含有吡啶類添加劑的具有長期穩(wěn)定性的固態(tài)染料敏化太陽能電池的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及為了長期穩(wěn)定性而含有吡啶類添加劑的固態(tài)染料敏化太陽能電池。具 體地，固態(tài)染料敏化太陽能電池可包括空穴傳輸材料基體成分（matrixelement)，其含有 吡啶類化合物作為在固態(tài)染料敏化太陽能電池的固體空穴傳輸層中的添加劑，因此可獲得 優(yōu)異的初始效率和顯著改善的長期穩(wěn)定性，且可使用簡單的方法而無需使用密封劑來制造 固態(tài)染料敏化太陽能電池。
【背景技術(shù)】
[0002] 近來，隨著由化石燃料的消耗和溫室效應(yīng)引起的對環(huán)境的日益擔(dān)憂，對能夠替代 化石燃料的新能源和可再生能源的關(guān)注不斷增加，太陽能以及風(fēng)能、水能、潮汐能源等可作 為可替代的資源。
[0003] 具體而言，已廣泛開發(fā)了利用太陽能的太陽能電池，在這些太陽能電池之中，使用 硅的無機太陽能電池直接將光子轉(zhuǎn)換為電能。然而，這些無機太陽能電池相對于其他類型 的發(fā)電裝置而言，由于單位成本高，所以可能不具有成本競爭力。另一方面，染料敏化太陽 能電池由于它們的諸如相當大的功率轉(zhuǎn)換效率和低單位成本的生產(chǎn)等優(yōu)點，一直以來受到 眾多關(guān)注。
[0004] 在現(xiàn)有技術(shù)中，染料敏化太陽能電池可由5種材料組成，其包括1)導(dǎo)電性基板，2) 半導(dǎo)體膜，3)染料（感光材料），4)電解質(zhì)，和5)對電極，且染料敏化太陽能電池的效率可 由這些材料之間的相容性和優(yōu)化來確定。
[0005] 此類染料敏化太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)可通過以下反應(yīng)式1至6的機理來解 釋。
[0006] 具體地，吸附于半導(dǎo)體氧化物的染料（Sads)可通過光來激發(fā)（反應(yīng)式1)，且電子 可被注入到氧化物的導(dǎo)帶（反應(yīng)式2)。氧化的染料通過接收來自包括氧化和還原物質(zhì)（R/ R_)的電解質(zhì)的電子可再次被還原（反應(yīng)式3)。注入的電子可沿著半導(dǎo)體網(wǎng)絡(luò)流過外部電 路并到達對電極。在對電極中，氧化和還原物質(zhì)可再生并完成電路。在封閉的外部電路和 光照射下，裝置可形成重復(fù)且穩(wěn)定的光電能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。然而，可能會發(fā)生使裝置效率惡化 的不希望的反應(yīng)，例如，注入的電子與氧化的染料再結(jié)合的反應(yīng)（反應(yīng)式5)，或在Ti02表面 上與被氧化的氧化和還原物質(zhì)再結(jié)合的反應(yīng)（反應(yīng)式6)。
[0007] Sads+hv-S*ads(反應(yīng)式1)
[0008] S*ads-S+ads+e_inj (反應(yīng)式 2)
[0009] S+ads+R_-Sads+R (反應(yīng)式 3)
[0010]R+ecathQde-RcathQde (反應(yīng)式 4)
[0011] e_inj+S+ads-Sads (反應(yīng)式 5)
[0012] e_如+R-R咖de (反應(yīng)式 6)
[0013] 第一種有效的染料敏化太陽能電池于1991年由瑞士的Gratzel教授小組報道，且 通過使用能夠吸收光的染料、和能夠支撐大量染料的納米晶體無機半導(dǎo)體氧化物Ti02。達 到了約7%或更大的光電轉(zhuǎn)換效率。通過之后大量的開發(fā)，目前基于液體電解質(zhì)的染料敏化 太陽能電池可具有約11%或更大的效率。然而，在基于液體電解質(zhì)的染料敏化太陽能電池 中，溶劑可能會蒸發(fā)，或可能發(fā)生溶劑泄漏，且對電極可能會由于使用碘化物作為氧化和還 原物質(zhì)而被腐蝕。因此，已經(jīng)研宄使用固態(tài)有機和無機空穴傳輸材料的方法，以便解決此類 問題。
[0014] 此外，從約十年前起，全固態(tài)染料敏化太陽能電池已受到許多關(guān)注。例如，柔性的 太陽能電池可使用卷對卷（roll-to-roll)工藝來制造。在1998年，開發(fā)了使用命名為 spiro-OMeTAD的單分子空穴傳輸材料的全固態(tài)染料敏化太陽能電池，但其效率為約0. 1% 或更低。然而，從那時起，到目前為止，最大效率通過染料開發(fā)、表面改性、摻雜材料開發(fā)、裝 置結(jié)構(gòu)優(yōu)化等已經(jīng)被連續(xù)報道。
[0015] 在現(xiàn)有技術(shù)中，已報道作為在染料敏化太陽能電池中使用的具有鉛、鹵族元素和 甲基胺的鈣鈦礦型納米晶體顆粒，其由于用作光吸收材料或染料時對寬的光波長范圍吸收 強的性能，而顯示出相當大的效率。韓國的PARK，Namkyu教授小組和韓國化工技術(shù)研宄所 (theKoreaResearchInstituteofChemicalTechnology)通過將各種空穴傳輸材料引 入到媽鈦礦型納米晶體中，達到了約12%或更大的光電轉(zhuǎn)換效率。此外，瑞士的Gratzel教 授小組已報道具有約15%的超高效率的固態(tài)染料敏化太陽能電池。因此，期望基于這樣的 高效率用于商業(yè)化的各種方法出現(xiàn)。然而，盡管固態(tài)染料敏化太陽能電池使用固態(tài)空穴傳 輸材料，而不是液體電解質(zhì)，但長期穩(wěn)定性可能會由于作為添加劑所需材料的叔丁基吡啶 (tBP)和雙（三氟甲磺酰基）亞胺鋰（Li-TFSI)而劣化。例如，tBP是液體添加劑且是揮發(fā) 性的，從而不適于用作長期的添加劑。
[0016] 此外，代表性的添加劑Li-TFSI被混合到空穴傳輸材料和摻雜該空穴傳輸材料， 在改善導(dǎo)電性和抑制氧化物電極表面上的空穴-電子再結(jié)合反應(yīng)上是有效的。tBP通過 被設(shè)在半導(dǎo)體氧化物的電極表面上來增加導(dǎo)帶，從而有效地改善太陽能電池裝置的開路電 壓。當這兩種添加劑的作用都始終保持時，可改善固態(tài)染料敏化太陽能電池的長期穩(wěn)定性。 盡管如此，通過添加劑在長期穩(wěn)定性上的研宄論文和專利還未公布。
[0017] 此外，在現(xiàn)有技術(shù)中，已開發(fā)出光電轉(zhuǎn)換裝置。該裝置包括一對電極、和固體層，該 固體層由提供在該一對電極之間的電荷傳輸性雜環(huán)聚合物形成，且該固體層包含空穴傳輸 性雜環(huán)聚合物和富勒烯衍生物。此外，在其他實例中，介紹了 2, 2-聯(lián)吡啶配體、敏化染料和 染料敏化太陽能電池，以及包括Ru、Os或Fe等的多吡啶配位化合物作為光敏化染料的染 料敏化太陽能電池。此外，報道了用于染料敏化太陽能電池的半固體聚合物電解質(zhì)、包括在 其中的空穴傳輸材料以及包括電解質(zhì)的染料敏化太陽能電池，并且作為半固體聚合物電解 質(zhì)，包括乙腈、LiI、I2、l，2-二甲基-3-丙基碘化咪唑鑰（DMPII)和4-叔丁基吡啶（tBP)作 為液體電解質(zhì)。還提供了一種太陽能電池，其使用金屬酞菁配位化合物作為光學(xué)傳感器的 敏化染料，并且在固體空穴傳輸層中包含具有2, 6-二苯基苯氧基且具有烷基或烷氧基的 聚合物。
[0018] 然而，太陽能電池的質(zhì)量和效果的此類開發(fā)一直沒能解決如長期穩(wěn)定性這樣的耐 久性的問題。
[0019] 上述在該【背景技術(shù)】部分公開的信息僅用于增強對本發(fā)明背景的理解，因此其可能 含有不構(gòu)成在該國本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已經(jīng)知曉的現(xiàn)有技術(shù)的信息。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0020] 在優(yōu)選方面，本發(fā)明提供具有改善的長期穩(wěn)定性的太陽能電池。當吡啶類化合物 用作添加劑時，空穴傳輸層可處于固態(tài)，使得可獲得具有優(yōu)異的初始效率和顯著改善的長 期穩(wěn)定性的固態(tài)染料敏化太陽能電池。此外，太陽能電池可使用簡單的工藝而無需密封劑 等來制造。
[0021] 在一個方面，提供在空穴傳輸層中包含吡啶類化合物作為添加劑的新型固態(tài)染料 敏化太陽能電池。具體地，空穴傳輸層可處于固態(tài)。
[0022] 在另一個方面，通過在固態(tài)空穴傳輸層中使用吡啶類化合物作為添加劑，提供具 有改善的長期穩(wěn)定性并且保持優(yōu)異的初始效率的固態(tài)染料敏化太陽能電池。
[0023] 此外，本發(fā)明提供使用簡單的制造工藝而無需使用密封劑等的用于制造固態(tài)染料 敏化太陽能電池的方法。
[0024] 在示例性實施方式中，具有改善的長期穩(wěn)定性的固態(tài)染料敏化太陽能電池可包含 吡啶類化合物作為添加劑。具體地，太陽能電池可在空穴傳輸層中包括獨立地選自以下化 學(xué)式1至3的化合物中的一種或多種吡啶化合物作為添加劑。
[0025] [化學(xué)式1]
[0026]
[0027] 在化學(xué)式1中，n可以是1至20的自然數(shù)。
[0028] [化學(xué)式2]
[0029]
[0030] 在化學(xué)式2中，n可以是1至10的自然數(shù)。
[0031] [化學(xué)式3]
[0032]
[0033] 在示例性實施方式中，該方法可包括：通過在溶劑中溶解空穴傳輸材料制備空穴 傳輸材料的混合溶液，且在其中添加獨立地選自化學(xué)式1至3的化合物中的一種或多種吡 啶化合物的步驟；在工作電極上形成無機氧化物致密層的步驟；在無機氧化物致密層上形 成包含多孔氧化物和光吸收染料的光吸收層的步驟；在光吸收層上通過施