光電轉換器件和用于制造光電轉換器件的方法技術

公開了具有較高轉換效率的光電轉換器件，和用于制造該光電轉換器件的方法。光電轉換器件包括工作電極，其具有透明電極(2)和在透明電極(2)表面上形成的擔載染料的多孔金屬氧化物半導體層；對立電極(5)；和電解質層(4)，氧化物半導體層表面羥基的濃度等于或大于0.01個/(nm)2且等于或小于4.0個/(nm)2，吸附水的濃度等于或大于0.03個/(nm)2且等于或小于4.0個/(nm)2。制造光電轉換器件的方法包括：第一步，在透明電極(2)的表面形成多孔金屬氧化物半導體層(3)；第二步，處理在氧化氣氛下進行低溫等離子體處理將氧化物半導體層表面羥基的濃度控制為等于或大于0.01個/(nm)2且等于或小于4.0個/(nm)2，將吸附水的濃度控制為等于或大于0.03個/nm2且等于或小于4.0個/(nm)2；和第三步，在氧化物半導體層擔載染料。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本專利技術涉及具有較高轉換效率的光電轉換器件，和用于制造該光電轉換器件的方法。
技術介紹
從有效利用資源或保護環(huán)境免受污染的角度來看，近年來直接將日光轉換為電能的太陽能電池受到了很多關注，且對太陽能電池的各種研究和開發(fā)也在進行中。大多數太陽能電池使用晶體硅或非晶硅作為光電轉換的材料。光電轉換效率代表將太陽光的光能轉換為電能的性能，與非晶硅太陽能電池相比，晶體硅太陽能電池的光電轉換效率更高。如此，照慣例晶體硅太陽能電池常常被用作太陽能電池。然而，由于晶體硅 太陽能電池需要許多能量以及時間用于生長硅晶體，因此其生產力較低且成本較高。與晶體硅太陽能電池相比，由于非晶硅太陽能電池可吸收和利用波長范圍更寬的光，可選擇由各種原料制成的基板，且大面積的電池很容易制備，因此非晶硅太陽能電池是有利的。另外，與晶體硅太陽能電池相比，非晶硅太陽能電池不需要結晶化，因此可以較低的成本以及有利的生產力進行制造。然而，其光電轉換效率比晶體硅太陽能電池的光電轉換效率要低。除了使用晶體硅或非晶硅的太陽能電池，還有染料敏化太陽能電池，其使用裝有染料的多孔金屬氧化物半導體構成的電極。由于制造電池所需的原料在資源方面受到的限制更少，且可通過或流水線生產系統(tǒng)制造電池無需真空設備，因此染料敏化太陽能電池具有較低的制造成本和設備成本，因此與硅太陽能電池相比，其是有利的。普通染料敏化太陽能電池包括由透明導體層表面上形成并裝有染料的多孔金屬氧化物半導體層構成的工作電極和由透明或不透明導體層和/或催化層構成的對立電極，且具有以下構造，其中工作電極和對立電極彼此相對設置，電解質層布置在二者之間。將二氧化鈦作為多孔金屬氧化物半導體層使用。將敏化染料，如釕絡合物作為染料使用。此外，將以碘為主要成分的電解液作為電解質層使用。對于染料敏化太陽能電池中的多孔金屬氧化物半導體層，例如多孔二氧化鈦層而言，通常準備好分散涂覆二氧化鈦顆粒，將其涂在透明導體層的表面上，干燥之后在350°C至450°C的高溫下鍛燒以增強顆粒間的鍵合狀態(tài)，并提高電子擴散特性(參見，例如下文中將描述的專利文件I)。針對將樹脂(聚合物)作為基體的染料敏化太陽能電池，已嘗試通過在樹脂(聚合物)不會熔化的低溫下鍛燒形成多孔二氧化鈦層(參見，例如以下將描述的非專利文件I)。此外，至于制造將樹脂(聚合物)作為基體的染料敏化太陽能電池中的多孔金屬氧化物半導體層的方法，已知按壓金屬氧化物顆粒層的方法是制備多孔金屬氧化物半導體層的方法(參見，非專利文件2和專利文件2)。此外，已知了基于對多孔二氧化鈦層進行等離子體處理的表面改性法(參見，例如以下將描述的專利文件I和專利文件3)。此外，由于可通過測量從氧化物半導體表面脫附的化學物種(chemical species)導致的壓力變化或以恒定速率增加固體表面的溫度而導致的脫附的化學物種的改變量，并分析吸附的化學物種、吸附量、表面的吸附狀態(tài)或從表面脫附的過程來計算出氧化物半導體的表面所吸附水的量和羥基的量，因此可將其作為熱脫附分析(參見，例如下面將要描述的非專利文件3)。引文列表專利文件專利文件I :日本專利申請公開號2006-310134(第0017至0028段)專利文件2 W000/72373 (權利要求I)專利文件3 :日本專利中請公開號2004-247104(第0015至0019段) 非專利文件非專利文件I :UCHIDA Satoshi，SEGAWA Hiroshi，“作為柔性裝置的薄膜型染料敏化太陽能電池，，(“Film type dye sensitization solar cell asflexible device”),Functional Materials,第29卷，10號，29-35 (20009) (3.用于薄膜型染料敏化太陽能電池的二氧化鈦電極的穩(wěn)定性，4.用于二氧化鈦電極的微波鍛燒技術)。非專利文件2 H. Lindstron等,“用于在制造塑膠基板上制造納米結構電極的新方法，，(“A New Method for Manufacturing NanostructuredElectrodes on PlasticSubstrates”)，Nano lett.，第 I 卷,2 號,97-100 (2001)(試驗部分、結果和討論)非專利文件3 HIRASHITA Norio，UCHIYAMA，Taizou，“對通過熱氣體脫附分析測量的從半導體集成電路用材料釋放的氣體的定量分析”(“Quantitative analysis of gasreleased from materials for semiconductorintegrated circuit measured by thermalgas desorption analysis，，)，AnalyticalChemistry，43，757 (1994)。
技術實現思路
本專利技術要解決的問題根據專利文件1，采用了在350°C至450°C的高溫下進行的鍛燒處理以增強多孔金屬氧化物半導體層內顆粒間的鍵合狀態(tài)并提高電子擴散性能。因此，可使用的基體便僅限于用高耐熱性材料，例如玻璃制造，因此生產成本，如染料敏化太陽能電池使用的基體的原料成本或制造太陽能電池所消耗的能源成本會很高。此外，根據非專利文件1，針對使用樹脂(聚合物)作為基體的染料敏化太陽能電池，已嘗試在樹脂(聚合物)不會熔化的低溫下通過鍛燒形成多孔二氧化鈦層。然而，換能效率很低，通過低溫鍛燒形成的多孔二氧化鈦層很容易破裂，且使用多孔二氧化鈦層的電池的耐久性很差。由于對于低溫鍛燒來說鍛燒時間相對較長，所以還存在其它問題，因此其不利于大規(guī)模生產。此外，根據非專利文件2和專利文件2中所描述的通過按壓金屬氧化物顆粒層來制造多孔金屬氧化物半導體層的方法，加壓處理需要使用高壓，如幾百kgf/cm2。因此，需要具有高壓的液壓裝置。另外，連續(xù)生產設備中用于傳送壓力的卷，如卷對卷的方式很容易壞掉且處理速度很慢，就此而言，該方法不適合用于連續(xù)生產。為了形成多孔金屬氧化物半導體層以構成染料敏化太陽能電池，需要在高溫下進行鍛燒處理。用于電池的由基體和透明電極組成的透明導體層也需要具有耐熱性。就此而言，由于普通透明電極，如ITO不具有耐熱性，因此有必要使用氟摻雜氧化錫，其是一種具有出色耐熱性的透明電極。然而，氟摻雜氧化錫的導電性很差，因此不合適用于需要大面積的太陽能電池等。另外，為了提高染料敏化太陽能電池的光電轉換效率，提高多孔金屬氧化物半導體層的特性是很重要的。因此，需要進行一些改進，如增加多孔金屬氧化物半導體層上的染料吸附量，禁止來自多孔金屬氧化物半導體層的反向電子過程，并增加多孔金屬氧化物半導體層的氧化物微粒之間或其內的電子擴散性能。另外，盡管專利文件I公開了通過對二氧化鈦層進行等離子體處理增大表面上羥基的濃度可增加染料吸附量，專利文件3公開了通過對二氧化鈦層進行等離子體處理可提高換能效率，但是并沒有關于表面上的羥基濃度和二氧化鈦層上的吸附水的濃度的描述。問題的解決方案 設計本專利技術是為了解決上述問題，本專利技術的目的是提供具有較高轉換效率的光電轉換器件和用于制造該設備的方法。具體地，本專利技術指向具有工作電極的光電轉換器件，工作電極上形成有多孔金屬氧化物半本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：室山雅和，福島和明，
申請(專利權)人：索尼公司，
類型：
國別省市：