Se divulga una célula solar sensibilizada por colorante, un fotoánodo del mismo y un procedimiento para fabricar el mismo.

El fotoánodo de la célula solar sensibilizada por colorante de la presente invención se prepara mediante una capa semiconductora porosa que absorbe dos clases de colorantes orgánicos sensibilizados y un colorante orgánico sensibilizado se representa por la fórmula (I) siguiente:

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en la que, D1, D2, R1, R2, R3, R4, B y n se definen igual que en la memoria descriptiva.

Estas dos clases de colorantes orgánicos sensibilizados presentan picos de absorción comparables, de forma que el fotoánodo de la presente invención puede absorber el espectro solar en un mayor rango de longitudes de onda. Por lo tanto, la célula solar sensibilizada por colorante que usa el fotoánodo de la presente invención presenta una excelente eficacia de conversión fotoeléctrica.

Célula solar sensibilizada por colorante y fotoánodo del mismo.

Antecedentes de la invención

La presente invención se refiere a un fotoánodo para una célula solar sensibilizada por colorante (DSC), que se prepara mediante una capa semiconductora porosa que absorbe secuencialmente diversos colorantes sensibilizados y, más particularmente, a un fotoánodo para un DSC, que se prepara mediante una capa semiconductora porosa que absorbe secuencialmente diversos colorantes orgánicos sensibilizados.

Con el avance de la tecnología industrial, todo el planeta se enfrenta actualmente a dos problemas muy graves, la crisis energética y la polución ambiental. Uno de los medios eficaces para resolver la crisis energética mundial y para reducir la polución ambiental es la célula solar, que puede convertir la energía solar en electricidad. Dado que la célula solar sensibilizada por colorante presenta las ventajas de un bajo coste de fabricación, producción a gran escala, gran flexibilidad, transmitancia lumínica y de poder ser incorporado a los edificios, la aplicación de la célula solar sensibilizada por colorante se está haciendo cada vez más atractiva.

Recientemente, Grätzel et al. divulgaron una serie de publicaciones (por ejemplo, O'Regan, B.; Grätzel, M. Nature 1991, 353, 737), que muestran la capacidad práctica de la célula solar sensibilizada por colorante. La estructura general de la célula solar sensibilizada por colorante comprende un ánodo, un cátodo, una capa de dióxido de titanio nanométrica, un colorante y un electrolito, en el que el colorante juega un papel fundamental en la eficacia de conversión de la célula solar sensibilizada por colorante. El colorante adecuado para la célula solar sensibilizada por colorante debe tener características como amplio espectro de absorción, coeficiente alto de absorción molar, estabilidad térmica y fotoestabilidad.

Los complejos de rutenio son los colorantes sensibilizados con la eficacia de conversión más alta actualmente. Sin embargo, el coste de fabricación de los complejos de rutenio es elevado y pueden existir problemas de escasez cuando se extienda el uso de los complejos de rutenio. Los colorantes orgánicos sensibilizados presentan la ventaja de un coeficiente alto de absorción molar. Además, es posible producir diversos colorantes orgánicos sensibilizados mediante diseño molecular. Por lo tanto, pueden fabricarse células solares sensibilizadas por colorante con diferentes colores usando diferentes colorantes orgánicos sensibilizados para mejorar la flexibilidad de las aplicaciones de las células solares sensibilizadas por colorante. Además, también es posible cambiar el color de la célula solar sensibilizada por colorante para que coincida con el color de los objetos. Actualmente, ya se han aplicado derivados de colorantes, como por ejemplo cumarina (Hara, K.; Sayama, K.; Arakawa, H.; Ohga, Y.; Shinpo, A.; Sug, S. Chem. Commun., 2001, 569), indolina (Horiuchi, T.; Miura, H.; Sumioka, K.; Uchida, S. J. Am. Chem. Soc., 2004, 126 (39), 12218) y merocianina (Otaka, H.; Kira, M.; Y ano, K.; Ito, S.; Mitekura, H.; Kawata, T.; Matsui, F. J. Photochem. Photobiol. A: Chem.; 2004, 164, 67), en la fabricación de células solares sensibilizadas por colorante.

Sin embargo, el rango de longitud de onda que pueden absorber los colorantes orgánicos sensibilizados es estrecho, de forma que sólo puede usarse una pequeña cantidad de energía del espectro solar. Por lo tanto, la eficacia fotoeléctrica de conversión de la célula solar sensibilizada por colorante preparada con los colorantes orgánicos sensibilizados es limitada y es difícil mejorarla. Recientemente, Grätzel et al. publicaron que la eficacia de conversión fotoeléctrica de la célula solar sensibilizada por colorante puede mejorarse mediante un proceso de coabsorción con dos tipos de colorantes orgánicos, frente a la célula solar sensibilizada por colorante preparada con un único colorante orgánico (Kung D.; Walter P.; Nuesch F.; Kim S.; Ko J.; Comte P.; Zakeeruddin S. M.; Zakeeruddin M. K.; Grätzel, M. Langmuir 2007, 10906-10909). Además, Toshiba Co. (Japón) también divulgó que la célula solar sensibilizada por colorante preparada mediante un proceso de coabsorción con un colorante orgánico y un colorante inorgánico presenta una eficacia de conversión fotoeléctrica mejorada (JP 2000-195569).

El proceso de coabsorción con colorantes sensibilizados adecuados influye de forma fundamental sobre la eficacia de conversión fotoeléctrica de la célula solar sensibilizada por colorante. Por lo tanto, es deseable proporcionar una combinación de colorantes sensibilizados coabsorbido, para mejorar la eficacia de conversión fotoeléctrica de la célula solar sensibilizada por colorante.

Resumen de la invención

El objetivo de la presente invención es proporcionar un fotoánodo novedoso para una célula solar sensibilizada por colorante, que se prepara con una capa semiconductora porosa que absorbe secuencialmente más de dos clases de colorantes sensibilizados.

Otro objetivo de la presente invención es proporcionar un fotoánodo novedoso para una célula solar sensibilizada por colorante, que se prepara con una capa semiconductora porosa que absorbe secuencialmente más de dos clases de colorantes orgánicos sensibilizados.

Otro objetivo de la presente invención es proporcionar una célula solar sensibilizada por colorante novedosa, que se prepara con una capa semiconductora porosa que absorbe secuencialmente más de dos clases de colorantes sensibilizados.

Otro objetivo adicional de la presente invención es proporcionar una célula solar sensibilizada por colorante novedosa, que se prepara con una capa semiconductora porosa que absorbe secuencialmente más de dos clases de colorantes orgánicos sensibilizados.

Las longitudes de onda de absorción máxima de los compuestos colorantes que se usan en la célula solar sensibilizada por colorante de la presente invención son complementarias entre sí, de forma que los compuestos colorantes pueden absorber un rango mayor de longitudes de onda del espectro solar. Por lo tanto, la célula solar sensibilizada por colorante de la presente invención muestra una excelente propiedad fotoeléctrica.

La presente invención también proporciona un procedimiento para fabricar una célula solar sensibilizada por colorante y la célula solar sensibilizada por colorante fabricada muestra una mejor eficacia de conversión fotoeléc- trica.

El fotoánodo de la presente invención comprende: un sustrato transparente, una capa conductora transparente, una capa semiconductora porosa y compuestos colorantes.

En el fotoánodo de la presente invención, el material del sustrato transparente no está particularmente limitado, siempre que el material del sustrato sea un material transparente. Preferentemente, el material del sustrato transparente es un material transparente con una buena resistencia a la humedad, resistencia a disolventes y resistencia a las condiciones climatológicas. Así, la célula solar sensibilizada por colorante puede resistir a la humedad o gases externos por el sustrato transparente. Los ejemplos específicos del sustrato transparente incluyen, sin limitación, sustratos inorgánicos transparentes, como por ejemplo cuarzo y vidrio; sustratos plásticos transparentes, como por ejemplo poli(etilen tereftalato) (PET), poli(etilen 2,6-naftalato) (PEN), policarbonato (PC), polietileno (PE), polipropileno (PP) y poliimida (PI). Además, el grosor del sustrato transparente no tiene limitaciones particulares, y puede cambiarse según la transmitancia y las exigencias en cuanto a propiedades de la célula solar sensibilizada por colorante. Preferentemente, el material del sustrato transparente es vidrio.

Además, en el fotoánodo de la presente invención, el material de la capa conductora transparente puede ser óxido de estaño indio (ITO), óxido de estaño dopado con flúor (FTO), ZnO-Ga₂O₃, ZnO-Al₂O₃, u óxidos con base de estaño.

Además, en el fotoánodo de la presente invención, la capa semiconductora porosa puede estar hecha de partículas semiconductoras. Las partículas semiconductoras adecuadas pueden incluir: Si, TiO₂, SnO₂, ZnO, WO₃, Nb₂O₅, TiSrO₃ y las...

1. Un fotoánodo, que es un sustrato con una capa semiconductora que absorbe colorantes, en el que los colorantes comprenden:

(a) un primer colorante orgánico sensibilizado representado por la fórmula (I) siguiente, o una sal del mismo,

en la que

R₁, R₂, R₃ y R₄ son cada uno independientemente H, alquilo C₁∼C₁₂, alcoxi C₁∼C₁₂, o halógeno, y n es un número entero de 1, 2 ó 3;

D₁ y D₂ son cada uno independientemente alquilo C₁∼C₁₂, 38 39

D₁, D₂ y N están unidos formando

en las que, R₅, R₆, R₇, R₈, R₁₀, R₁₁, R₁₃ y R₁₄ son cada uno independientemente H, alquilo C₁∼C₁₂, alcoxi C₁∼C₁₂, amino, o halógeno, R₉, R₁₂ y R₁₅ son cada uno independientemente H, o alquilo C₁∼C₁₂;

B es

en las que R₁₆, R₁₇ y R₁₈ son cada uno independientemente H, alquilo C₁∼C₁₂, alcoxi C₁∼C₁₂, o halógeno, R₁₉, R₂₀, R₂₁ y R₂₂ son cada uno independientemente H, o alquilo C₁∼C₁₂ y Z es O, S, o Se; y

(b) un segundo colorante orgánico sensibilizado, en el que la diferencia de la longitud de onda de absorción máxima entre el primer colorante orgánico sensibilizado y el segundo colorante orgánico sensibilizado es superior a 50 nm.

2. El fotoánodo como se reivindica en la reivindicación 1, en el que n es 1.

3. El fotoánodo como se reivindica en la reivindicación 1, en el que D₁ y D₂ son cada uno independientemente al-

quilo C₁∼C₁₂, 43 en las que, R₅, R₆, R₇ y R₈ son cada uno independientemente H, alquilo C₁∼C₁₂, alcoxi C₁∼C₁₂, amino, o halógeno, R₉ es H, o alquilo C₁∼C₁₂.

4. El fotoánodo como se reivindica en la reivindicación 3, en el que B es

en las que R₁₆ es H, alquilo C₁∼C₁₂, alcoxi C₁∼C₁₂, o halógeno, R₁₉ y R₂₂ son cada uno independientemente H, o alquilo C₁∼C₁₂ y Z es O, S, o Se.

5. El fotoánodo como se reivindica en la reivindicación 4, en el que Z es S y n es 1.

6. El fotoánodo como se reivindica en la reivindicación 5, en el que R₁, R₂, R₃, R₄, R₅, R₆, R₇, R₈ y R₁₆ son cada uno independientemente H, alquilo C₁∼C₁₂, o alcoxi C₁∼C₁₂.

7. El fotoánodo como se reivindica en la reivindicación 6, en el que R₁, R₂, R₃, R₄, R₅, R₆, R₇, R₈ y R₁₆ son cada uno independientemente H, o alquilo C₁∼C₁₂.

8. El fotoánodo como se reivindica en la reivindicación 1, en el que B es en las que R₁₆ es H, alquilo C₁∼C₁₂, alcoxi C₁∼C₁₂, o halógeno, R₁₉ es H, o alquilo C₁∼C₁₂ y Z es O, S, o Se.

9. El fotoánodo como se reivindica en la reivindicación 8, en el que D₁ y D₂ son cada uno independientemente

alquilo C₁∼C₁₂, o 47 en las que, R₅, R₆ y R₇ son cada uno independientemente H, alquilo C₁∼C₁₂, alcoxi C₁∼C₁₂, amino, o halógeno.

10. El fotoánodo como se reivindica en la reivindicación 9, en el que Z es S y n es 1.

11. El fotoánodo como se reivindica en la reivindicación 10, en el que R₁, R₂, R₃, R₄, R₅, R₆, R₇ y R₁₆ son cada uno independientemente H, alquilo C₁∼C₁₂, o alcoxi C₁∼C₁₂.

12. El fotoánodo como se reivindica en la reivindicación 11, en el que R₁, R₂, R₃, R₄, R₅, R₆, R₇ y R₁₆ son cada uno independientemente H, o alquilo C₁∼C₁₂.

13. El fotoánodo como se reivindica en la reivindicación 12, en el que, R₁₆ y R₁₉ es H.

14. El fotoánodo como se reivindica en la reivindicación 1, en el que el primer colorante orgánico sensibilizado en el componente (a) es un compuesto representado por la fórmula (I-1), o (I-2) siguiente, o una sal del mismo:

15. El fotoánodo como se reivindica en la reivindicación 1, en el que el segundo colorante orgánico sensibilizado en el componente (b) es un compuesto representado por la fórmula (II-1), o (II-2) siguiente, o una sal del mismo:

16. El fotoánodo como se reivindica en la reivindicación 14, en el que el segundo colorante orgánico sensibilizado en el componente (b) es un compuesto representado por la fórmula (II-1) o (II-2), o una sal del mismo.

17. Una célula solar sensibilizada por colorante, que comprende:

(A) un fotoánodo, que es un sustrato con una capa semiconductora que absorbe colorantes, en el que los colorantes comprende: (a) un primer colorante orgánico sensibilizado representado por la fórmula (I) siguiente, o una sal del mismo,

en la que

R₁, R₂, R₃ y R₄ son cada uno independientemente H, alquilo C₁∼C₁₂, alcoxi C₁∼C₁₂, o halógeno y n es un número entero de 1, 2 ó 3;

D₁ y D₂ son cada uno independientemente alquilo C₁∼C₁₂, 52 53

D₁, D₂ y N están unidos formado 54 540 en las que, R₅, R₆, R₇, R₈, R₁₀, R₁₁, R₁₃ y R₁₄ son cada uno independientemente H, alquilo C₁∼C₁₂, alcoxi C₁∼C₁₂, amino, o halógeno, R₉, R₁₂ y R₁₅ son cada uno independientemente H, o alquilo C₁∼C₁₂;

B es

en las que R₁₆, R₁₇ y R₁₈ son cada uno independientemente H, alquilo C₁∼C₁₂, alcoxi C₁∼C₁₂, o halógeno, R₁₉, R₂₀, R₂₁ y R₂₂ son cada uno independientemente H, o alquilo C₁∼C₁₂ y Z es O, S, o Se; y (b) un segundo colorante orgánico sensibilizado, en el que la diferencia de la longitud de onda de absorción máxima entre el primer colorante orgánico sensibilizado y el segundo colorante orgánico sensibilizado es superior a 50 nm;

(B) un cátodo; y

(C) una capa de electrolito, situada entre el fotoánodo y el cátodo.

18. Un procedimiento para fabricar la célula solar sensibilizada por colorante, que comprende las siguientes etapas: