本發明專利技術公開了一種基于協同催化的二元氧化還原電對的染料敏化太陽能電池，該染料敏化太陽能電池包括襯底、透明電極、金屬氧化物光陽極、染料和對電極，以及封裝于光陽極與對電極之間的電解質，所述電解質中含有相互協同催化的二元氧化還原電對，例如含有巰基的有機化合物和有機P型半導體。組成二元氧化還原電對的兩種材料在分子程度上偶合，可實現有相互催化作用的氧化還原反應，有利于電池內部的電子轉移反應，從而抑制光生電子與空穴的復合，最終改善器件性能。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于染料敏化太陽能電池(DSSC, Dye Sensitized Solar Cells)領域,特別涉及到一種可協同催化的二元氧化還原電對的染料敏化太陽能電池。
技術介紹
太陽能電池是通過光電效應或者光化學效應直接把光能轉化成電能的裝置，又稱為光伏電池。太陽能電池根據原理機制可分為硅基太陽能電池、無機化合物半導體太陽能電池、染料敏化太陽能電池與有機太陽能電池四種。其中染料敏化太陽能電池具有制作工藝簡單、原材料來源廣泛、造價低廉、可以制作大面積柔性器件等優點。1991年，EcolePolytechnique de Lausanne 石開究室的 Brian 0'regan 與 Michael GrStze丨在 Nature上報道了光電轉換效率達7%的染料敏化太陽能電池(“A low-cost, high-efficiencysolar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 fiIms，，，Nature 1991,353,737)。染料敏化太陽能電池的基·本結構包括襯底、透明電極、金屬氧化物光陽極、染料、含有氧化還原電對的電解質和對電極。染料敏化太陽能電池將光能轉換成電能可以分為三個主要過程:(I)染料層吸收一定能量的光子并躍遷到激發態；(2)處在激發態的染料分子向金屬氧化物注入電子，電子沿金屬氧化物傳輸至透明電極進入外電路；(3)對電極收集外電路的電子，并通過電解質中的氧化還原電對將電子傳輸給染料分子，使染料分子還原至基態，從而完成電子輸運回路。表征太陽能電池性能的參數主要有短路電流密度、開路電壓、填充因子、光電轉換效率。太陽能電池在短路條件下的單位受光面積的工作電流稱為短路電流密度(Js。)，此時電池輸出的電壓為零；太陽能電池在開路條件下的輸出電壓稱為開路電壓(V。。)，此時電池輸出的電流為零；填充因子(FF)是單位受光面積的最大輸出功率Pmax與JseV。。的比值，FF越大，太陽能電池的性能越好；光電轉換效率是單位受光面積的最大輸出功率Pmax與入射的太陽光能量密度Pin的百分比，它是太陽能電池的一個重要輸出特性，主要與器件結構、結的特性、材料性質和環境等有關。自從 1991 年，文獻 “Brian O，Regan, Michael Gratzel, Nature, 1991，353，737，，報道了高效染料敏化太陽能電池，隨著研究的深入，染料敏化太陽能電池的效率不斷提高。2006 年，文獻“Chiba, Y.et al., Dye-sensitized solar cells with conversionefficiency of 11.1%, Jpn.J.App1.Phys., 2006, 45, 638” 報道的染料敏化太陽能電池達到了 11.1% 的光電轉化效率；2009 年，文獻“Chen, C.-Y.et al., Highly efficientlight-harvesting ruthenium sensitizer for thin-film dye-sensitized solarcells.,ACS Nano, 2009，3，3103”報道的染料敏化太陽能電池實現了 11.5%的光電轉化效率。這些染料敏化太陽能電池所采用的都是基于Γ/Ι3_的單氧化還原電對。在目前的研究中，廣泛采用Γ/Ι3_作為染料敏化太陽能電池的氧化還原電對，得益于其優異的氧化還原特性，可以實現較高的光電轉化效率。但是Γ/ι3_氧化還原電對受到材料本身的局限:一是Γ/ι3-本身具有腐蝕性，在工作過程中會腐蝕對電極的金屬材料，縮短電池的性能及壽命；二是I-/I-3會吸收部分可見光，降低了染料分子吸收太陽光的能力，不利于進一步提高光電轉化效率。此外，太陽能電池要將太陽光轉變為電能，目的是為了應對日益嚴峻的能源與環境危機，而傳統的I-/3-材料對環境危害明顯，與太陽能電池清潔能源的初衷相悖。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種染料敏化太陽能電池，其電解質含有二元可協同催化的雙氧化還原電對，利用兩種氧化還原電對之間存在的相互催化作用來實現協同的氧化還原反應，抑制光生電子與空穴的復合，從而改善器件性能。本專利技術的技術方案如下:一種染料敏化太陽能電池，包括襯底、透明電極、金屬氧化物光陽極、染料和對電極，以及封裝于光陽極與對電極之間的電解質，所述電解質中含有相互協同催化的二元氧化還原電對。上述相互協同催化的二元氧化還原電對可以由含有巰基的有機化合物和有機P型半導體組成。含有巰基的有機化合物和有機P型半導體兩種材料間在分子程度上偶合，可以實現有相互催化作用的氧化還原反應。所述含有巰基的有機化合物例如:二巰基-噻二唑(DMcT )、三聚硫氰酸(TTCA)、四巰基-乙二胺(TTEA)等。含有巰基(_SH)的有機化合物單體被氧化為含有S-S鍵的二硫化物或者聚合硫化物，含有S-S鍵的硫化物又被還原為含有巰基的有機化合物單體，也就是說，含有巰基的有機化合物其本身具有氧化態與還原態，能夠發生氧化還原反應，完成電荷的輸運過程。所述有機P型半導體可以是聚合物、低聚物和/或小分子化合物，例如:苯胺低聚物、吡咯低聚物、噻吩低聚物、聚苯胺(PANI)、聚吡咯(PPY)、聚噻吩(PT)等。有機P型半導體可以實現在分子水平與含有巰基的有機化合物偶合，因此其不僅自身能夠發生氧化還原反應，而且能夠起到催化含有巰基的有機化合物的氧化還原反應的作用，從而能夠克服含有巰基的有機化合物在室溫下的氧化還原反應速度較慢的缺點。含有巰基的有機化合物與有機P型半導體二者協同偶合，從而形成了具有相互催化作用的二元氧化還原電對。組成所述二元氧化還原電對的含有巰基的有機化合物和有機P型半導體的摩爾比優選為1: 1~ 1: 2。本專利技術染料敏化太陽能電池的器件結構如圖1所示，包括:襯底和透明電極(如采用FTO導電玻璃I)、金屬氧化物光陽極(分為三個部分:致密層2，小顆粒吸收層3，大顆粒散射層4)、染料分子5、對電極6、電解質7，以及封裝膜8。其中，所述透明電極位于襯底的內側表面上，所述襯底和電極是透明的；金屬氧化物光陽極是金屬氧化物聚集在透明電極上形成的納米顆粒多孔薄膜；染料分子5則吸附在納米顆粒多孔薄膜上；電解質7是液態的，封裝在光陽極和對電極6之間。適用于本專利技術染料敏化太陽能電池的襯底材料有玻璃、柔性塑料等透明材料，若采用柔性塑料基板則光陽極在制作過程中需要采用能夠在200°C以下煅燒的TiO2漿料。另夕卜，也可以在襯底的照光一側(外側)表面添加減反膜，提高入射光的透過率。本專利技術染料敏化太陽能電池的透明電極材料可以是銦錫氧化物(ΙΤ0，IndiumTin Oxides)、氟錫氧化物(FTO, fluorine doped tin oxide)、招鋒氧化物(AZO, aluminium-doped zinc oxide)等常用的透明電極材料。金屬氧化物光陽極層所用材料常見為氧化鈦(Ti02)、氧化鎳(NiO)、氧化鑰(MoOx (x=2-3))氧化鋅(ZnO ),此外還有其他金屬氧化物如氧化錫(SnO2 )、氧化銀(Nb2O3)、氧化鎢(WO3)、氧化銦(InO3)、氧化鉭(Ta2O3)及氧化鋯(ZrO2)等本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種染料敏化太陽能電池，包括襯底、透明電極、金屬氧化物光陽極、染料和對電極，以及封裝于光陽極與對電極之間的電解質，所述電解質中含有相互協同催化的二元氧化還原電對。
【技術特征摘要】
1.一種染料敏化太陽能電池，包括襯底、透明電極、金屬氧化物光陽極、染料和對電極，以及封裝于光陽極與對電極之間的電解質，所述電解質中含有相互協同催化的二元氧化還原電對。2.按權利要求1所述的染料敏化太陽能電池，其特征在于，所述二元氧化還原電對由含有巰基的有機化合物和有機P型半導體組成。3.按權利要求2所述的染料敏化太陽能電池，其特征在于，所述含有巰基的有機化合物選自下列化合物中的一種或多種:二巰基-噻二唑、三聚硫氰酸和四巰基-乙二胺。4.按權利要求2所述的染料敏化太陽能電池，其特征在于，所述有機P型半導體是聚合物、低聚物和/或小分子化合物。5.按權利要求4所述的染料敏化太陽能電池，其特征在于，所述有機P型半導體選自下列低聚物和聚合物中的一種或多種:苯胺低聚物、吡咯低聚物、噻吩低聚物、聚苯胺、聚吡咯和聚噻吩。6.按權利要求2所述的染料敏化太陽能電池，其特征在于，組成所述二元氧化還原電對的含有巰基的有機化合物和有機P型半導體的摩爾比為...
【專利技術屬性】
技術研發人員：肖立新，馬英壯，陳志堅，曲波，龔旗煌，
申請(專利權)人：北京大學，
類型：發明
國別省市：
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