎn)生作為太陽能的可行來源的實質利益，這是因為它們很容易使用相對便宜的材料來生產(chǎn)，且因此可在比傳統(tǒng)的半導體太陽能電池成本低的情況下提供。然而，染料敏化太陽能電池存在妨礙它們的商業(yè)生存擴展的幾個弊端。主要的缺點是，染料敏化太陽能電池不像半導體太陽能電池那么耐用。通常，染料敏化太陽能電池僅保持有效五到十年。這種壽命的缺乏通常是由于電池中的電解質及染料的不穩(wěn)定性而引起。明確地說，耐用問題包含吸附到TiO2電極上的敏化劑染料的固有光化學不穩(wěn)定性，以及其與周圍電解質的相互作用；電解質的化學及光化學不穩(wěn)定性；在電解質環(huán)境中的反電極的Pt涂層的不穩(wěn)定性；及自然力，以及電池的防止來自周圍空氣的氧氣及水侵入和電解質溶液損失的密封件的失效。
更多的降解來源包含染料的光化學或化學降解(例如染料的吸附，或由電解質物種或殘留水分子對配體的更換)、TiO2的直接帶隙激發(fā)(在TiO2價帶中的空穴充當強氧化劑)，電解質溶液的光氧化、從溶液中對質子的釋放(pH改變)、由TiO2及Pt進行的催化反應、TiO2的表面結構的改變、從反電極中對Pt的溶解，及分解產(chǎn)物到TiO2表面上的吸附。之前，研究一直專注于開發(fā)更適于電池的密封件、抗降解的電解質溶液(已推薦過幾種高分子凝膠)及抗漂白染料。此研究被限制在其有效期內。本發(fā)明解決了這些缺點而無需開發(fā)新的化學個體。

發(fā)明內容
在ー個方面中，本發(fā)明涉及ー種使用染料敏化太陽能電池的方法。染料敏化太陽能電池包含具有第一折射率的第一透明襯底的第一電極，及具有第二折射率的第二透明襯底的第二電極。第二折射率與第一折射率相當。染料敏化太陽能電池也包含電解質溶液。第一電極及第ニ電極經(jīng)布置以界定間隙，且電解質溶液安置在間隙中?？蓮拈g隙移除電解 質溶液，且可用具有與第一折射率及第ニ折射率相當?shù)牡谌凵渎实亩栊粤黧w填充間隙以允許光實質上無折射地穿過電池。在另一方面中，本發(fā)明涉及ー種使用染料敏化太陽能電池的方法。染料敏化太陽能電池包含具有第一折射率的第一透明襯底的第一電極，及具有第二折射率的第二透明襯底的第二電極。第二折射率與第一折射率相當。染料敏化太陽能電池也包含具有與第一折射率及第ニ折射率相當?shù)牡谌凵渎室栽试S光實質上無折射地穿過電池的惰性流體。第一電極及第ニ電極經(jīng)布置以界定間隙，且惰性流體安置在間隙中。從間隙移除惰性流體，且用電解質溶液填充間隙。本發(fā)明的實施例可包含以下特征中的一者或一者以上。第一電極可包含多孔高表面積ニ氧化鈦層。第一電極可包含可更換吸光染料，及/或第一電極可用可更換吸光染料進行染色。可沖洗可更換吸光染料。可更換吸光染料可用次氯酸鹽進行沖洗。吸光染料可暴露于可見光。染料敏化太陽能電池可包含在第一電極與第二電極之間形成液密容器的可再密封式密封件。


參考本發(fā)明關于圖的詳細描述會更好地理解本發(fā)明的這些及其它方面，在圖中圖I是本發(fā)明的光伏電池的實施例的剖面正視圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的方法對圖I的光伏電池再充電的步驟的實施例的流程圖；圖3是利用圖2的方法對圖I的電池進行多次再充電的結果的圖表；以及圖4是如本文所掲示的本發(fā)明的再充電設備的實施例的示意性表示。
具體實施例方式染料敏化太陽能電池(DSSC)在此項技術中為我們所知，且在格蘭澤爾(Graetzel)的第5，350，644號美國專利中予以展示，所述專利以引用的方式并入本文中。參考圖1，展示根據(jù)本發(fā)明而構造的光伏電池8。電池8通常包含兩個隔開式電極10、16及電解質溶液22。第一電極10包含例如玻璃28的透明導電襯底，玻璃28具有薄導電膜34且涂有包含染劑46的ニ氧化鈦(TiO2)多孔基質40。在一個實施例中，染料是溶解在こ醇中的N3(順式雙(異硫氰酸鹽)雙(2，2-聯(lián)吡啶-4，4'-聯(lián)羧基)-釕(II))。第二或反電極16通常是襯底的透明導電電極，例如涂有例如鉬的薄導電膜58的玻璃52。在兩個電極10、16之間的間隙是用電解質22填充。在一個實施例中，電解質22是碘化物電解質，例如基于碘化物的具有50mM三碘化物的低粘度電解質。此電解質的實例是來自阿邦尼(Aubonne)市/瑞士的奧瑞特(ouriette)街1 129CH-1170 的 Solaronix SA 的 Solaronix Idolyte PN-50。電解質22被可再密封式密封件48、48'維持在間隙內。光穿過透明導電襯底28、52且被多孔基質40內的染料46吸收。當染料46吸收光時，染料46中的電子從基態(tài)躍遷到受激態(tài)。受激電子接著可從染料46移動到TiO2基質40中的導帶，此電子跨越TiO2基質40而擴散且到達底層導電透明襯底28。電子接著穿過電路64的其余部分，從而返回到電池的第二或反電極58。在一個實施例中，基質40是納米晶體。當電子從染料46移動到TiO2基質40時，染料46改變氧化態(tài)，且在染料46可吸收光的另一光子之前，必須恢復電子。電解質(E) 22提供電子給染料46且改變其自身的氧化態(tài)。電解質22隨后在氧化還原反應中從第二或反電極16回收電子。在所示的實施例中，兩個玻璃電極10、16提供保持電解質22的容器的兩個表面。形成到兩個電極的彈性材料密封件48、48'完成了保持電解質22的容器。在一個實施例中，電池的體積是8X10_3cm3。在所示的實施例中，密封件是環(huán)氧樹脂且充當隔板，其可由皮下注射針無漏泄地刺入。在一個實施例中，環(huán)氧樹脂是來自馬薩諸塞州比爾里卡曼寧路46 的愛默生 & 卡明(Emerson&Cumming, 46Manning Road, Billerica, Massachusetts)的Stycast LT0在其它實施例中，預期提供通過密封件的入口的可閉合閥,使得流體可被引入到電池中及從電池中移除而無需由針刺入密封件。在所描繪的實施例中，染劑通過π導電取代基的連鎖基團而附著到TiO2的表面。在各種實施例中，合適的取代基包含羧酸鹽基、ー價基、磷酸基，或具有η導電特性的螯合基，例如肟、ニ肟、羥基喹啉、水楊酸鹽及α酮烯醇鹽。在實施例中，TiO2被燒結在第一電極上。在實施例中，在燒結之前，TiO2粒子可用例如次氯酸鈉溶液的氧化劑進行浸透。在另ー實施例中，在浸透TiO2粒子之后，通過將第ニ溶液引入到襯底中而沖洗次氯酸鈉溶剤。當電池的性能隨著時間推移而降級時，可對電池再充電?？墒褂帽O(jiān)視器來確定電池何時低于某一需要再充電的閾值。也參考圖2，第一步驟(步驟10)是排放電解質溶液。這可通過將皮下注射針插入通過可再密封式密封件48、48'及取出電解質22而實現(xiàn)。在實施例中，使用合適溶劑(例如こ臆)將電解質從電池中排出，且在第二端ロ(例如可再密封式密封件48')處收集電解質及溶剤。接下來(步驟14)，使用こ腈從電池沖洗剩余的電解質22。此時，如果僅更換電解質22，那么使用皮下注射針可將新的電解質通過可再密封式密封件引入到間隙中。如本文所使用，術語沖洗指的是通過引入第二物質而從區(qū)域中移除第一物質，所述第二物質將所述第一物質運載出所述區(qū)域。如果也更換染料46，那么在沖洗電解質(步驟14)之后，使用第一沖洗溶液(例如，次氯酸鹽溶液、氨水、氫氧化鈉溶液及氫氧化鉀溶液)將吸光染料46從基質40中沖洗掉(步驟16)。在實施例中，第二沖洗溶液可用于沖洗第一沖洗溶液。在實施例中，可添加新的染料而不沖洗吸光染料。接著，再次通過可再密封式密封件48，用新的染料46更換舊的染料46。在另ー實施例中，在適于確保TiO2基質的染色的時間量之后，可通過第三溶劑沖洗移除過量的染料溶液。此時，電解質溶液22接著可通過可再密封式密封件48引入到電池中。通過再充電及/或再填充的過程，染料敏化太陽能電池可在光伏狀態(tài)與非光伏狀態(tài)之間轉變。在沖洗電解質22且任選地沖洗任何剰余的吸光染料46之后，電池變成暫時透明的雙窗格的窗ロ。不是更換或再填充電解質22及吸光染料46，而是可用純色或彩色的惰性流體填充電池以允許電池充當非光伏窗ロ。低揮發(fā)性的折射率匹配流體可消除離開襯底表面的反射。對于惰性流體及透明襯底兩者，折射率(光通過介質的速度的降低的度量)應相同或相當，差值優(yōu)選地小于大約O. I到O. 3，以允許光實質上無折射地穿過窗ロ。舉例來說，而非限制，當透明襯底是玻璃吋，惰性流體可為水。惰性流體(如電解質22及吸光染料46)可用相同或不同的惰性流體進行沖洗及更換，任選地用具有不同色彩或顔色的惰性流體進行沖洗及更換?；蛘?，電池中的惰性流體可用電解質22及吸光染料46進行沖洗及更換，由此將非光伏窗ロ轉換回染料敏化太陽能電池。因此，染料敏化太陽能電池可在光伏 狀態(tài)與非光伏狀態(tài)之間轉變。光伏及非光伏的雙重功能均可改進染料敏化太陽能電池的效率及美觀性。舉例來說，此電池根據(jù)在白天執(zhí)行光伏功能及當陽光消退時在夜晩期間執(zhí)行美觀功能(如純色的窗ロ，通過所述窗ロ可看到星體的星叢)可每天進行沖洗及轉換。參考圖3，描繪在完成多次循環(huán)的清洗及染色之后相對于電壓繪制的電池的電流密度的結果的圖表?？煽闯?，與電池的初始性能相比，多次循環(huán)產(chǎn)生實質上相同結果。參考圖4，描繪用于移除電池的舊的流體成分及用新的成分進行更換的連續(xù)系統(tǒng)。在所示的實施例中，連接到處理器80的傳感器監(jiān)視電池或電池8群組中的條件。此類條件可包含電池的輸出電流或電壓、通過電池的光傳輸?shù)亩攘浚蛟谄渌鼌?shù)當中的電池的pH。當將電池的條件確定為低于預定設置點吋，處理器使用泵86及一系列閥92將各種溶劑、染料及漂白劑從它們的儲集器98、104、108抽到電池8中，且以如圖2的步驟所需要的次序將各種組分移除到回收槽112中。雖然已依據(jù)本發(fā)明的實施例描述了本發(fā)明，但所屬領域的技術人員將意識到，某些不脫離本發(fā)明精神的改變是可能的，且意欲僅由權利要求書的范圍限制本發(fā)明。
權利要求
1.ー種使用染料敏化太陽能電池的方法，其包括下列步驟 提供染料敏化太陽能電池，所述染料敏化太陽能電池包括第一電極，其具有第一折射率的第一透明襯底；第二電極，其具有與所述第一折射率相當?shù)牡诙凵渎实牡诙该饕r底；及電解質溶液，所述第一電極及所述第二電極經(jīng)布置以界定間隙，且所述電解質溶液安置在所述間隙中； 從所述間隙移除所述電解質溶液；及 用具有與所述第一折射率及所述第二折射率相當?shù)牡谌凵渎实亩栊粤黧w填充所述間隙，以允許光實質上無折射地穿過所述電池。
2.根據(jù)權利要求I所述的方法，其中所述第一電極包括多孔高表面積ニ氧化鈦層。
3.根據(jù)權利要求I所述的方法，其中所述第一電極包括可更換吸光染料。
4.根據(jù)權利要求3所述的方法，其進ー步包括沖洗所述可更換吸光染料的步驟。
5.根據(jù)權利要求4所述的方法，其中所述沖洗步驟包括用次氯酸鹽沖洗所述可更換吸光染料。
6.根據(jù)權利要求I所述的方法，其進ー步包括用可更換吸光染料對所述第一電極進行染色的步驟。
7.根據(jù)權利要求I所述的方法，其進ー步包括將所述染料敏化太陽能電池暴露于可見光。
8.根據(jù)權利要求I所述的方法，其中所述染料敏化太陽能電池進ー步包括在所述第一電極與所述第二電極之間形成液密容器的可再密封式密封件。
9.ー種使用染料敏化太陽能電池的方法，其包括下列步驟 提供染料敏化太陽能電池，所述染料敏化太陽能電池包括第一電極，其具有第一折射率的第一透明襯底；第二電極，其包括與所述第一折射率相當?shù)牡诙凵渎实牡诙该饕r底；及惰性流體，其具有與所述第一折射率及所述第二折射率相當?shù)牡谌凵渎室栽试S光實質上無折射地穿過所述電池，所述第一電極及所述第二電極經(jīng)布置以界定間隙，且所述惰性流體安置在所述間隙中； 從所述間隙移除所述惰性流體；及 用電解質溶液填充所述間隙。
10.根據(jù)權利要求9所述的方法，其中所述第一電極包括多孔高表面積ニ氧化鈦層。
11.根據(jù)權利要求9所述的方法，其中所述第一電極包括可更換吸光染料。
12.根據(jù)權利要求11所述的方法，其進ー步包括沖洗所述可更換吸光染料的步驟。
13.根據(jù)權利要求12所述的方法，其中所述沖洗步驟包括用次氯酸鹽沖洗所述可更換吸光染料。
14.根據(jù)權利要求9所述的方法，其進ー步包括用可更換吸光染料對所述第一電極進行染色的步驟。
15.根據(jù)權利要求9所述的方法，其進ー步包括將所述染料敏化太陽能電池暴露于可見光。
16.根據(jù)權利要求9所述的方法，其中所述染料敏化太陽能電池進ー步包括在所述第ー電極與所述第二電極之間形成液密容器的可再密封式密封件。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種使用染料敏化太陽能電池的方法，所述方法包含提供染料敏化太陽能電池，所述染料敏化太陽能電池具有第一電極，其具有第一折射率的透明襯底；第二電極，其具有與所述第一折射率相當?shù)牡诙凵渎实牡诙该饕r底；及電解質溶液，其在所述第一電極與所述第二電極之間的間隙中。從所述間隙移除且用具有與所述第一折射率及所述第二折射率相當?shù)牡谌凵渎实亩栊粤黧w更換所述電解質溶液，以允許光實質上無折射地穿過所述電池?；蛘?，所述惰性流體在所述第一電極與所述第二電極之間的所述間隙中，且從所述間隙移除且用電解質溶液更換所述惰性流體。
文檔編號H01L31/00GK102822983SQ201080061700
公開日2012年12月12日 申請日期2010年12月14日 優(yōu)先權日2009年12月15日
發(fā)明者納比爾·M·勞安迪 申請人:納比爾·M·勞安迪