專利名稱：染料敏化太陽能電池用電解質(zhì)組合物及使用其的太陽能電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電解質(zhì)組合物，特別是一種適用于染料敏化太陽能電池 (Dye-Sensitized Solar Cell,DSC)的電解質(zhì)組合物。本發(fā)明還涉及使用該電解質(zhì)組合物的染料敏化太陽能電池。
背景技術(shù)：
隨著人類文明發(fā)展，全球面臨嚴(yán)重的能源危機(jī)及環(huán)境污染等問題。其中，以能將太陽能直接轉(zhuǎn)變成電能的太陽能電池，作為解決全世界能源危機(jī)及降低環(huán)境污染的重要方法之一。在太陽能電池中，因染料敏化太陽能電池的制造成本低、可制成大面積、具可撓性、具透光性而可用于建筑物上等優(yōu)異特性，逐漸成為一種極具有前景的新型太陽能電池。近年，GrStzel·等人發(fā)表一系列染料敏化太陽能電池相關(guān)文獻(xiàn)(例如0’Regan，B.； Gratzel5M. Nature 1991，353，737)，顯示染料敏化太陽能電池具有實(shí)用性。一般而言，染料敏化太陽能電池的結(jié)構(gòu)包括陰/陽電極、納米二氧化鈦、染料及電解質(zhì)，其中，電解質(zhì)對電池效率有關(guān)鍵性的影響。在染料敏化太陽能電池中，理想的電解質(zhì)必須具備不易揮發(fā)、不易泄漏、易封裝、不易破壞染料及其他成份等特性。液態(tài)電解質(zhì)是目前所知光電轉(zhuǎn)換效率較高的電解質(zhì)，一般而言，其有易揮發(fā)、 易泄漏及不易封裝等缺點(diǎn)。為了解決上述問題，人們嘗試了許多方法，例如離子液體 (N. Papageorgiou et al. , J. Electrochem. Soc, 1996, 143, 3099)；由聚合物及有機(jī)溶解鹽所組成的膠體電解質(zhì)(U. S. Pat. No. 6245847)。由于染料敏化太陽能電池中的電解質(zhì)對電池效率有關(guān)鍵性的影響。因此，如何通過電解質(zhì)提高染料敏化太陽能電池效率，已為太陽能電池業(yè)界亟欲解決的課題。

發(fā)明內(nèi)容
鑒此，本發(fā)明提供一染料敏化太陽能電池用電解質(zhì)組合物，包括(a)有機(jī)胺氫碘酸鹽，重量百分比為2至25% ；(b)咪唑鹽，重量百分比為2至25% ；(c)碘，重量百分比為0. 5至5% ；(d)硫氰酸胍(Guanidine thiocyanate, GuNCS)，重量百分比為 1 至 5% ；(e)苯并咪唑衍生物、吡啶衍生物或其混合物，重量百分比為2至15% ；以及(f)溶劑，重量百分比為50至92. 5%。優(yōu)選的，組分(a)的重量百分比為5至20%;組分(b)的重量百分比為2至20% ； 組分(c)的重量百分比為0. 5至3% ；組分(d)的重量百分比為1至3% ；組分(e)的重量百分比5至10%;且組分(f)的重量百分比60至86.5%。最優(yōu)選的，組分(a)的重量百分比為15. 1% ；組分(b)的重量百分比為2. 3% ；組分(c)的重量百分比為1. 3% ；組分(d) 的重量百分比為1.2% ；組分(e)的重量百分比8. 7% ；且組分(f)的重量百分比71.4%。
一具體實(shí)施例中，(a)有機(jī)胺氫碘酸鹽可為氫碘酸三乙胺(Triethylamine hydroiodide, THI)、氫碘酸三丙胺(Tripropylamine hydriodide)、氫碘酸三丁胺 (Tributylamine hydriodide)、氧碘酸三戊胺(Tripentylamine hydriodide)、氧碘酸三己胺(Trihexylamine hydriodide)或其混合物，具體而言，混合物指本發(fā)明的電解質(zhì)組合物中可包括兩種以上前述有機(jī)胺氫碘酸鹽。此外，優(yōu)選的(a)有機(jī)胺氫碘酸鹽為氫碘酸三乙胺、氫碘酸三丙胺、或氫碘酸三丁胺，或其混合物。最優(yōu)選的有機(jī)胺氫碘酸鹽為三乙胺氫碘酸鹽。上述組分(b)咪唑鹽可為1-甲基-3-丙基碘化咪唑鐺 (l-Methyl-3-propylimidazolium iodide， PMI I)、1，3- 二 ￥ S W ^
唑鐺(1,3-Dimethylimidazolium iodide),1-甲基 _3_ 乙基碘化咪唑鐺(1-Methy1-3-ethylimidazolium iodide),1-甲基-3- 丁基碘化咪唑鐺(l-Methyl-3-butylimidazolium iodide),1-甲基 _3_ 戊基碘化咪 ^ (I-Methy 1-3-pentyl-imidazolium iodide) ,1- ￥ S -3- S S IR 化咪唑鐺(l-Methyl-3-hexylimidazolium iodide) ,1-甲基 _3_ 庚基碘化咪唑鐺(l-Methyl-3-heptylimidazolium iodide),1-甲基-3-辛基碘化咪唑鐺(l-Methyl-3-octylimidazolium iodide),1,3- 二乙基碘化咪唑鐺(1,3-Diethylimidazolium iodide)、1_ 乙基-3-丙基碘化咪 ^ (1-Ethy 1-3-propylimidazolium iodide) ,1-乙 S -3- T S W it 咪唑鐺(l-Ethyl-3-butylimidazolium iodide)、1，3- 二丙基碘化咪唑鐺(1,3-dipropylimidazolium iodide),1-丙基 _3_ 丁基碘化咪唑鐺 (l-Propyl-3-butylimidazolium iodide)或其混合物。并以1_甲基_3_丙基碘化咪唑鐺、 1-甲基-3-乙基碘化咪唑鐺、1-甲基-3- 丁基碘化咪唑鐺、1-甲基-3-戊基碘化咪唑鐺、 1-甲基-3-己基碘化咪唑鐺、1，3- 二乙基碘化咪唑鐺、1-乙基-3-丙基碘化咪唑鐺、1-乙基-3- 丁基碘化咪唑鐺、1，3- 二丙基碘化咪唑鐺、1-丙基-3- 丁基碘化咪唑鐺或其混合物為優(yōu)選；更優(yōu)選的咪唑鹽則為1-甲基-3-丙基碘化咪唑鐺、1-甲基-3-乙基碘化咪唑鐺、 1-甲基-3- 丁基碘化咪唑鐺、1-甲基-3-戊基碘化咪唑鐺、1-甲基-3-己基碘化咪唑鐺、 1，3- 二乙基碘化咪唑鐺、1-乙基-3-丙基碘化咪唑鐺、1-乙基-3- 丁基碘化咪唑鐺或其混合物；最優(yōu)選地，則可選自1-甲基-3-丙基碘化咪唑鐺、1-甲基-3-乙基碘化咪唑鐺、 1-甲基-3- 丁基碘化咪唑鐺、1-甲基-3-戊基碘化咪唑鐺、1，3- 二乙基碘化咪唑鐺、1-乙基-3-丙基碘化咪唑鐺或其混合物。本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例中，(e)苯并咪唑衍生物、卩比啶衍生物或其混合物可為N-甲基苯并咪唑(N-Methylbenzimidazole，NMBI)、N- 丁基苯并咪唑 (N-Butylbenzimidazole, NBB)、叔丁基吡啶 Q-tert-Butylpyridine，4-TBP)或其混合物。本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例中，所使用的溶劑包括乙腈(Acetonitrile， ACN) ,3-甲氧基丙腈(3-Methoxyl-propionitrile，3-MPN)、N-甲基砒喀烷酮 (N-Methyl-2-pyrrolidone, NMP)、 Y _ 丁內(nèi)酉旨(gamma—Butyrolactone，GBL)、碳酸丙j；希酉旨 (Propylene carbonate，PC)、碳酸乙烯酯(Ethylene carbonate, EC)或其混合物。另一方面，本發(fā)明也提供一種含有本發(fā)明電解質(zhì)組合物的染料敏化太陽能電池。本發(fā)明染料敏化太陽能電池包括含有染料化合物的光電陽極(photoanode)；陰極(cathode)；以及使用本發(fā)明電解質(zhì)組合物而位于光電陽極及陰極之間的電解質(zhì)層(electrolyte layer)。具體而言，該電解質(zhì)層形成于該陰極與該光電陽極接觸的表面上。本發(fā)明染料敏化太陽能電池中，光電陽極包括基板、多孔性半導(dǎo)體膜、形成于該基板與多孔性半導(dǎo)體膜之間的導(dǎo)電膜、以及染料化合物，該染料化合物設(shè)置于導(dǎo)電膜上且填充于多孔性半導(dǎo)體膜的孔隙中，且該電解質(zhì)層形成于該陰極與多孔性半導(dǎo)體膜之間。實(shí)際應(yīng)用中，一般使用透明的基板及透明的導(dǎo)電膜，且透明基板的材質(zhì)并無特別限制，只要是透明的基材均可使用。優(yōu)選地，透明基板的材質(zhì)為對于由染料敏化太陽能電池外部侵入的水分或氣體具有良好遮斷性、耐溶劑性、耐候性等的透明基材。透明基板的非限制性實(shí)例包括石英、玻璃等透明無機(jī)材料所制得的基板；聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚(萘二甲酸乙二酯)(PEN)、聚碳酸酯(PC)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚酰亞胺(PI)等透明塑膠基板。此外，透明基板的厚度并無特別限制，可依照透光率、染料敏化太陽能電池特性要求而自由選擇。優(yōu)選的，透明基板的材質(zhì)為玻璃。此外，本發(fā)明染料敏化太陽能電池中，導(dǎo)電膜的材料可為氧化銦錫(ITO)、氟摻雜的氧化錫(FTO)、氧化鋅-三氧化二鎵(ZnO-Ga2O3)、氧化鋅-三氧化二鋁(ZnO-Al2O3)、或以錫為基礎(chǔ)的氧化物材料。再者，本發(fā)明染料敏化太陽能電池中，多孔性半導(dǎo)體膜可使用半導(dǎo)體微粒制成。適當(dāng)?shù)陌雽?dǎo)體微?？砂ü琛⒍趸?、二氧化錫、氧化鋅、三氧化鎢、五氧化二鈮、三氧化鈦鍶及其組合。優(yōu)選的半導(dǎo)體微粒為二氧化鈦。通常，半導(dǎo)體微粒的平均粒徑為5至500納米，優(yōu)選10至50納米。多孔性半導(dǎo)體膜的厚度為5至25微米。此外，作為染料敏化太陽能電池陰極的材料并無特別限制，可包括任何具有傳導(dǎo)性的材料?；蛘撸帢O材料也可以是一絕緣基材，只要有傳導(dǎo)層形成于朝向光電陽極的基材表面上即可。通常，電化學(xué)穏定的物質(zhì)就可作為陰極，且適用于陰極材料的非限制實(shí)例包括鉬、金、碳、及其相似物。本發(fā)明提供一種新穎電解質(zhì)組合物，適用于染料敏化太陽能電池。由于本發(fā)明電解質(zhì)組合物具有優(yōu)良的光電轉(zhuǎn)換效率及長效穩(wěn)性，使得利用本發(fā)明電解質(zhì)組合物所制作的染料敏化太陽能電池具有優(yōu)異的光電性質(zhì)。
具體實(shí)施例方式以下通過特定的具體實(shí)施例說明本發(fā)明的實(shí)施方式，所屬技術(shù)領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員可由本說明書所揭示的內(nèi)容輕易了解本發(fā)明的功效及特點(diǎn)。為得到本發(fā)明染料敏化太陽能電池用電解質(zhì)組合物，可將有機(jī)胺氫碘酸鹽(如 THI、TEAI……等)與碘化咪唑鐺(如PMII、EMII……等)混合后，加入苯并咪唑化合物與硫氰酸胍，再以溶劑配制成適當(dāng)濃度的電解質(zhì)液體。本發(fā)明的染料敏化太陽能電池的制造方法并無特別限制，可用一般已知的方法制造。本發(fā)明使用的多孔性半導(dǎo)體膜僅用半導(dǎo)體微粒制成。適當(dāng)?shù)陌雽?dǎo)體微粒包括硅、二氧化鈦、二氧化錫、氧化鋅、三氧化鎢、五氧化二鈮、三氧化鈦鍶及其組合。因此，在光電陽極的制作中，先將半導(dǎo)體微粒配制成糊狀物，再將其涂布到透明導(dǎo)電基板上，涂布方法可用刮墨刀、網(wǎng)印、旋轉(zhuǎn)涂布、噴灑等或一般濕式涂布。此外，為了得到適當(dāng)?shù)哪ず?，可以涂布一次或多次。半?dǎo)體膜層可以為單層或多層，多層是指各層使用不同粒徑的半導(dǎo)體微粒。例如，可先涂布粒徑為5至50納米的半導(dǎo)體微粒，涂布厚度為5至20微米，然后再涂布粒徑為200 至400納米的半導(dǎo)體微粒，涂布厚度為3至5微米。接著，在50至100°C干燥后，再于400 至500°C燒結(jié)約30分鐘可制得一多層半導(dǎo)體膜層。至于設(shè)置于導(dǎo)電膜上且填充于多孔性半導(dǎo)體膜孔隙中的染料化合物，例如N-719 染料可先溶于適當(dāng)?shù)娜軇┲信渲瞥扇玖先芤?。適當(dāng)?shù)娜軇┌ㄒ译?、甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮或其混合物，但不以此為限。接著，將涂布有多孔性半導(dǎo)體膜的透明基板浸泡到染料溶液中，讓該多孔性半導(dǎo)體膜充分吸附染料溶液中的染料， 干燥后即可制得染料敏化太陽能電池的光電陽極。本發(fā)明染料敏化太陽能電池的一具體制造方式如下。首先，將包括具有粒徑為 20至30納米的氧化鈦微粒的糊狀物，經(jīng)一次或數(shù)次的網(wǎng)印涂布在覆蓋有氟摻雜的氧化錫 (FTO)的玻璃板上，接著在450°C燒結(jié)30分鐘。將染料化合物溶于體積比1 1的乙腈(acetonitrile，ACN)及叔丁醇 (t-butanol)的混合液中，配成染料溶液。接著，將上述含有多孔氧化鈦膜的玻璃板浸泡在染料溶液中吸附染料溶液中的染料后，取出干燥即可得到一光電陽極(photoanode)。另外取一覆蓋有氟摻雜的氧化錫玻璃，將該氧化錫玻璃板鉆一直徑為0. 75毫米的注入口，以備注入電解質(zhì)用。接著，將氯鉬酸(H2PtCl6)溶液涂布在覆蓋有氟摻雜的氧化錫玻璃板表面上，然后加熱到400°C處理約15分鐘即可得到一陰極(cathode)。然后，將厚度60微米的熱塑性聚合物膜配置在光電陽極和陰極之間，并圍成一供容納電解質(zhì)的環(huán)形區(qū)域。在120至140°C下施加壓力于此二電極，以粘合此兩電極。將本發(fā)明電解質(zhì)經(jīng)由注入口注入，再用熱塑性聚合物膜將注入口密封，即可得到本發(fā)明的染料敏化太陽能電池。以下通過特定的具體實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明的特點(diǎn)與功效，但非用于限制本發(fā)明的范疇。實(shí)施例1至3及比較例1的光電效率測試根據(jù)下表1所列的成分配制成電解質(zhì)組合物，并使用N719染料制備成染料敏化太陽能電池，其中，比較例與實(shí)施例的差別在于比較例未使用氫碘酸三乙胺(THI)。光電效率測試的部份則將電池的短路電流(Jsc)、開路電壓(Vre)、光電轉(zhuǎn)換效率(η)及填充因子 (FF)紀(jì)錄于表2。表 權(quán)利要求
1.一種染料敏化太陽能電池用電解質(zhì)組合物，包括(a)有機(jī)胺氫碘酸鹽，重量百分比為2至25%；(b)咪唑鹽，重量百分比為2至25%；(c)碘，重量百分比為0.5至5%；(d)硫氰酸胍，重量百分比為1至5%；(e)苯并咪唑衍生物、吡啶衍生物或其混合物，重量百分比為2 15%；以及(f)溶劑，重量百分比為50至92.5%。
2.如權(quán)利要求1所述的電解質(zhì)組合物，其中，所述(a)有機(jī)胺氫碘酸鹽選自氫碘酸三乙胺、氫碘酸三丙胺、氫碘酸三丁胺、氫碘酸三戊胺、氫碘酸三己胺或其混合物。
3.如權(quán)利要求1或2所述的電解質(zhì)組合物，其中，所述(b)咪唑鹽選自1-甲基-3-丙基碘化咪唑鐺、1，3-二甲基碘化咪唑鐺、1-甲基-3-乙基碘化咪唑鐺、1-甲基-3-丁基碘化咪唑鐺、1-甲基-3-戊基碘化咪唑鐺、1-甲基-3-己基碘化咪唑鐺、1-甲基-3-庚基碘化咪唑鐺、1-甲基-3-辛基碘化咪唑鐺、1，3- 二乙基碘化咪唑鐺、1-乙基-3-丙基碘化咪唑鐺、 1-乙基-3- 丁基碘化咪唑鐺、1，3- 二丙基碘化咪唑鐺、1-丙基-3- 丁基碘化咪唑鐺或其混合物。
4.如權(quán)利要求1或2所述的電解質(zhì)組合物，其中，所述(e)苯并咪唑衍生物、吡啶衍生物或其混合物選自N-甲基苯并咪唑、N- 丁基苯并咪唑、叔丁基吡啶或其混合物。
5.如權(quán)利要求1或2所述的電解質(zhì)組合物，其中，所述(f)溶劑選自乙腈、3-甲氧基丙腈、N-甲基砒喀烷酮、Y-丁內(nèi)酯、碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯或其混合物。
6.如權(quán)利要求3所述的電解質(zhì)組合物，其中，所述(e)苯并咪唑衍生物、吡啶衍生物或其混合物選自N-甲基苯并咪唑、N- 丁基苯并咪唑、叔丁基吡啶或其混合物。
7.如權(quán)利要求6所述的電解質(zhì)組合物，其中，所述(f)溶劑選自乙腈、3-甲氧基丙腈、 N-甲基砒喀烷酮、Y-丁內(nèi)酯、碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯或其混合物。
8.如權(quán)利要求1所述的電解質(zhì)組合物，其中，所述有機(jī)胺氫碘酸鹽的重量百分比為 15. 1% ；咪唑鹽的重量百分比為2. 3% ；碘的重量百分比為1. 3% ；硫氰酸胍的重量百分比為1.2%;該(e)苯并咪唑衍生物、吡啶衍生物或其混合物的重量百分比8. 7%;且該(f)溶劑的重量百分比71.4%。
9.一種染料敏化太陽能電池，包括(A)光電陽極；(B)陰極；以及(C)電解質(zhì)層，形成于該陰極與該光電陽極接觸的表面上，所述電解質(zhì)層包括(a)有機(jī)胺氫碘酸鹽；(b)咪唑鹽；(c)碘；(d)硫氰酸胍；(e)苯并咪唑衍生物、吡啶衍生物或其混合物；以及(f)溶劑。
10.如權(quán)利要求9所述的染料敏化太陽能電池，其中，所述光電陽極包括基板、多孔性半導(dǎo)體膜、形成于該基板與多孔性半導(dǎo)體膜之間的導(dǎo)電膜、以及染料化合物，所述染料化合物設(shè)置于導(dǎo)電膜上且填充于多孔性半導(dǎo)體膜的孔隙中。
11.如權(quán)利要求10所述的染料敏化太陽能電池，其中，所述電解質(zhì)層形成于所述陰極與多孔性半導(dǎo)體膜之間。
12.如權(quán)利要求9所述的染料敏化太陽能電池，其中，所述(a)有機(jī)胺氫碘酸鹽選自氫碘酸三乙胺、氫碘酸三丙胺、氫碘酸三丁胺、氫碘酸三戊胺、氫碘酸三己胺或其混合物。
13.如權(quán)利要求9所述的染料敏化太陽能電池，其中，所述(b)咪唑鹽選自1-甲基-3-丙基碘化咪唑鐺、1，3-二甲基碘化咪唑鐺、1-甲基-3-乙基碘化咪唑鐺、1-甲基-3- 丁基碘化咪唑鐺、1-甲基-3-戊基碘化咪唑鐺、1-甲基-3-己基碘化咪唑鐺、1-甲基-3 -庚基碘化咪唑鐺、1 -甲基-3 -辛基碘化咪唑鐺、1，3 - 二乙基碘化咪唑鐺、1 -乙基-3-丙基碘化咪唑鐺、1-乙基-3- 丁基碘化咪唑鐺、1，3- 二丙基碘化咪唑鐺、1-丙基-3- 丁基碘化咪唑鐺或其混合物。
14.如權(quán)利要求9所述的染料敏化太陽能電池，其中，所述(e)苯并咪唑衍生物、吡啶衍生物或其混合物選自N-甲基苯并咪唑、N- 丁基苯并咪唑、叔丁基吡啶或其混合物。
15.如權(quán)利要求9所述的染料敏化太陽能電池，其中，所述(f)溶劑選自乙腈、3-甲氧基丙腈、N-甲基砒喀烷酮、Y-丁內(nèi)酯、碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯或其混合物。
16.如權(quán)利要求12所述的染料敏化太陽能電池，其中，所述(b)咪唑鹽選自1-甲基-3-丙基碘化咪唑鐺、1，3-二甲基碘化咪唑鐺、1-甲基-3-乙基碘化咪唑鐺、1-甲基-3- 丁基碘化咪唑鐺、1-甲基-3-戊基碘化咪唑鐺、1-甲基-3-己基碘化咪唑鐺、1-甲基-3 -庚基碘化咪唑鐺、1 -甲基-3 -辛基碘化咪唑鐺、1，3 - 二乙基碘化咪唑鐺、1 -乙基-3-丙基碘化咪唑鐺、1-乙基-3- 丁基碘化咪唑鐺、1，3- 二丙基碘化咪唑鐺、1-丙基-3-丁基碘化咪唑鐺或其混合物；所述(e)苯并咪唑衍生物、吡啶衍生物或其混合物選自N-甲基苯并咪唑、N-丁基苯并咪唑、叔丁基吡啶或其混合物；且所述(f)溶劑選自乙腈、 3-甲氧基丙腈、N-甲基砒喀烷酮、Y-丁內(nèi)酯、碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯或其混合物。
全文摘要
一種染料敏化太陽能電池用電解質(zhì)組合物，包括有機(jī)胺氫碘酸鹽；咪唑鹽；碘；硫氰酸胍；苯并咪唑衍生物、吡啶衍生物或其混合物；以及溶劑。本發(fā)明提供一種染料敏化太陽能電池，包括光電陽極；陰極；以及本發(fā)明電解質(zhì)組合物所形成的層，形成于該陰極與該光電陽極接觸的表面上。使用本發(fā)明電解質(zhì)組合物制得的染料敏化太陽能電池具有優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)換性能，且電解質(zhì)組合物的各組分相容性高，具有不易干涸并提供穩(wěn)定光電轉(zhuǎn)換效率的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號H01L51/42GK102347138SQ20101024437
公開日2012年2月8日 申請日期2010年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月4日
發(fā)明者李冠緯, 陳欣怡 申請人:臺灣永光化學(xué)工業(yè)股份有限公司