全固态染料敏化太阳能电池

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背景

由于超低功耗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驱动。因此，不需要任何外部电源就能发电的单机电源有望得到更多的实际应用。因此，所有的目光都集中在能源收集技术上，从周围的能量，包括光、热和振动产生能量。

在独立的电源，太阳能电池是一个有希望的候选人，因为它们产生电力的任何地方只要有光线。非晶硅太阳能电池^{(* 1)}是已知的弱光下，如室内照明，以产生相对较高的电功率。然而，所产生的电力仍然不足有几个原因，其中包括整体输出。

因此，染料敏化太阳能电池（DSSC）进入风头作为下一代太阳能电池，其能够即使在散射光或室内照明有效地产生电力。一般的染料敏化太阳能电池以产生电力使用可见光的吸收的染料。它是由其中具有由纳米（十亿分）的二氧化钛颗粒，其具有金属膜和碘电解质在这些基板之间密封的玻璃基板的多孔层的透明导电基体向上。

在DSSC具有其自身的挑战：发电效率需要被进一步改善，并且液体电解质构成在安全性方面的危险（碘和有机溶剂可以被挥发和泄漏）和耐久性（电解质可剥离有机染料吸附上的二氧化钛）。这些问题已经被带到市场忍住DSSC。

理光公司利用为其多功能打印机(MFPs)开发的有机光电导体技术，解决了这些问题。理光已经开发出一种仅由电解质等固态材料组成的DSSC。

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一种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的器件结构:

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)}，类似于有机光导体。p型半导体致密地包裹在多孔氧化钛层中。

固态DSSC的特征在于，空穴输送层，其由有机p型半导体和固体添加剂。该固体仅结构不会造成任何腐蚀或健康造成的危害电解质或碘泄漏的风险。与一般的液态太阳能电池的技术问题已经得到解决。

图1 Ricoh研制的完整固态DSSC的器件结构

高发电效率

提高发电效率，需要改进的电压和电流性能并降低功率损耗。理光开发的新技术，以获得在较弱的光源更高的发电效率。

1. 新的DSSC设有一个高的开路电压（Voc，理论上的最大电压），因为有机p型半导体具有的能级比碘的，其通常用作液态的DSSC的电解质更深。
2. 新的DSSC设有一个高的短路电流密度（Jsc，理论最大电流密度）由于选择以适合的室内光源的波长的有机染料。
3. 由于采用了优化的固态添加剂和器件结构，新的DSSC具有高填充系数(FF，发电损失指数)。

上述的发展的努力已经导致高室内的发电效率（参见图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，其特征串联连接以获得高的开路电压的多个功率产生装置（固态的DSSC）。图3显示了一个典型的固态DSSC模块产品，其产生高输出，即使是在低强度的光的规格。

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

图4:一个17×19mm模块的属性

批量生产

为了准备批量生产，理光正在建立固态DSSC模块的生产流程，并采取措施在提高产量的同时确保质量的一致性。图5显示了一个批量生产的300毫米多面板固态DSSC模块的示例。

图5：示例批量生产模块

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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）}时代理光相信，基于环境能源的独立电源(能源收集设备)将会越来越重要。由于传感器数量众多，更换传统电池既费时又费钱，这就使得传感器从周围环境获取电力变得更为重要。同样的事情也适用于没有常规电源的地方。由于其高功率产生性能和高开路电压，固态DSSC模块将有效地为二次单元充电。即使在低照明强度下，DSSC模块也可以作为光伏电源用于传感设备、照明设备如led和开关(见图6)。

理光致力于扩大固态DSSC作为光电能量收集装置的应用。

(* 1)

非晶硅太阳能电池：具有硅烷气体在基板上化学气相外延的硅薄非晶层的太阳能电池：一个非晶硅太阳能电池具有大约1.8eV的能隙，并且吸收和产生的700nm的短波长的光或更少。非晶硅主要用于下自然室内照明的太阳能电池作为弱光下的输出高比结晶硅太阳能电池。

(* 2)

有机p型半导体:一种具有广泛共轭键(分子中相邻原子核的电子轨道的重叠)的有机材料，它能通过电子轨道上移动的电子空穴(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(在温度和压力超过临界点时处于物质状态，具有气态扩散性和液态溶解度的特性)。临界温度为31.1°C，临界压力为7.37MPa。

（* 4）

物联网：由于物联网（IOT）的增长，越来越一切都会配备传感器和通讯功能，以及大量由传感器发射情报的大数据分析将进行。

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