CN112385009A - 染料敏化太阳能电池单元、包括染料敏化太阳能电池单元的光伏充电器以及用于生产太阳能电池单元的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种染料敏化太阳能电池单元(1)，包括：工作电极，该工作电极包括多孔的光吸收层(10)；多孔的第一传导层(12)，第一传导层(12)包括用于从光吸收层(10)提取光生电子的传导材料；由绝缘材料制成的多孔绝缘层(105)；对电极，对电极包括形成在多孔绝缘层(105)的相对侧面上的多孔催化传导层(106)，以及离子基电解质，离子基电解质用于将电子从对电极转移到工作电极，并且离子基电解质布置在多孔的第一传导层(12)、多孔催化传导层(106)和多孔绝缘层(105)的孔中，其中，第一传导层(12)包括形成在传导材料的表面上的绝缘氧化物层(109)，多孔催化传导层(106)包括传导材料(107')和分布在传导材料中的用于改善电子从传导材料(107")到电解质的转移的催化粒子(107")。

Description

染料敏化太阳能电池单元、包括染料敏化太阳能电池单元的 光伏充电器以及用于生产太阳能电池单元的方法
技术领域
本发明涉及染料敏化太阳能电池单元。本发明还涉及一种光伏充电器，该光伏充电器特别适合于对包括染料敏化太阳能电池单元的电子装置进行充电。
背景技术
太阳能电池长期以来被用于将光能转换为电力。太阳能电池板用于吸收阳光作为能量来源来生成电力。太阳能电池板包括串联连接的多个太阳能电池。在大型太阳能园区中，经常将大量太阳能电池板布置在一起，以生产电力至电力供给网络。
太阳能电池的生产变得越来越有效且更便宜。因此，自然地，公司正在制造至少部分地由太阳能电池供电的各种各样的消费产品。如今，许多便携式电子装置都设置有存储能量的内置可再充电的电池，以及被布置为向电池供电以对电池进行充电的光伏充电器。光伏充电器或太阳能充电器利用太阳能来向装置供给电力并对电池充电。这种便携式装置的示例是平板电脑、移动电话、头戴式耳机和计算器。当使用太阳能电池时，补充装置的电池，使得在需要从外部源对装置进行充电之前增加使用时间。取决于光伏充电器的效率和装置的功耗，甚至可以废弃利用外部源对装置充电的需要，且装置于是仅由太阳能供电。例如，小型计算器通常仅由光伏充电器供电。
现今，市场上的光伏充电器使用各种类型的太阳能电池板，从效率在7-15范围内的薄膜电池板到提供高达18的效率的稍微更高效的单晶电池板。通常使用标准测试条件STC来测试效率，标准测试条件STC是用于测试太阳能电池板的条件的工业标准。在STC中，辐照为1000W/m2，温度为25℃，空气质量为1.5。作为示例，提供200W/m2的输出功率的太阳能电池板具有20％的效率。这些条件模拟了太阳能电池板在夏日无云的外界条件下的效率。室内光的波长光谱不同于室外光的波长光谱。例如，由于玻璃窗户过滤UV光并且室内灯具主要产生可见范围内的光，因此室内光中常常缺少可见范围外的波长。因此，在外界条件下测量的太阳能电池板的效率不能应用于室内条件。典型的人眼将响应约390至700nm的波长，并且室内光大多在可见光谱内。
在Georgia Apostolou等人的文章“Comparison of the indoor performance of12 commercial PV products by a simple model(通过简单模型比较12种商业PV产品的室内性能)”中，解释了室内照明与室外照明如何不同。该文章的作者指出，在双层玻璃隔热窗户的情况下，在距离窗户1米和5米处的辐射功率的减少分别为约70％和97％。该文章表明，现今太阳能电池板在室内照明中损失了它们的许多效率。因此，那些太阳能电池板的缺点在于它们在低光强度下具有低效率。
用于为电子装置供电的现有太阳能电池板的其它缺点是它们中的一些有毒、具有差的机械性能并且昂贵。
OnBeat有限公司的GB2510451(A)示出了一对由太阳能电池供电的头戴式耳机。柔性太阳能电池板设置在头带的外表面上和耳机上。头戴式耳机还可以用于利用所存储的太阳能来向外部装置供电。对于旁观者来说，视觉上明显的是OnBeat头带被太阳能电池板覆盖，但是没有指定太阳能电池的类型。
与用于在大型太阳能园区中产生电力的固定太阳能电池板相比，对用于为消费产品供电的太阳能电池板的需求是完全不同的。例如，消费产品中的太阳能电池板需要更稳健、柔性并且能够抵抗冲击。此外，它们必须能够在室内和室外的各种光条件下产生电力。由于太阳能电池板的局部遮蔽，太阳能电池板的不同部分上的光条件也可能不同，这降低了太阳能电池板的效率。还期望太阳能电池板具有美学吸引力，因为它们对用户是可见的。
应注意，存在许多具有太阳能电池板的光伏充电器的示例，所述太阳能电池板包括串联连接的多个太阳能电池以用于为便携式电子装置供电。然而，用已知的太阳能电池板给便携式电子装置供电存在若干问题：它们对光强度和入射光的角度非常敏感。具有串联连接的太阳能电池的太阳能电池板对局部遮蔽敏感，因为如果一个太阳能电池不产生电流，则整个太阳能电池系列将停止产生电力。它们相当敏感并且容易破碎。例如，晶体硅太阳能电池是易碎的，并且当在便携式电子装置上使用时可能破裂。此外，用户可能不同意其中产品的大部分被太阳能电池板覆盖的美学，该太阳能电池板的上侧面上具有可见集电器的栅格。因此，需要改善用于便携式电子装置的光伏充电器。
WO2013/149787公开了具有串联结构的染料敏化太阳能电池组件，该串联结构包括彼此相邻布置并且串联连接的多个染料敏化太阳能电池单元。每个电池单元包括工作电极、用于从工作电极提取光生电子的第一传导层、包括第二传导层的对电极、用于将电子从对电极转移到工作电极的电解质、以及用于将对电极电连接到相邻电池单元的工作电极的串联连接元件。太阳能电池组件包括多孔绝缘基底，第一传导层为形成在多孔绝缘基底的一个侧面上的多孔传导层，第二传导层为形成在多孔绝缘基底的相对的侧面上的多孔传导层，串联连接元件为穿过多孔绝缘基底并在其中一个电池单元的第一传导层与相邻电池单元的第二传导层之间延伸的传导层，从而将一个电池单元的第一传导层与相邻电池单元的第二传导层电连接。
WO2014/184379公开了具有传导粒子的染料敏化太阳能电池，所述传导粒子通过多孔绝缘基底中的绝缘材料形成传导网络。所述粒子形成穿过绝缘基底的绝缘材料的一个或更多个电传导路径。传导粒子也可以是催化性的。由于绝缘基底中的传导网络，对电极和光吸收层之间的距离不再取决于多孔基底的厚度。因此，可以减小绝缘部分的厚度，并且由此可以减小对电极和光吸收层之间的距离。因此，传导介质中的电阻损耗被减小。由于对电极和光吸收层之间的距离不再取决于整个多孔基底的厚度而仅取决于绝缘部分的厚度，因此还可以使用对于安全机械处理足够厚的基底。
发明内容
本发明的目的在于至少部分地克服上述问题，并提供一种改进的染料敏化太阳能电池和光伏充电器，该光伏充电器适合于为消费者应用的电子装置充电，更特别地适合于为电子装置的可再充电电池充电。
该目的通过如权利要求1所限定的染料敏化太阳能电池来实现。
该染料敏化太阳能电池单元包括：
工作电极，该工作电极包括多孔的光吸收层，
多孔的第一传导层，该第一传导层包括用于从光吸收层提取光生电子的传导材料，其中，光吸收层布置在第一传导层的顶部上，
由绝缘材料制成的多孔绝缘层，其中第一传导层形成在多孔绝缘层的一个侧面上，
对电极，该对电极包括形成在多孔绝缘层的相对侧面上的多孔催化传导层，以及
离子基电解质，该离子基电解质用于将电子从对电极转移到工作电极，并且离子基电解质被布置在多孔的第一传导层、多孔催化传导层和多孔绝缘层的孔中，其中第一传导层包括形成在传导材料的表面上的绝缘氧化物层，并且多孔催化传导层包括传导材料和分布在传导材料中的用于改善电子从传导材料到电解质的转移的催化粒子。
离子基电解质是指包括作为电子载体的离子的电解质。使用离子基电解质的优点在于它可赋予太阳能电池性能高的长期稳定性。另一个优点是太阳能电池单元的效率是稳定的或者随着温度的升高而增加。因此，太阳能电池单元在宽的温度范围内运行良好。
电解质设置在光吸收层、第一传导层、催化传导层和多孔绝缘层的孔内。电解质包括将电子从对电极传输到工作电极的光吸收层的离子。绝缘氧化物层在第一传导层的传导材料上提供电绝缘层，该氧化物层至少部分地阻止电子在传导材料与设置在第一传导层的孔中的电解质之间转移。因此，更多的电子到达光吸收层，由此增加了太阳能电池单元的效率。
催化粒子由不同于催化传导层的传导材料的材料制成。催化粒子起催化剂的作用，并促进电子从传导材料转移到催化传导层的孔中的电解质。催化传导层的传导材料基本上是非催化的，即，在传导材料中至多可能仅发生不重要的催化反应。电子由催化传导层中的电解质中的离子获得。通过在传导材料中分布催化粒子，改善了电子从传导材料的转移，并因此提高了太阳能电池单元的效率。此外，通过将催化粒子定位成尽可能靠近工作电极，减小了电解质中的离子必须行进以到达工作电极的距离。因此，減小了工作电极和对电极之间的有效距离，并且因此减小了电解质中的电阻损耗，带来了太阳能电池单元的更高效率。通过减小的距离实现的另一优点是，它使得能够使用具有低电导率的传导介质(例如离子液体电解质)。
阻止电子从传导材料泄漏到第一传导层的孔中的电解质的绝缘氧化物层与包括催化传导层的对电极的组合将产生有效的太阳能电池单元，该催化传导层包括分布在传导材料中的催化粒子，催化粒子改善了电子到对电极中的电解质的转移。
此外，在制造太阳能电池单元期间，在空气中热处理太阳能电池单元将在第一传导层的传导材料上以及在催化传导层的传导材料上产生氧化物层。可以假定催化传导层的传导材料上的氧化物层将阻止电子从传导材料转移到设置于催化传导层的孔中的电解质。令人惊奇的是，已经发现，分布在传导材料中的催化粒子(例如镀铂碳粒子)使得电子能够从传导材料转移到电解质，而不管传导材料上的氧化物层。
催化传导层是传导的和催化的。电解质可以布置在整个催化传导层的孔中，或者仅布置在催化传导层的上部。
在一个方面，对电极包括第二传导层，该第二传导层包括与催化传导层电接触的传导材料，其中第二传导层基本上是非催化的，并且多孔催化传导层设置在多孔绝缘层和第二传导层之间。
在该方面中，染料敏化太阳能电池单元包括：
工作电极，该工作电极包括多孔的光吸收层，
第一传导层，该第一传导层包括用于从光吸收层提取光生电子的传导材料，其中，光吸收层布置在第一传导层的顶部上，
由绝缘材料制成的多孔绝缘层，其中，第一传导层形成在多孔绝缘层的一个侧面上，
对电极，该对电极包括：
i.包括传导材料的第二传导层，以及
ii.多孔催化传导层，该多孔催化传导层设置在多孔绝缘层和第二传导层之间，并与第二传导层电接触，以及
离子基电解质，离子基电解质布置在第一传导层、催化传导层和多孔绝缘层的孔中，用于将电子从对电极转移到工作电极，其中，第一传导层包括形成在传导材料的表面上的绝缘氧化物层，第二传导层基本上是非催化的，并且催化传导层包括传导材料和分布在传导材料中的催化粒子，用于改善电子到电解质的转移。
第二传导层由传导材料制成。第二传导层可以是多孔的或无孔的。优选地，第二传导层不包括催化粒子。第二传导层本身基本上是非催化的，即在第二传导层中至多可能发生不重要的催化反应。第二传导层可以包含少量催化材料。然而，催化反应集中在催化传导层上。优选的是，由于催化传导层与工作电极的距离较短，电子被转移到催化传导层中的电解质。
由于第二传导层基本上是非催化的，第二传导层的电导率可以高于催化传导层的电导率。因此，包括催化粒子的催化传导层和基本上非催化的第二传导层的组合将带来电子从对电极到电解质的有效转移，并提供对电极的高电导率。此外，由于第二传导层基本上是非催化的，因此电子更难转移到第二传导层中的电解质。
当太阳能电池单元在使用时，第二传导层接收来自外部电路的电子并将电子分配到催化传导层。催化粒子用作催化剂，并促进从第二传导层接收的电子被转移到催化传导层的孔中的电解质。通过将催化粒子定位成尽可能靠近工作电极，减小了电解质中的离子必须行进以到达工作电极的距离。因此，太阳能电池单元中的功耗被减小，并且因此进一步提高了太阳能电池单元的效率。第二传导层确保电子有效地分布到催化传导层。
特别地，阻止电子从传导材料泄漏到第一传导层的孔中的电解质的绝缘氧化物层与提高了对电极的效率的包括催化传导层和非催化第二传导层的对电极的组合，将产生能够在宽范围的不同光条件下产生电力的高效的太阳能电池单元。太阳能电池单元在差的以及极好的照明条件(例如，在室内的人造光下、在室外的阴影下和当暴露于强的阳光下时)期间工作。
在一个方面，第二传导层的传导材料是钛或钛合金。在一个方面，第一传导层和第二传导层包括钛或钛合金。使用钛是有利的，因为钛是高耐腐蚀的并且可以耐高温，这在太阳能电池单元的生产过程中是有利的。
催化粒子由例如碳基材料(如石墨烯或石墨或炭黑或碳纳米管)、铂或其组合的催化材料制成。催化粒子可以是导电的和起催化作用的。在一个方面，催化粒子的电导率低于第二传导层的电导率。
例如，电解质是离子液体电解质。
在一个方面，催化粒子基本上均匀地分布在催化传导层中。术语“基本上均匀地分布”是指催化粒子分布在催化传导层的整个区域上。因此，催化粒子不会仅集中到催化传导层的一个或几个部分。尽管催化粒子的浓度可以在催化传导层的区域上变化，但是不存在没有任何催化粒子的主要区域。电解质填充在多孔催化传导层的孔中。通过使催化粒子基本上均匀地分布在催化传导层中，在催化剂传导层的整个区域中实现了电子从催化传导层的传导材料向电解质放入转移，由此改善了电子从传导粒子向电解质的转移。
在一个方面，多孔催化传导层的传导材料形成多孔基体，并且催化粒子分布在多孔基体中。多孔基体是指包括互连的传导粒子的网络的多孔层，该互连的传导粒子形成穿过多孔层的传导路径。优选地，催化粒子基本上均匀地分布在多孔基体中。催化粒子嵌入多孔基体中。例如，多孔基体是烧结的传导粒子的层，催化粒子设置在传导粒子之间。多孔基体容纳催化粒子并将催化粒子保持在适当位置。多孔基体可以充当催化粒子之间的胶并将催化粒子保持在适当位置。
在一个方面中，第一传导层的传导材料是多孔钛，并且绝缘氧化物层是形成在多孔钛的表面上的氧化钛。第一传导层包括形成在多孔钛表面上并覆盖多孔钛的表面的氧化钛层。氧化钛层阻止电子从第一传导层中的多孔钛泄漏到第一传导层的孔中的电解质，并因此提高太阳能电池单元的效率。在一个方面，多孔钛包括烧结的钛粒子，且烧结的钛粒子的表面被氧化钛层覆盖。
在一个方面，催化传导层包括重量占1％-50％的催化粒子。实现电子从传导材料到电解质的有效转移所需的催化粒子的重量所占的百分比取决于催化粒子的尺寸和形状以及催化粒子中的材料类型和传导材料的类型。
在另一方面，催化传导层包括重量占1％-30％的催化粒子。例如，当传导粒子由钛组成并且催化粒子由镀铂的碳组成时，该范围是合适的。然而，如前所述，催化粒子的重量百分比取决于粒子的尺寸。
在一个方面，催化传导层包含重量至少占1％的催化粒子。在一个方面，催化传导层包含重量至少占5％的催化粒子。在一个方面，催化传导层包含重量至少占10％的催化粒子。
在一个方面，催化传导层包含重量百分比大于50％的传导材料和重量百分比小于50％的催化粒子。
术语“重量占NN％”是指该粒子占传导粒子和催化粒子总重量的NN％。催化/传导粒子的实际重量百分比取决于催化粒子和传导粒子之间的尺寸差异，以及催化粒子和传导粒子中的材料类型。
催化传导层的传导材料例如是金属、金属合金、金属氧化物或例如钛、钛合金、镍或镍合金、铟或氧化铟的其它传导材料。
在一个方面，催化传导层的传导材料是钛。例如，催化传导层的传导材料包括烧结的钛粒子。
在一个方面，催化粒子包括碳。碳是催化材料。碳是廉价的和环境友好的。
在一个方面，催化粒子包括镀铂碳粒子。铂是比碳更好的催化剂，但它是昂贵的。通过使用铂和碳的组合，以较低的成本获得了良好的催化剂。
在一个方面，催化传导层的传导材料是钛，且催化粒子是镀铂碳粒子。术语“镀铂碳粒子”是指具有覆盖有一层铂层的碳核的粒子。铂是良好的催化剂。然而，铂的问题是难以附着到钛上。铂可以容易地附着到碳上。然而，碳的问题在于其具有差的机械强度。这些问题通过在钛基体中分布镀铂碳粒子来解决。钛具有良好的机械强度，并将镀铂碳粒子保持在镀铂碳粒子在催化传导层中的位置。因此，碳、铂和钛一起提供具有高机械强度和将电子转移至电解质的高能力的催化传导层。
在一个方面，催化传导层包含重量占50％至重量占90％的钛。在一个方面，催化传导层包含重量至少占5％的碳，优选地包含重量至少占10％的碳。在一个方面，催化传导层包含重量至少占0.001％的铂。
在一个方面，催化传导层包括传导粒子和催化粒子的混合物。传导粒子与第二传导层电接触。催化粒子与传导粒子混合以改善电子从传导粒子向电解质的转移。传导粒子由传导材料制成。优选地，传导粒子是非催化的并且不包括催化材料。传导粒子和催化粒子的混合物将使得电子从催化传导层到电解质的有效转移。催化粒子分布在传导粒子中。传导粒子可以形成容纳催化粒子并将催化粒子保持在适当位置的基体。
在一个方面，催化粒子基本上均匀地分布在传导粒子中。通过将催化粒子基本上均匀地分布在催化传导层中，改善了电子从传导粒子向电解质的转移。
在一个方面，传导粒子例如通过烧结彼此附着。传导粒子可以形成容纳催化粒子的基体。催化粒子嵌入在传导粒子的基体中。例如，催化传导层包括烧结的传导粒子和设置在传导粒子之间的催化粒子。传导粒子用作催化粒子之间的胶，并将催化粒子保持在传导粒子之间的位置。
在一个方面，传导粒子的尺寸大于催化粒子的尺寸。当催化材料比传导材料更昂贵时，有利的是催化粒子的尺寸小于传导粒子的尺寸以便节省成本。
在一个方面，至少80％的催化粒子具有小于50nm的直径。这种小粒子具有大的表面/体积比，并且将提供具有减小体积的催化材料的有效催化反应。如果催化材料是铂，这将降低催化材料的成本。
在一个方面，至少80％的传导粒子具有大于100nm的直径。优选地，传导粒子的尺寸在0.1-15μm之间。
在一个方面，催化传导层包括钛粒子和镀铂碳粒子的混合物。优选地，钛粒子例如通过烧结彼此附着。
在一个方面，多孔催化传导层中的传导材料与第二传导层中使用的材料是相同的材料。
在一个方面，催化传导层的厚度小于100μm，优选地小于20μm。在一个方面，催化传导层的厚度至少为1μm，优选至少为5μm，最优选地至少为10μm。
在一个方面，第二传导层的厚度至少为1μm，优选地至少为10μm，并且优选地至少为20μm。
第一传导层的厚度也有利地保持较薄，以便在光吸收层和催化传导层以及对电极之间具有短距离。第一传导层的厚度可以在0.1μm至40μm之间，优选地在0.3μm至20μm之间。
在一个方面，多孔绝缘层包括由绝缘材料制成的多孔基底。
在一个方面，多孔催化传导层包括由绝缘材料制成的多孔基底，且催化传导层的传导粒子形成穿过过多孔基底的绝缘材料的传导网络。传导粒子和催化粒子设置在多孔基底的孔中。传导网络提供对电极的延伸，该对电极延伸到多孔基底中。
术语“传导粒子形成穿过绝缘材料的传导网络”是指粒子形成穿过多孔基底的绝缘材料的一个或更多个传导路径。
在一个方面，染料敏化太阳能电池单元包括由绝缘材料制成的多孔基底，多孔绝缘层是多孔基底的第一部分，催化传导层的传导粒子形成穿过多孔基底的第二部分的传导网络。由于多孔基底中的传导网络，对电极和光吸收层之间的距离不再取决于多孔基底的厚度。因此，绝缘层的厚度可以减小，并且由此可以减小对电极和光吸收层之间的距离。
多孔绝缘层阻止第一传导层和催化传导层之间的短路。催化传导层中的传导粒子形成穿过基底的绝缘材料的传导网络。传导网络与对电极的第二传导层电接触，并因此将显著增加对电极的传导表面面积。
在一个方面，电解质是碘化物/三碘化物电解质、铜络合物基电解质或钴络合物基电解质中的任一种或它们的组合。
在一个方面，传导介质包括碘化物(I-)和三碘化物(I3 -)，且传导介质中三碘化物的含量在1mM至20mM之间。该实施例使得可以在低光强度下实现高功率。
在一个方面，多孔基底为包括延伸穿过整个太阳能电池单元的织造微纤维的片(sheet)。例如，织造微纤维由玻璃纤维制成。包括延伸穿过整个太阳能电池单元的织造微纤维的片有助于提供柔性的、可扭转的和耐冲击的光伏充电器。
在一个方面，多孔光吸收层包括染色的TiO2。包括染色的TiO2的多孔光吸收层是不易碎的，并且不依赖于入射光的角度。
在一个方面，光吸收层是具有吸附的有机染料的多孔TiO2纳米颗粒层。有机染料的示例是：N719、N907、B11、C101。此外，可以使用其它有机染料。
在一个方面，当光吸收层接收的光强度为200Lux时，太阳能电池单元产生至少5μW/cm2。当光吸收层接收的光强度为20000Lux时，太阳能电池单元产生至少600μW/cm2。当光吸收层接收的光强度为200Lux时，太阳能电池单元产生在有效太阳能电池区域上测量的大于5μW/cm2。通过测试已经证明，当光吸收层接收的光强度为200Lux时，根据本发明的太阳能电池单元能够产生大于5μW/cm2。Lux是测量光强度的适当单位，因为它测量人眼感知的光强度。Lux通常用于测量室内光的强度，室内光主要在人眼可见的电磁光谱部分中。因此，将太阳能电池单元的效率与以Lux测量的光强度相关联是适当的。
在一个方面，当光吸收层接收的光强度为200Lux时，太阳能电池单元产生大于5.5μW/cm2。通过测试已经证明，当光吸收层接收的光强度为200Lux时，根据本发明的太阳能电池单元能够产生大于5.5μW/cm2。
在一个方面，当光吸收层接收的光强度为5000Lux时，太阳能电池单元产生至少150μW/cm2。
在一个方面，当光吸收层接收的光强度为20000Lux时，太阳能电池单元产生至少600μW/cm2，优选地至少700μW/cm2。更具体地，当光吸收层接收的光强度在200至20000Lux之间时，太阳能电池单元至少能够产生5μW/cm2至600μW/cm2。当光吸收层接收的光强度从200Lux增加到20000Lux时，太阳能电池单元产生的电力基本上线性地增加。因此，太阳能电池单元能够在宽范围的不同光条件下产生电力。太阳能电池单元在差的照明条件以及极好的照明条件(例如，在室内的人造光下、在室外的阴影下以及当暴露于强的阳光下时)期间工作。
基本上线性意思是所产生的电力至少在200Lux至20000Lux区间的主要部分中随着光强度的增加而线性增加。例如，产生的电力可能与强度在200Lux至1000Lux之间的线性稍微不同。
一方面，当光吸收层接收的光强度在200Lux至50000Lux之间变化时，太阳能电池单元生成变化小于40％的电压。例如，当光吸收层接收的光强度在200Lux至50000Lux之间变化时，太阳能电池单元生成变化小于0.4V(选地小于0.3V)的电压。太阳能电池单元生成的电压在200Lux至50000Lux的区间相当均匀。这意味着所产生的电压完全独立于光强度。由于当光吸收层接收的光强度在200Lux至50000Lux之间变化时，从太阳能电池单元输出的电压仅有很小的变化，因此可以使用升压转换器来升高宽的不同光强度范围的电压，而在转换期间没有大的损失。
所生成的电压的电平取决于电解质中的离子。例如，如果电解质包括铜离子，则当光吸收层接收的光强度为20000Lux时，太阳能电池单元可以在开路中生成约1V的电压，并且如果电解质包括碘离子和三碘离子，则当光吸收层接收的光强度为20000Lux时，太阳能电池单元可以在开路中生成0.65V的电压。
在一个方面，当光吸收层接收的光强度为200Lux时，太阳能电池单元在开路中生成至少0.3V的电压。
此外，当光吸收层接收的光强度为20000Lux时，太阳能电池单元在开路中生成小于1.2V的电压。
在一个方面，当光吸收层接收的光强度从200Lux增加到20000Lux时，太阳能电池单元产生的电流线性增加。
在一个方面，当光吸收层接收的光强度为200Lux时，太阳能电池单元产生至少15μA/cm2的电流，并且当光吸收层接收的光强度从200Lux增加到20000Lux时，太阳能电池单元产生的电流线性增加。由于线性，以及当光强度为零时太阳能电池单元不产生任何电流，而当光强度为200Lux时产生至少15μA/cm2的电流的事实，当光吸收层接收的光强度为20000Lux时，太阳能电池单元产生约为1500μA/cm2的电流。因此，太阳能电池单元能够产生足够的电力以在宽的光强度范围内对电子装置的电池进行充电。
太阳能电池单元优选地为单片的染料敏化太阳能电池。单片染料敏化太阳能电池的特征在于，所有层直接地或间接地沉积在同一多孔基底上。
第一传导层和第二传导层位于光吸收层的阴影侧面，即与接收光的侧面相对的侧面。因此，第一传导层和第二传导层位于光吸收层的同一侧。
本发明的另一目的是提供一种特别适合于对电子装置进行充电的光伏充电器。
该目的通过光伏充电器实现，该光伏充电器包括根据本发明的染料敏化太阳能电池单元、封装太阳能电池单元的封装、电连接到第一传导层的第一导体、以及电连接到第二传导层的至少一个第二导体，其中，光伏充电器仅包含一个单个的太阳能电池单元以及电连接到第一导体和第二导体的升压转换器，且升压转换器适合于在逐步降低来自太阳能电池单元的电流的同时逐步升高来自太阳能电池单元的电压。
根据本发明的光伏充电器能够在光照条件非常差时对装置进行充电。例如，当唯一的光源是灯具时，光伏充电器能够对电子装置进行充电。这使得可以在夜间对室内的电子装置进行充电。
此外，由于光伏充电器仅具有一个单个的太阳能电池单元，因此将不存在部分遮蔽的问题。即使太阳能电池单元的表面的一些部分被遮蔽，未被遮蔽的部分仍将产生电流。因此，即使当光伏充电器的有效面积被部分遮蔽时，根据本发明的光伏充电器仍能够对电子装置进行充电。有效面积是指太阳能电池单元的面积，当该面积暴露于光时该面积有助于产生电力。
第一导体用作集电器并从第一传导层收集电流。第二导体用作电流分配器并将电流分配到第二传导层。该光伏充电器具有一个单个的可扩展的太阳能电池，该太阳能电池可以适合于任何形状或尺寸的便携式电子装置。不需要跨越光伏充电器的可见侧面布置的多个集电器，并且不存在可见集电器，从而带来视觉上均质的表面。因此，光伏充电器可应用于便携式电子装置上，而不会影响装置的设计。换句话说，便携式电子装置可以由光伏充电器供电，而光伏充电器不会被旁观者看到。在太阳能电池单元的表面上没有布置许多连接元件的另一个优点是，由于没有多个集电器阻挡入射光，所以太阳能电池单元的更多面积可以用于发电。
光伏充电器的进一步优点包括低成本、耐冲击、柔性和与入射光的角度无关。
此外，单个太阳能电池单元的尺寸是可扩展的，并且因此光伏充电器的尺寸和功率可以适合于要充电的不同装置的尺寸和功率需求。通过增加太阳能电池单元的面积，增加了由光伏充电器生成的电力。
光伏充电器包括电连接至第一导体和第二导体的升压转换器，并且升压转换器适合于在逐步降低来自太阳能电池单元的电流的同时逐步升高来自太阳能电池单元的电压。因此，光伏充电器能够生成足够的电压电平，用于在宽范围的不同光条件下对电子装置进行充电。不同类型的电池需要不同的电压电平。升压转换器使得可以向电子装置的可再充电电池提供电池类型所需的电压电平。单个太阳能电池单元产生的电压太低，以至于不能对某些类型的电池(例如需要大约3.6V的锂电池)进行充电。根据本发明，通过将升压转换器连接到单个太阳能电池单元来实现所需电压。因此，可以提供一种仅具有一个太阳能电池单元的光伏充电器，该太阳能电池单元能够对需要不同电压电平的电池进行充电。
在一个方面，升压转换器被配置成将来自太阳能电池单元的电压转换成1V至10V之间的电压，因此，光伏充电器能够对用于消费者应用的许多类型的电子装置的电池(诸如锂或镍基电池)进行充电。
在一个方面，升压转换器被配置为将0.25V至1V之间的电压转换为3V以上(并且优选地3.5V以上)的电压。因此，光伏充电器可以用于对具有3V以上的负载电压的电池进行充电，该电池诸如锂电池，该锂电池典型地需要3V至4.5V之间的负载电压，这取决于电池的负载如何。
在一个方面，升压转换器能够处理15mA/cm2至9000mA/cm2之间的电流。因此，升压转换器能够处理来自太阳能电池单元的完全是阳光的200勒克斯到120000勒克斯的电流。
在一个方面，封装由透明塑料制成。该特征有助于提供柔性的、可扭转的和耐冲击的光伏充电器。
根据一些方面，单个的太阳能电池单元的形状和尺寸适合于其正在供电的便携式电子装置的尺寸和形状。此外，太阳能电池单元的有效面积适合于对装置进行充电所需的功率。
在一个方面，太阳能电池单元的有效面积的侧面到侧面的最短距离大于1cm，并且优选地大于1.5cm。
在一个方面，太阳能电池单元的有效面积的侧面到侧面的最短距离大于1.5，且太阳能电池单元的有效面积大于25cm2。这种光伏充电器例如可用于对头戴式耳机进行充电。
在一个方面，太阳能电池的有效面积的侧面到侧面的最短距离大于10cm。因此，太阳能电池单元的有效面积大于100cm2。这种光伏充电器例如对于对平板电脑进行充电是有用的。
例如，电子装置是头戴式耳机、平板电脑或移动电话中的任何一种。例如，电子装置是包括用于伸到佩戴者的头部上方的头带的头戴式电话，其中光伏充电器被布置在头带的顶表面上。例如，电子装置是平板电脑，其中光伏充电器被集成在平板电脑中或平板电脑的壳体中。例如，便携式电子装置是移动电话，其中，光伏充电器集成在移动电话中或移动电话的壳体中。
本发明的另一目的在于提供一种用于生产太阳能电池单元的方法。
该方法包括：
制备包括传导粒子的第一油墨，
制备包括传导粒子和催化粒子的混合物的第二油墨，
设置多孔绝缘基底，
在多孔绝缘基底的第一侧面上沉积第一油墨的第一层，
在多孔绝缘基底的第二侧面上沉积第二油墨的第二层，
烧结具有沉积的层的多孔绝缘基底，以将第一层转化为多孔的第一传导层并将第二层转化为多孔催化传导层，以及
在空气中加热具有烧结的传导层的多孔绝缘基底，以在第一传导层的表面上形成氧化钛。
该方法还包括在多孔的第一传导层的顶部上布置多孔的光吸收层，将离子基电解质渗透到多孔层中，并密封太阳能电池单元。
该方法的至少一些步骤可以以不同的顺序进行，例如，可以在第一层之前沉积第二层。例如，在空气中加热可以与在多孔的第一传导层的顶部上产生光吸收层同时进行。
附图说明
图1示出了染料敏化太阳能电池单元的第一示例。
图2示出了染料敏化太阳能电池单元的第二示例。
图3示出了根据本发明的一个或更多个实施例的光伏充电器的俯视图。
图4以放大图示出了穿过图3所示的光伏充电器的横截面。
图5示出了针对具有包括碘化物和三碘化物离子的电解质的太阳能电池单元的第三示例、针对200Lux至20000Lux之间的光强度生成的电压(mV)的测量值的图。
图6示出了基于针对太阳能电池单元的第三示例、针对200Lux至20000Lux之间的光强度生成的电流(μA/cm2)的测量值的图。
图7示出了基于针对具有包括碘化物和三碘化物离子的电解质的太阳能电池单元的第三示例、针对200Lux至20000Lux之间的光强度，每单位面积生成的功率(μW/cm2)的测量值的图。
图8示出了针对具有包括铜离子的电解质的太阳能电池单元的第三示例、针对200Lux至50000Lux之间的光强度生成的电压(mV)的测量值的图。
图9示出了基于针对具有包括铜离子的电解质的太阳能电池单元的第三示例、针对200Lux至50000Lux之间的光强度生成的电流(μA/cm2)的测量值的图。
图10示出了基于针对具有包括铜离子的电解质的太阳能电池单元的第三示例、针对200Lux至50000Lux之间的光强度，每单位面积生成的功率(μW/cm2)的测量值的图。
具体实施方式
下文将参照附图更全面地描述本公开的各方面。然而，本文所公开的染料敏化太阳能电池单元和光伏充电器可以以许多不同的形式实现，并且不应被解释为限于本文阐述的方面。附图中相同的标号始终表示相同的元件。
本文所用的术语仅是为了描述本公开的特定方面，而不是要限制本发明。
除非另有定义，否则本文所用的所有术语具有与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。
图1示出了染料敏化太阳能电池单元1的一个示例。太阳能电池单元1包括工作电极，该工作电极包括光吸收层10和用于从光吸收层10提取光生电子的多孔的第一传导层12。优选地，光吸收层10是多孔的。光吸收层10布置在第一传导层12的顶部上。太阳能电池单元1还包括由绝缘材料制成的多孔绝缘层105，其中，第一传导层12布置在多孔绝缘层105的顶部上。例如，多孔绝缘层105是多孔基底。
太阳能电池单元1具有对电极，该对电极包括多孔催化传导层106，该多孔催化传导层106包括多孔传导材料107'和分布在多孔传导材料107'中的催化粒子107”，催化粒子107”用于改善电子向设置在多孔催化传导层106的孔中的电解质110的转移。在一个方面，多孔催化传导层106的传导材料107'包括传导粒子107'。例如，多孔催化传导层106包括传导粒子107'和催化粒子107”的混合物，如图1中右边的放大图所示。优选地，催化粒子107”基本上均匀地分布在催化传导层106的传导材料107'中。
多孔催化传导层106被布置在与第一传导层相比的绝缘层的相对侧面上且与多孔绝缘层105相邻。
在一个方面，太阳能电池单元1的对电极包括第二传导层16，该第二传导层包括传导材料。多孔催化传导层106被布置在多孔绝缘层105和第二传导层16之间。催化传导层106与第二传导层16电接触，第二传导层16本质上是非催化的。第一传导层12、催化传导层106和绝缘层105是多孔的，以允许电解质穿孔穿过这些层到达光吸收层10。在一个方面，第二传导层也是多孔的。在一个替代实施例中，可以省略第二传导层16。
太阳能电池单元1还包括用于在对电极和工作电极之间转移电荷的离子基电解质110。例如，离子基电解质是液体或胶体。离子基电解质位于多孔层(例如多孔的第一传导层12、催化传导层106、多孔绝缘层105和光吸收层10)的孔中。如果第二传导层是多孔的，离子基电解质也可以位于第二传导层16的孔中。
多孔催化传导层106中的传导材料是对电极的一部分。因此，由于催化传导层106和第二传导层16电接触，光吸收层10和第二传导层16之间的有效距离更短，因此降低了传导介质中的电阻损耗。此外，催化粒子107″促进电子从多孔催化传导层中的传导材料107'转移到电解质110。
在一个方面，催化传导层106包括传导粒子107'和催化粒子107″的混合物。传导粒子与第二传导层16电接触。优选地，传导粒子是非催化的并且不包括催化材料。传导粒子和催化粒子的混合物将导致电子从催化传导层到电解质的有效转移。
催化传导层的传导粒子包括传导材料，并与第二传导层16电接触。催化粒子分布在传导粒子中。传导粒子充当催化粒子的支持物并将催化粒子保持在适当的位置。传导粒子可以形成用于容纳催化粒子并将催化粒子保持在适当位置的基体。例如，基体包括烧结的金属粒子。
在一个方面，催化粒子基本上均匀地分布在传导粒子中。通过将催化粒子基本上均匀地分布在催化传导层中，改善了电子从传导粒子向电解质的转移。在一个方面，传导粒子例如通过烧结彼此附着。传导粒子可以形成容纳催化粒子的基体。催化粒子嵌入在传导粒子的基体中。例如，催化传导层包括烧结的传导粒子，并且催化粒子设置在传导粒子之间。传导粒子用作催化粒子之间的胶，并将催化粒子保持在传导粒子之间的适当位置。
在一个方面，至少80％的催化粒子107”具有小于50nm的直径。这种小粒子具有大的表面/体积比，并且将提供具有减小体积的催化材料的有效催化。如果催化材料是铂，这将降低催化材料的成本。在一个方面，至少80％的传导粒子具有大于100nm的直径。优选地，传导粒子的尺寸在0.1μm-15μm之间。
第一传导层12和第二传导层16的传导材料可以是例如金属、金属合金、金属氧化物或其它传导材料(例如钛、钛合金、镍或镍合金)。适当地，第一传导层12和第二传导层16包括钛或钛合金。例如，第一传导层和第二传导层的传导材料是钛。例如，第一传导层12可以包括烧结的钛粒子以便成为多孔的。使用钛是有利的，因为它是高度耐腐蚀的，而离子基电解质通常是非常腐蚀性的。
催化传导层106中的传导材料107'可以由例如金属、金属合金、金属氧化物或其它传导材料(例如钛、钛合金、镍或镍合金、铟或氧化铟)制成。催化粒子107”例如由诸如石墨烯或石墨或炭黑或碳纳米管的碳基材料、铂或它们的组合制成。
在一个方面，催化粒子107”包括碳粒子。碳是廉价的和环境友好的。更优选地，催化粒子107”包括镀铂的碳粒子。铂是比碳更好的催化剂，但它是昂贵的。通过使用铂和碳的组合，以较低的成本获得了良好的催化剂。催化粒子可以是导电的以及催化的。例如，碳是导电的以及催化的。然而，与诸如钛的其它传导材料相比，碳是不良导体。
第一传导层12和第二传导层16的电导率可以高于催化传导层106的电导率。具有传导材料和催化粒子的混合物的催化传导层106与基本上没有催化粒子的第二传导层16的组合将带来电子从对电极的传导粒子107'到电解质的有效转移以及对电极的高电导率。
优选地，催化传导层包括重量占1％-50％的催化粒子。实现电子从传导材料到电解质的有效转移所需的催化粒子的重量百分比取决于催化粒子的尺寸和形状以及催化粒子中的材料类型和传导材料的类型。例如，催化传导层可以包括重量占5％-30％的催化粒子。例如，当传导粒子由钛组成并且催化粒子由镀铂的碳组成时，该范围是合适的。然而，如前所述，催化粒子的重量百分比取决于粒子的尺寸。
例如，如果催化传导层106中的传导材料107'是钛，则催化粒子107″包括镀铂碳，且催化粒子107″的尺寸小于传导粒子107'的尺寸，催化传导层106可包括重量占5％-30％的催化粒子107″，以提供电子到电解质的有效转移。例如，催化传导层包括重量占50％和90％之间的钛、重量至少占5％的碳、以及重量至少占0.001％的铂。钛具有良好的机械强度，并将镀铂碳粒子保持在它们在催化传导层中的位置。因此，碳、铂和钛一起提供了具有高机械强度和将电子转移至电解质的高能力的催化传导层。
在一个方面，催化传导层106的厚度t1至少为1μm，优选地至少为5μm，最优选地至少为10μm。在一个方面，催化传导层106的厚度t1小于100μm，优选地小于20μm。在一个方面，多孔绝缘层105的厚度t2在0.1μm和20μm之间，优选地在0.5μm和10μm之间。在一个方面，第二传导层16的厚度t4至少为1μm，优选地至少为10μm，并且优选地为至少20μm。
第一传导层12包括形成在传导材料表面上的绝缘氧化物层109，如图1中左侧的放大图所示。该氧化物层109例如通过氧化第一传导层的传导材料而形成。传导材料合适地包括例如钛的金属或金属合金。当传导材料的表面暴露于空气时，传导材料的表面被氧化。氧化物层109可以通过在氧化环境中执行第一传导层的热处理使得传导材料被氧化而形成。绝缘氧化物层109提供传导材料上的电绝缘层，其至少部分地阻止第一传导层12与设置在第一传导层12的孔中的电解质之间的电子转移。
在一个方面，第一传导层12包括多孔钛和形成在多孔钛表面上的氧化钛层109，使得氧化物层109与第一传导层的多孔钛电绝缘，并且由此阻止电子从第一传导层中的多孔钛泄漏到第一传导层的孔中的电解质。因此，太阳能电池单元的效率增加。例如，第一传导层12包括烧结的钛粒子107，并且烧结的钛粒子107的表面由氧化钛层109覆盖，如图1中左边的放大图所示。在一个方面，氧化钛层的厚度大于5nm，优选地大于10nm，并且更优选地大于20nm。在一个方面，氧化钛层的厚度在10nm和200nm之间，优选地在20-50nm之间。
特别地，阻止电子从第一传导层泄漏到液体基电解质的绝缘氧化物层109与包括催化传导层106和非催化传导层16的对电极的组合将产生能够在宽范围的不同光条件下产生电力的高效的太阳能电池单元，该催化传导层106包括分布在多孔传导材料107中的催化粒子107″，该非催化传导层16提高了对电极的效率。太阳能电池单元在差的以及极好的照明条件(例如，在室内的人造光下、在室外的阴影下和当暴露于强的阳光下时)期间工作。
在一个方面，电解质是碘化物/三碘化物电解质、铜络合物基电解质或钴络合物基电解质中的任一种或它们的组合。在一个方面，电解质包括碘化物(I-)和三碘化物(I3 -)，并且传导介质中三碘化物的含量在1mM至20mM之间。该实施例使得可以在低光强度下实现高功率。
多孔绝缘层105的绝缘材料为例如位于第一传导层12与催化传导层106之间、使第一传导层12与催化传导层106绝缘的无机材料。多孔绝缘层105例如由玻璃纤维、陶瓷微纤维或通过使层状晶体(如2D材料或纳米片)分层而得到的材料制成。
太阳能电池单元1可以包括多孔基底。多孔绝缘层105可以包括如图1所示的整个基底，或者仅包括如图2所示的多孔基底114的一部分114a。根据一个方面，多孔基底是包括延伸穿过整个太阳能电池单元的织造微纤维(woven microfiber)的片。例如，织造微纤维由玻璃纤维制成。
图2示出了包括由绝缘材料制成的多孔基底114的染料敏化太阳能电池1'的示例。图1和2中相同或相应的部件用相同的数字表示。太阳能电池1'和1之间的区别在于多孔催化传导层106'包括多孔基底114的第一部分114a，且多孔绝缘层105包括多孔基底114的第二部分114b。催化传导层106'包括设置在多孔基底114的第一部分114a的孔中的传导粒子107'和催化粒子107″。催化传导层106'的传导粒子107'形成穿过多孔基底114的该部分114a的绝缘材料的传导网络209。传导网络209形成穿过多孔基底的第一部分114a的绝缘材料的一个或更多个传导路径。传导粒子107'和催化粒子107″设置在多孔基底114的孔中。优选地，粒子的尺寸小于多孔基底中的孔的尺寸，以能够在太阳能电池的生产期间穿孔到基底中。传导网络209提供第二传导层的延伸，该第二传导层延伸到多孔基底114中。由于多孔基底中的传导网络，对电极和光吸收层之间的距离不再取决于多孔基底的厚度。因此，绝缘层的厚度可以减小，并且由此可以减小对电极和光吸收层之间的距离。因此，电解质中的电阻损耗降低。
下面，简要说明用于制造太阳能电池单元1的方法的一个示例。
1)制备包括由导电材料制成的传导粒子的第一油墨。传导粒子例如由氢化钛制成。
2)制备包括传导粒子和催化粒子的混合物的第二油墨。传导粒子例如由氢化钛(TiH2)制成，催化粒子例如是镀铂的碳粒子。
3)设置例如玻璃织物的多孔绝缘基底。
4)例如，通过在多孔绝缘基底的一个侧面上印刷包括氢化钛粒子的第一油墨，在多孔绝缘基底的一个侧面上沉积传导粒子。
5)然后使印刷的第一油墨在空气中干燥，
6)例如通过在多孔绝缘基底的另一侧面上印刷包括氢化钛粒子和镀铂碳粒子的第二油墨，在多孔绝缘基底的另一侧面上沉积催化粒子和传导粒子的混合物。
7)然后使印刷的第二油墨在空气中干燥，
8)例如通过将包括氢化钛粒子的第一油墨印刷在催化粒子和传导粒子的混合物层上，在催化传导层的顶部沉积传导粒子。
9)然后使印刷的第一油墨在空气中干燥，
10)然后，例如在600℃下真空烧结具有印刷的层的多孔绝缘基底一小时。在烧结过程中，氢化钛转化为钛。因此，在烧结工艺期间形成包括烧结钛的第一传导层、包括烧结钛的第二传导层、以及包括烧结钛和设置在烧结钛之间的孔中的镀铂碳粒子的催化传导层。
11)在空气中加热具有烧结传导层的多孔绝缘基底，以在第一传导层的烧结钛的表面上形成氧化钛。
12)TiO2基油墨被印刷在第一传导层的顶部，然后干燥。将具有这些层的玻璃纤维织物加热到例如600℃。因此，烧结沉积的TiO2层。
13)烧结的TiO2层经染料敏化形成光吸收层，
14)离子电解质(例如，碘化物/三碘化物(I-/I3 -)基氧化还原电解质)渗入多孔层中。
15)例如通过透明封装密封太阳能电池。
或者，步骤11可与步骤12中的烧结TiO2层同时进行。
多孔传导层可以通过丝网印刷、槽模涂布、喷涂或湿法成网中的任一种沉积在多孔基底上。
在步骤11的热处理期间，在催化传导层上也形成氧化钛。可以假定催化传导层上的氧化物层将阻止电子在传导材料和设置在催化传导层的孔中的电解质之间转移。惊奇的是，已经发现，尽管在催化传导层的传导材料上存在氧化物层，但催化粒子(例如镀铂的碳粒子)能够使电子从传导材料转移到电解质。
图3示出了光伏充电器200的示例的俯视图。光伏充电器200特别适合于为可在室内以及室外使用的便携式电子装置供电，所述便携式电子装置诸如耳机、膝上型计算机、平板电脑、移动电话和遥控单元。光伏充电器200还可用于对嵌入在称为物联网(IoT)的其他物理装置(诸如车辆和家用电器)中的小型电子装置供电。
光伏充电器200包括太阳能电池单元1、封装太阳能电池单元1的封装5、第一导体18和第二导体20。光伏充电器还可以包括用于将光伏充电器200连接到电子装置的连接元件(未示出)。太阳能电池单元200是单片型DSC。单片型的DSC与标准DSC的不同之处在于，单片型的DSC在单个基底上产生并具有设置在基底上的多层。
封装包括多个穿孔(penetration)，该穿孔连接到第一导体和第二导体，用于将光伏装置连接到外部装置。换句话说，在封装中存在穿孔，用于获取由光伏装置产生的电力。一些种类的布线将穿过穿孔。例如，第一导体和第二导体可以通过穿孔延伸出封装以连接到用于为外部装置供电的布线。或者，来自封装外部的导线穿过穿孔并电连接到第一导体和第二导体。穿孔围绕穿过封装的布线紧密适配，使得没有气体或液体可以穿过穿孔。例如，穿孔是围绕穿过封装的布线紧密适配的封装中的开口。
封装5包括多个穿孔7a-b，多个穿孔7a-b被布置成与第一导体18和第二导体20连接，用于将光伏装置1连接到外部装置，并且由此访问由光伏装置产生的电力。例如，穿孔是封装中的引线穿过开口。一些种类的布线将穿过开口。例如，如图3所示，第一导体18和第二导体20可以通过穿孔7a-b延伸出封装以连接到用于为外部装置供电的布线。或者，来自封装外部的导线穿过穿孔并且电连接到第一导体和第二导体。穿孔围绕布线紧密适配，使得没有气体或液体能够穿过穿孔。当封装布置在太阳能电池单元1上时，通过使应当穿过孔的导线或导***于适当位置，可以制造穿孔。封装包括顶片5a和底片5b，顶片5a和底片5b是例如在太阳能电池单元1上装配在一起的粘合膜。或者，顶片和底片由柔性塑料材料制成，且顶片和底片的边缘通过熔化塑料材料而彼此粘合。如果在粘合之前导线/导体已经位于片之间的合适位置，且在片的边缘处突出，则在粘合期间将产生穿孔。或者，穿孔包括在封装太阳能电池单元之后形成的封装中的通孔。在导线/导体已经布置在通孔中之后，通孔被密封。穿孔的位置将取决于第一导体和第二导体的位置。穿孔的数量可以变化。对于第一导体和第二导体中的每一个，至少存在一个穿孔。然而，也可以具有用于第一导体和第二导体中的每一个的多个穿孔。
图4示出了图3所示的光伏充电器200的一部分的横截面的放大。光伏充电器200包括将参考图1和2更详细地描述的一个太阳能电池单元1或太阳能电池单元1'。例如，光吸收层10包括染色的TiO2。可以使用本领域已知的常规染料。选择染料以提供太阳能电池的良好效率，尤其是与铜基传导介质组合。光吸收层10布置在第一传导层12的顶部。多孔的光吸收层10为沉积在第一传导层12上的多孔TiO2层。TiO2层包括TiO2粒子，该TiO2粒子通过吸收TiO2粒子表面的染料分子而染色。光吸收层10位于太阳能电池单元1的顶面上，该顶面应该面向光，以允许光撞击工作电极的染料分子。
第一传导层12与光吸收层10直接电接触。在该示例中，第二传导层16是多孔的。然而，在替代实施例中，第二传导层16不必是多孔的。例如，第二传导层可以由金属箔制成。在该示例中，多孔绝缘层105包括多孔基底的至少一部分。多孔基底提供第一传导层12与催化传导层106之间的电绝缘。第一传导层12和催化传导层106通过多孔基底物理地和电气地分离。多孔基底的多孔性将使得离子能够穿过绝缘层105传输。第一传导层12和催化传导层106的多孔性将使得能够在对电极和工作电极之间进行离子传输。
光伏充电器200仅包括一个单个的太阳能电池单元1。至少第一传导层12和多孔基底连续地延伸穿过整个太阳能电池单元。光吸收层10和第二传导层16至少连续地延伸穿过太阳能电池单元的主要部分。
太阳能电池单元1填充有用于在对电极和光吸收层10之间转移电荷的电解质。该电解质例如是常规的I-/I-3电解质或类似的电解质，或者铜(Cu)基电解质，或者钴(Co)络合物基电解质。电解质包括离子，例如，碘离子(I-)和碘三离子(I3 -)或铜离子(Cu2+和Cu+)。阳光被染料收集，产生光激发的电子，电子被注入TiO2粒子的导带并进一步被第一传导层收集。同时，电解质中的离子将电子从第二传导层传输到光吸收层10。第一导体18从第一传导层收集电子，第二导体向第二传导层提供电子，使得太阳能电池单元可以从入射光子连续地产生电力。
电解质穿透光吸收层10、第一传导层12、多孔绝缘层105、第二传导层16和催化传导层106的孔，以允许离子在光吸收层10和第二传导层16之间转移，并由此将电子从工作电极转移到光吸收层。
存在许多可以使用的染料，根据某些方面，染料包括三芳胺有机染料，三芳胺有机染料包括供体-π桥-受体(D-π-A)类和供体-受体-π桥-受体(D-A-π-A)类染料中的任何一种或它们的混合物。这种染料尤其在与铜基传导介质结合时提供良好的太阳能电池效率。第一类光敏剂是例如取代的(二苯基氨基苯基)-噻吩-2-氰基丙烯酸((diphenylaminophenyl)-thiophene-2-cyanoacrylic acids)或取代的(二苯基氨基苯基)环戊-二噻吩-2-氰基丙烯酸((diphenylaminophenyl)cyclopenta-dithiophene-2-cyanoacrylic acids)。第二类是例如取代的(((二苯基氨基苯基)苯并噻二唑基)-环戊二噻吩)芳基/杂芳基-2-氰基丙烯酸((((diphenylaminophenyl)benzothia-diazolyl)-cyclopentadithiophenyl)aryl/heteroaryl-2-cyanoacrylic acids)或(((二苯基氨基苯基)-环戊二噻吩)苯并噻二唑基)芳基/杂芳基-2-氰基丙烯酸((((diphenyl-aminophenyl)-cyclopentadithiophenyl)benzothiadiazolyl)aryl/heteroaryl-2-cyano-acrylic acids)。
第一导体18与第一传导层12电连接，第二导体20与第二传导层16电连接。例如，第一导体和第二导体由金属制成以实现高导电性。
封装5包括覆盖太阳能电池单元1的顶面的顶片5a和覆盖太阳能电池单元的底面的底片5b。封装5封装太阳能电池单元和电解质，并且用作电解质的液体屏障，并且阻止电解质从光伏充电器200泄漏。顶片5a是透明的，或者至少覆盖太阳能电池单元1的有效面积的那部分是透明的。太阳能电池单元的顶面上的顶片5a覆盖光吸收层10并允许光通过。例如，顶片和底片5a-b由聚合物材料制成。聚合物材料是坚固的和耐冲击的，并且是柔性的。顶片和底片5a-b在边缘处密封，以便保护太阳能电池单元免受周围大气影响，并且阻止电解质从太阳能电池单元内部蒸发或泄漏。
在一个实例中，多孔基底是包括织造微纤维的织物的片。微纤维是直径小于10μm且大于1nm的纤维。织造微纤维的织物可以制得非常薄并且机械强度非常高。织造微纤维的织物在织造纱线之间包括孔洞。多孔基底还可包括一层或更多层非织造微纤维，该非织造微纤维设置在织造微纤维上以至少部分地堵塞纱线之间的孔洞。此外，非织造层在基底上提供了光滑表面，适合于通过印刷在基底上施加光滑的传导层。基底是例如由玻璃、二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、铝硅酸盐或石英制成。适当地，多孔基底的非织造微纤维和织造微纤维由玻璃纤维制成，这提供了坚固且柔性的基底。织造微纤维的织物的厚度适当地在4μm和30μm之间，优选地在4μm和20μm之间，以提供所需的机械强度，同时它足够薄以使得离子能够在对电极和工作电极之间快速传输。
在一个方面，光吸收层10和第一传导层12是不透明的。在本示例中，如图3所示，太阳能电池单元1的上表面是单一的黑色。光吸收层的TiO2是黑色。没有如现有技术的太阳能电池板中那样的延伸穿过太阳能电池单元1的表面的导体。这是因为光伏充电器200仅包括一个单个的太阳能电池单元，而不是如在现有技术的光伏充电器中使用的太阳能电池板中那样包括多个串联连接的太阳能电池单元。
太阳能电池单元的尺寸，即太阳能电池单元的长度和宽度，可以根据其适于充电的装置而变化。因此，太阳能电池单元的有效面积可以根据待充电装置所需的功率而变化。对太阳能电池单元的可能形状和尺寸没有限制。例如，太阳能电池单元的尺寸可以在具有1cm2的有效面积的1cm×1cm和具有1m2的有效面积的1m×1m之间变化。太阳能电池单元的长度和宽度没有上限。然而，大于1m×1m的太阳能电池单元在太阳能电池单元的制造期间可能处理起来是笨重的。
光伏充电器200包括单个太阳能电池单元1和电连接至第一导体18和第二导体20的升压转换器22。升压转换器，也称为增压转换器(step-up converter)或增压调节器(step-up regulator)，是DC到DC功率转换器，DC到DC功率转换器在将电流从其输入降压到其输出的同时将电压升压。由单个太阳能电池单元产生的电压太低，以至于不能对某些类型的电池(例如，需要至少3.6V的锂电池)充电。升压转换器适于在降低来自太阳能电池单元的电流的同时升高来自太阳能电池单元1的电压。通过将升压转换器连接到单个太阳能电池单元来实现所需的电压电平。因此，可以提供一种仅具有一个能够对需要不同电压电平的电池进行充电的单个太阳能电池单元的光伏充电器。
光伏充电器200包括连接元件3、4，用于将光伏充电器连接到其正在充电的电子装置的电池。升压转换器22包括电连接到第一导体18和第二导体20的输入端子和电连接到连接元件3、4的输出端子。
所生成的电压的电平取决于电解质中的离子。例如，如果电解质包括铜离子，则当光吸收层接收的光强度为20000Lux时，太阳能电池单元在开路中生成约1V的电压，且如果电解质包括碘离子和碘三离子，则当光吸收层接收的光强度为20000Lux时，太阳能电池单元在开路中生成约0.65V的电压。但是，当光吸收层接收的光强度在200Lux和20000Lux之间变化时，太阳能电池单元1在开路中生成最多变化0.4V的电压。对升压转换器的电压转换的要求取决于可再充电电池的电压要求。用于消费者应用的电子装置的大多数类型的可再充电电池需要1V到10V之间的电压。升压转换器使得可以生成可再充电电池所需电平的稳定电压。优选地，升压转换器22能够将来自太阳能电池单元的输出电压和电流转换为位于1V和10V之间的电压电平。根据所需的输出电压，可以使用不同的升压转换器。因此，光伏充电器能够对用于许多类型的电子装置的电池(例如锂电池(3.6V)、NiCd和NiMH电池(1.25V))充电。
从测试中已经表明，当光吸收层接收的光强度为200Lux时，太阳能电池单元能够产生至少15μA/cm2的电流，当光吸收层接收的光强度为20000Lux时，太阳能电池单元能够产生至少1500μA/cm2的电流。因此，太阳能电池单元能够产生足够的电力以在宽范围的光强度下对电子装置的电池进行充电。
根据一些方面，至少第一传导层12和多孔基底114连续地延伸穿过整个太阳能电池单元1。光吸收层10和第二传导层16至少连续地延伸穿过太阳能电池单元的主要部分。
在本发明的光伏充电器的一个示例中，对不同光照条件下单位面积生成的电力进行了测量，该光伏充电器包括一个单个太阳能电池单元1。在该示例中，太阳能电池单元1的尺寸为14.5cm×23.4cm，有效面积为340cm2。太阳能电池单元1的电解质包括碘离子和碘三离子，且第一传导层和第二传导层由钛(Ti)制成。将空载的光伏充电器暴露于200Lux至20000Lux(流明/平方米)之间的光下，并测量来自光伏充电器的输出电压和输出电流。测量结果示于下表1中。基于所测量的电流和电压确定所产生的总功率，并且通过将总功率除以太阳能电池单元的有效面积来确定单位面积所产生的功率。
Lux μW/cm2 Isc(μA/cm2) Voc(mV) ff(％)
200 6，2 18 483 72
500 18 44 521 77
1000 37 90 542 76
2000 80 179 565 79
3000 123 266 576 80
5000 208 445 591 79
6000 249 531 600 78
10000 405 880 614 75
20000 730 1700 650 69
表1针对具有包括碘离子(I-)和碘三离子((I3 -)的电解质的太阳能电池单元1、针对200Lux-20000Lux之间的光强度生成的单位有效面积的功率、单位有效面积的电流、电压和填充因子(ff)的测量。三碘化物的含量为1mM和20mM之间。碘化物用作氧化剂，三碘化物用作还原剂。
通过将光照射在太阳能电池单元上，并同时扫描施加在太阳能电池单元上的电压以测量和收集太阳能电池的电流-电压响应，可以测量太阳能电池单元1在不同光强度(以Lux单位测量的强度)下的性能。使用暖白色LED作为光源进行测量。
在光照下收集的IV曲线提供关于开路电压、短路电流、填充因子、功率和功率转换效率的信息。通过收集不同光强度下的IV曲线，可以分别收集关于光强度与开路电压、短路电流、填充因子、功率和功率转换效率的依赖性信息。
表1的结果来自于对太阳能电池单元1的样品的测量。对这种类型的不同太阳能电池单元的测量可以变化。例如，生成的单位面积功率可以是5μW/cm2至8μW/cm2。
用于将光照射在太阳能电池上的光源可根据太阳能电池应用而变化。对于室内应用，使用荧光灯泡或室内LED照明可能是有用的。对于使用室外光的太阳能电池应用，使用太阳模拟器将光照射在太阳能电池上以产生人造阳光可能是有用的。
光源的光强度可以以不同的方式测量，例如，使用相对于光源位于与太阳能电池单元相同的位置处的照度计或分光辐射度计。在这种情况下，使用照度计测量光强度。
表1示出了针对以勒克斯为单位测量的不同光强度所确定的以微瓦每平方厘米为单位的功率(μW/cm2)。从表中可以看出，当由太阳能电池单元1接收的光强是200Lux时，太阳能电池单元1生成6.2μW/cm2，当由太阳能电池单元1接收的光强是5000Lux时，太阳能电池单元1生成208μW/cm2，且当由太阳能电池单元1接收的光强是20000Lux时，太阳能电池单元1生成730μW/cm2。这表明当光吸收层接收的光强度为200Lux时，光伏充电器能够产生大于5μW/cm2，甚至大于5.5μW/cm2。这还表明，当光吸收层接收的光强度是20000Lux时，光伏充电器能够产生大于700μW/cm2。因此，当光吸收层接收的光强度在200Lux至20000Lux之间时，太阳能电池单元1至少能够产生5.5μW/cm2至700μW/cm2。当光吸收层接收的光强度从200Lux增加到20000Lux时，由光伏充电器产生的功率基本上线性地增加。因此，光伏充电器能够在宽范围的不同光条件下产生电力。
图5示出了基于表1的测量值的针对200Lux至20000Lux之间的光强度生成的电压(mV)的图。从图和表1可以看出，当太阳能电池单元1接收的光强为200Lux时，太阳能电池单元1能够在开路中生成480mV的电压。此外，当太阳能电池单元1接收的光强度为20000Lux时，光伏充电器200能够在开路中生成650mV的电压。从图中可以看出，生成的电压的增加在200Lux和3000Lux之间最大。生成的电压在3000Lux和20000Lux之间基本上是线性的。从表1可以看出，200Lux至20000Lux之间生成的电压的差仅为167mV。因此，当光吸收层接收的光强度在200Lux和20000Lux之间变化时，太阳能电池单元1在开路中生成变化小于0.2V的电压。因此，200Lux与20000Lux之间的生成的电压的差约为35％。
图6示出基于表1的测量值的针对200Lux至20000Lux之间的光强度生成的电流(μA/cm2)的图。从图中可以看出，电流线性增加。
图7示出了基于表1的电压和电流的测量值计算的针对200Lux至20000Lux之间的光强度的单位面积生成的功率(μW/cm2)的图。从图中可以看出，测量的功率基本上与200Lux-20000 Lux区间内的入射光强度成正比。
已经对本发明的光伏充电器的另一个示例在不同光条件下生成的单位面积功率进行了进一步的测量。在该示例中，太阳能电池单元1的电解质包括铜离子(Cu+和Cu2+)，这是所测量的光伏充电器之间的唯一差异。测量条件相同。将空载的光伏充电器200暴露于200Lux至20000Lux(流明/平方米)之间的光，并且测量来自光伏充电器的输出电压和输出电流。测量结果示于下表2中。
Lux μW/cm2 Isc(μA/cm2) Voc(mV) ff(％)
0 0 0 0 0
200 12，8 25 699 72，7
500 38 67 762 74，3
1000 85，4 140 800 76，1
2000 186 290 835 77，1
5000 498 737 881 76，6
10000 1020 1490 915 75，1
20000 2020 2960 943 72，3
30000 2920 4390 954 69，7
40000 3720 5750 958 67，6
50000 4410 7000 958 65，8
表2针对具有包括铜离子的电解质的太阳能电池单元1、针对200Lux-20000Lux之间的光强度生成的单位面积功率、单位面积电流、电压和填充因子(ff)的测量；Cu+作为还原剂，Cu2+为氧化剂。
从表2可知，在太阳能电池单元1接收的光强度为200Lux时，太阳能电池单元1生成12.8μW/cm2；在太阳能电池单元1接收的光强度为5000Lux时，太阳能电池单元1生成498μW/cm2；在太阳能电池单元1接收的光强为20000Lux时，太阳能电池单元1生成2020μW/cm2。这表明当光吸收层10接收的光强度为200Lux时，该光伏充电器200能够产生大于12μW/cm2。这还示出了当光吸收层10接收的光强度为20000Lux时，光伏充电器200能够产生超过2000μW/cm2。当光吸收层接收的光强度从200Lux增加到20000Lux时，由光伏充电器产生的功率基本上线性地增加。因此，光伏充电器200能够在宽范围的不同光条件下产生电力。
图8示出了基于表2的测量值的针对200Lux至50000Lux之间的光强度生成的电压(mV)的图。从图和表2可以看出，当太阳能电池单元1接收的光强是200Lux时，太阳能电池单元1能够在开路中生成699mV的电压。此外，当太阳能电池单元1接收的光强度为20000Lux时，光伏充电器200能够在开路中生成943mV的电压。从图中可以看出，所生成的电压在3000Lux和50000Lux之间基本上是线性的。从表2可以看出，在200Lux至20000Lux之间，所生成的电压的差仅为244mV。因此，在200Lux与20000Lux之间，所生成的电压的差约为35。在200Lux和50000Lux之间，所生成的电压的差仅为259mV。因此，当光吸收层接收的光强度在200Lux和50000Lux之间变化时，太阳能电池单元1在开路中生成变化小于300mV的电压。因此，在200Lux和50000Lux之间，所生成的电压的差约为37％。
图9示出了基于表2的测量值的针对200Lux至50000Lux之间的光强度生成的电流(μA/cm2)的图。从图中可以看出，电流线性增加。
图10示出了基于表1的电压和电流的测量值计算的针对200Lux至50000Lux之间的光强度生成的单位面积功率(μW/cm2)的图。从图中可以看出，测量的功率基本上与200Lux-20000Lux区间内的入射光强度成正比。
本发明并不限于所公开的实施例，而是可以在所附权利要求的范围内进行变化和修改。例如，可以省略第二传导层16。省略第二传导层可以减小太阳能电池单元可以产生足够的电力用于为装置供电的不同光条件的范围。然而，在一些应用中，光条件变化不大，并且能够在较小范围内产生电力的太阳能电池单元是足够的。

Claims (16)

1.一种染料敏化太阳能电池单元(1；1')，包括：
工作电极，所述工作电极包括多孔的光吸收层(10)，
多孔的第一传导层(12)，所述第一传导层(12)包括用于从所述光吸收层(10)提取光生电子的传导材料，其中，所述光吸收层布置在所述第一传导层的顶部上，
多孔绝缘层(105)，所述多孔绝缘层(105)由绝缘材料制成，其中，所述第一传导层(12)形成在所述多孔绝缘层(105)的一个侧面上，
对电极，所述对电极包括形成在所述多孔绝缘层(105)的相对侧面上的多孔催化传导层(106；106')，以及
离子基电解质，所述离子基电解质用于将电子从所述对电极转移到所述工作电极，且所述离子基电解质布置在所述多孔的第一传导层(12)、所述多孔催化传导层(106；106')和所述多孔绝缘层(105)的孔中，其中，所述第一传导层(12)包括形成在所述传导材料的表面上的绝缘氧化物层(109)，且所述多孔催化传导层(106；106')包括传导材料(107')和分布在所述传导材料(107')中的催化粒子(107")，所述催化粒子(107")用于改善电子从所述传导材料到所述电解质的转移。
2.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池单元，其中，所述催化粒子(107")基本上均匀地分布在所述多孔催化传导层(106；106')的所述传导材料(107')中。
3.根据前述权利要求中任一项所述的染料敏化太阳能电池单元，其中，所述多孔催化传导层(106)的所述传导材料(107')形成多孔基体，且所述催化粒子(107")分布在所述多孔基体中。
4.根据前述权利要求中任一项所述的染料敏化太阳能电池单元，其中，所述催化传导层(106；106')包括重量占1％-50％的催化粒子(107")。
5.根据前述权利要求中任一项所述的染料敏化太阳能电池单元，其中，所述对电极包括第二传导层(16)，所述第二传导层(16)包括与所述多孔催化传导层(106；106')电接触的传导材料，其中，所述第二传导层(16)基本上是非催化的，且所述多孔催化传导层(106；106')设置在所述多孔绝缘层(105)与所述第二传导层(16)之间。
6.根据前述权利要求中任一项所述的染料敏化太阳能电池单元，其中，所述第一传导层(12)的所述传导材料(107')是钛，且所述绝缘氧化物层(109)是形成在所述钛的表面上的氧化钛。
7.根据前述权利要求中任一项所述的染料敏化太阳能电池单元，其中，所述催化粒子(107”)是镀铂碳粒子。
8.根据前述权利要求中任一项所述的染料敏化太阳能电池单元，其中，所述多孔催化传导层(106；106')的所述传导材料(107')是钛。
9.根据前述权利要求中任一项所述的染料敏化太阳能电池单元，其中，所述多孔催化传导层(106；106')的所述传导材料(107')是钛，所述催化粒子(107”)是镀铂碳粒子，且所述多孔催化传导层包括重量占50％至90％的钛、重量至少占5％的碳和重量至少占0.001％的铂。
10.根据前述权利要求中任一项所述的染料敏化太阳能电池单元，其中，至少80％的所述催化粒子(107”)具有小于50nm的直径。
11.根据前述权利要求中任一项所述的染料敏化太阳能电池单元，其中，所述绝缘氧化物层(109)的厚度在10nm至200nm之间，优选地在20nm至50nm之间。
12.根据前述权利要求中任一项所述的染料敏化太阳能电池单元，其中，在所述光吸收层(10)接收的光强度为200Lux时，所述太阳能电池单元(1；1')产生至少5μW/cm2；在所述光吸收层(10)接收的光强度为20000Lux时，所述太阳能电池单元(1；1')产生至少600μW/cm2。
13.根据前述权利要求中任一项所述的染料敏化太阳能电池单元，其中，当所述光吸收层(10)接收的光强度在200Lux至50000Lux之间变化时，所述太阳能电池单元(1；1')产生变化小于40％的电压。
14.根据前述权利要求中任一项所述的染料敏化太阳能电池单元，其中，当所述光吸收层(10)接收的光强度为200Lux时，所述太阳能电池单元(1；1')产生至少15μA/cm2的电流，并且当所述光吸收层(10)接收的光强度从200Lux增加到20000Lux时，所述太阳能电池单元产生的电流线性增加。
15.一种特别适合于对电子装置进行充电的光伏充电器(200)，包括：
根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池单元(1，1')，
封装(5)，所述封装(5)封装所述太阳能电池单元，
第一导体(18)，所述第一导体(18)电连接到所述第一传导层(12)，以及
至少一个第二导体(20)，所述至少一个第二导体(20)电连接到第二传导层(16)，其中，所述光伏充电器(200)仅包含一个单个的太阳能电池单元(1，1')和电连接到所述第一导体和所述第二导体(18，20)的升压转换器(22)，并且所述升压转换器适合于在逐步降低来自所述太阳能电池单元的电流的同时逐步升高来自所述太阳能电池单元的电压。
16.一种用于生产根据权利要求1所述的太阳能电池单元的方法，其中，所述方法包括：
制备包括传导粒子的第一油墨，
制备包括传导粒子(107')和催化粒子(107”)的混合物的第二油墨，
设置多孔绝缘基底(105)，
在所述多孔绝缘基底的第一侧面上沉积所述第一油墨的第一层，
在所述多孔绝缘基底的第二侧面上沉积所述第二油墨的第二层，
烧结具有沉积的层的多孔绝缘基底，以将所述第一层转化为多孔的第一传导层(12)并将所述第二层转化为多孔催化传导层(106；106')，以及
在空气中加热具有烧结的传导层的多孔绝缘基底，以在所述第一传导层的表面上形成氧化钛。
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