完全固态染料敏化太阳能电池

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背景

随着超低功耗LSI(大规模集成)芯片的发展，传感器等各种电子元件可以通过弱电源来驱动。因此，无需任何外部电源即可发电的独立电源有望得到更广泛的应用。因此，所有的目光都集中在利用环境能量(包括光、热和振动)发电的能量收集技术上。

在独立的电源中，太阳能电池是一个很有前途的候选者，因为只要有光，它们就能在任何地方发电。非晶硅太阳能电池^{(* 1)}已知在弱光下产生相对较高的电力，如室内照明。然而，由于一些原因，产生的电力仍然不够，包括总体输出。

因此，染料敏化太阳能电池(DSSC)作为即使在散射光或室内照明下也能高效发电的新一代太阳能电池备受关注。一般的染料敏化太阳能电池利用染料对可见光的吸收来产生电能。它由一个透明的导电衬底组成，该衬底有一个由纳米(十亿分之一)二氧化钛颗粒组成的多孔层，一个有金属膜的玻璃衬底和一个包在这些衬底之间的碘电解质。

DSSC也面临着自身的挑战:发电效率需要进一步提高，液态电解质在安全性(碘和有机溶剂会挥发和泄漏)和耐久性(电解质会剥离吸附在二氧化钛上的有机染料)方面存在风险。这些问题阻碍了DSSC进入市场。

然而，理光通过应用其为多功能打印机(mfp)开发的有机光电导体技术解决了这些问题。理光开发了仅由电解质等固态材料组成的DSSC。

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固态染料敏化太阳能电池的特性

固态染料敏化太阳能电池器件结构:

在新型固态DSSC中，电解质的空穴传输层为有机p型半导体^{(* 2)}，类似于有机光电导体。p型半导体密集地封装在多孔氧化钛层中。

固态DSSC的特点是空穴传输层，它由有机p型半导体和固体添加剂组成。这种纯固体结构不会因电解液或碘泄漏而造成腐蚀或健康危险。一般液态太阳能电池的技术问题已经解决。

图1一个完整的固态DSSC的器件结构，由理光开发

发电效率高

提高发电效率需要提高电压和电流性能，降低功率损耗。理光开发了在较弱光源下获得更高发电效率的新技术。

1. 新型DSSC具有高开路电压(Voc，理论最大电压)，因为有机p型半导体的能级比通常用作液态DSSC电解质的碘更深。
2. 新的DSSC具有高短路电流密度(Jsc，理论最大电流密度)，这要归功于选择的有机染料，以适应室内光源的波长。
3. 由于优化的固态添加剂和器件结构，新的DSSC具有高填充因子(FF，发电损耗的指标)。

上述开发工作已经带来了较高的室内发电效率(见图2)。

图2:发电性能(电流密度-电压)

固态DSSC模块

理光开发了一种模块，该模块具有多个发电设备(固态DSSCs)串联连接，以实现高开路电压。图3显示了典型固态DSSC模块产品的规格，即使在低强度光下也能产生高输出。

17×19 mm模块的最大输出功率(Pmax)和最大工作电压(Vmax)如图4所示。

图4:17×19 mm模块的属性

用于批量生产

为了准备大规模生产，理光正在构建固态DSSC模块的生产流程，并采取措施确保质量一致，同时提高产量。图5显示了一个大规模生产的300mm多面板固态DSSC模块的样品。

图5:样品量产模块

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扩展固态DSSCs的应用

人们对物联网的期望越来越高^{(* 3)}时代理光认为，基于环境能量(能量收集设备)的独立电源将越来越重要。由于传感器数量众多，更换传统电池既费时又昂贵，因此传感器能够从周围环境获取电力就显得更加重要。同样的事情也适用于没有常规电源的地方。固态DSSC模块具有高发电性能和高开路电压，可以有效地为二次电池充电。即使在低照明强度下，DSSC模块也将作为传感设备、照明设备(如led)和开关的光伏电源(见图6)。

理光致力于扩展固态DSSC作为光伏能量收集设备的应用。

(* 1)

非晶硅太阳能电池:在基板上有一层硅烷气体化学气相外延的薄硅非晶层的太阳能电池:非晶硅太阳能电池大约有1.8eV的能隙，吸收并产生700nm或更短的波长光。非晶硅主要用于室内自然照明下的太阳能电池，因为在弱光下的输出比晶体硅太阳能电池高。

(* 2)

有机p型半导体:一种具有宽共轭键(分子中相邻原子核的电子轨道重叠)的有机材料，它可以通过在电子轨道上移动电子空穴(正电荷)而带电。

(* 3)

超临界流体二氧化碳:二氧化碳是一种超临界流体(处于温度和压力高于临界点的物质状态，同时具有气体的扩散性和液体的溶解性)。临界温度为31.1°C，临界压力为7.37MPa。

(* 4)

物联网:随着物联网(IoT)的发展，越来越多的东西都将配备传感器和通信功能，对传感器发出的大量智能进行大数据分析。

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排序如下:场“能源创造”“材料”|产品类型“188金宝慱官网登录环境/能源”