CN100356587C - 大面积内部并联染料敏化纳米薄膜太阳电池及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及大面积内部并联染料敏化纳米薄膜太阳电池及其制作方法，包括有上、下两面透明基板，透明基板上有透明导电膜，透明导电膜上有导电电极与催化剂层间隔排布，另一透明导电膜上导电电极与纳米多孔半导体材料块间隔排布，纳米多孔半导体材料中浸渍有染料。将两块透明基板叠放在一起，周边密封成腔体，腔体中有电解液。本发明制作电池内部并联电极，获得所需要的该太阳电池输出电流。电池密封功能好，保证了电池运行的长期稳定性。本发明的技术和方法操作简单易行，价格低廉，电池性能稳定。

Description

大面积内部并联染料敏化纳米薄膜太阳电池及其制作方法
技术领域
本发明涉及太阳电池领域，具体是一种大面积内部并联染料敏化纳米薄膜太阳电池及其制作方法。
技术背景
1991年瑞士洛桑高等理工学院M.Grtael教授实验室在Nature(O’Regan，B.；Grtzel.M，1991，353，737)上报道一种全新的染料敏化纳米薄膜太阳电池的研究成果，立即得到国际上广泛关注和重视。自1991年至今一直是国际上的研究热点。其廉价和生产成本和易于工业化生产的工艺技术，以及广阔的应用前景，吸引了众多的科学家与企业投入。
染料敏化纳米薄膜太阳电池是利用有机光敏功能分子与半导体纳米材料结合的复合体系对太阳能进行光电转换，它综合了有机和无机光电材料的功能和特点：利用有机光敏染料高效的采集光性能，半导体材料的快速电荷转移与分离优势，结合半导体纳晶薄膜的多孔性和高的比表面积，充分利用有机分子设计的灵活性以及半导体纳米结构材料的不同于体材料的一些新特性。
染料敏化纳米薄膜太阳电池主要由以下几个部分组成：含纳米多孔半导体薄膜的光阳极、染料光敏化剂、电解质和反电极、以及密封材料(如图1所示)。由于染料敏化纳米薄膜太阳电池的内部物理和化学的环境复杂，电子在电解液的过程传递中伴随着复杂的反应过程，这些都对密封材料和电极材料更高的要求，而且要有足够的密封强度防止电解液的挥发和泄漏，这是达到一个长寿命的染料敏化纳米薄膜太阳电池的基本要求。
目前该电池在小面积(小于1cm2)最高转换效率已达到11％左右，但在大面积电池及其组件，由于电池密封和电极材料等关键问题上未能解决，一直阻碍这种太阳电池的广泛应用。
发明内容
本发明的目的是提供适合于工业化制备大面积、高效率染料敏化纳米薄膜太阳电池的制备技术和方法。该技术和方法不仅工艺简单，而且电池比较稳定，可以达到长寿命的目的。
使用本方法可制备大面积内部并联染料敏化纳米薄膜太阳电池，克服制备大面积染料敏化纳米薄膜太阳电池所带来的技术难题和材料选择困难，并通过该方法使该种电池通过内部并联，获得比单节电池更高的输出电流，避免了通过电池外部并联所带来稳定性问题和工业化技术问题。
本发明提出两种不同的方法、技术和材料组合，制备获得大面积染料敏化纳米薄膜太阳电池。
本发明的技术方案是：
大面积内部并联染料敏化纳米薄膜太阳电池，包括有上、下两面透明基板，透明基板周边密封成腔体，腔体中有电解液，透明基板上有透明导电膜，其特征在于所述的透明导电膜上有导电电极与催化剂层间隔排布，另一透明导电膜上导电电极与纳米多孔半导体材料间隔排布，纳米多孔半导体材料中浸渍有染料。
所述的太阳电池，其特征在于两块透明基板的导电电极之间一一对应，各组对应电极之间通过高分子材料、或高分子粘结剂、或玻璃材料、或陶瓷材料密封固化。
所述的太阳电池，其特征在于两块透明基板的周边电极之间通过高分子材料、或高分子粘结剂、或玻璃材料、或陶瓷材料固化。
所述的太阳电池，其特征在于两块透明基板的各电极均覆盖有高分子材料、或高分子粘结剂、或玻璃材料、或陶瓷材料，透明基板材料是透明玻璃，透明塑料，透明高分子材料。
太阳电池制作方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)、在透明基板上覆盖透明导电膜，
(2)、在导电膜上，间隔印刷、或喷涂、或溅射、或其它镀膜方法制备上并联导电电极，并按照材料本身特性进行加热和处理，使并联导电电极材料与导电膜很牢固的结合，
(3)、在一块导电膜上，各导电电极之间，丝网印刷、或喷涂、或溅射、或其它镀膜方法制备纳米或多孔半导体薄膜材料并烧结，通过浸渍使纳米或多孔半导体薄膜中吸附均匀的染料，
(4)、在另一块导电膜上，各导电电极之间，印刷，或喷涂，或溅射等方法制备催化层，并加温烧结，
(5)、将(3)、(4)步制得的两块基板合上，四周密封，并注入电解质溶液。
上述的太阳电池制作方法，其特征在于利用丝网印刷、或喷涂或挤压方法把玻璃材料或陶瓷材料均匀的覆盖在并联导电电极上，并加温烧结。
上述的太阳电池制作方法，其特征在于所述的纳米或多孔半导体薄膜材料为纳米TiO2多孔膜、或纳米ZnO多孔膜，薄膜厚度可在0.1微米至1毫米之间，透明基板为导电玻璃时纳米或多孔半导体薄膜材料烧结温度450至600摄氏度，时间为30至200分钟。
上述的太阳电池制作方法，其特征在于所述的催化层为含铂的溶液或胶体印刷、或喷涂、或溅射的方法镀一层铂层或其它催化物质，薄膜厚度可在0.001微米至1毫米之间，透明基板为导电玻璃时催化层烧结温度为350至550摄氏度，时间为20至120分钟。
上述的太阳电池制作方法，其特征在于所述的第(5)步是指制作一张高分子密封材料的电极垫，将二块基板合上，电极垫的两面正好和电极粘合在一起，并加热固化；或者是指在一块或二块基板的电极上，利用丝网印刷、或喷涂、或挤压方法，在电极保护层外面涂上粘结剂或其它密封胶，叠放在一起，进行固化。
本发明太阳电池是以透明导电薄膜材料为电极，以染料敏化纳米多孔半导体薄膜材料为光阳极，以含有催化剂薄膜层为光阴极，以碘/碘离子溶液、溴/溴离子溶液等卤素/卤素离子电解质组成的液体电解质系统；以有机高分子化合物，如：聚氧乙烯醚(PEO)、聚丙烯腈(PAN)、环氧氯丙烷和环氧乙烷的共聚物等组成的胶凝液体电解质的，以有机小分子胶凝剂，如：通过胺与卤代烃形成季铵盐反应而在有机液体中形成凝胶网络结构而使得液体电解质固化，而得到的胶凝液体电解质；以离子液体介质如：有机阳离子是烷基铵阳离子、烷基咪唑阳离子和烷基吡啶阳离子等，常见的无机阴离子是BF4 -、AlCl4 -、PF6 -、AsF6 -、SbF6 -、F(HF)n -、CF3SO3 -、CF3(CF2)3SO3 -、(CF3SO2)2N-、CF3COO-、CF3(CF2)2COO-等，为基础的溶胶-凝胶电解质；以有机空穴传输材料主要是OMeTAD、P3HT、P3OT、PDTI、PTPD等取代三苯胺类的衍生物和聚合物、噻吩和吡咯等芳香杂环类衍生物的聚合物等为基础的固体电解质系统；以无机p-型半导体材料，如：CuI和CuSCN等组成的固体电解质系统。本发明利用在该种太阳电池内部制作电极，并采用保护电极的方法，制作电池内都并联电极，使该种太阳电池可以利用该种方法任意内部并联，获得所需要的该太阳电池输出电流。该方法同时具有很好的电池密封功能，保证了电池运行的长期稳定性。该方法突破了大面积染料敏化纳米薄膜太阳电池制作的难点，对大面积电池的制作和实现起到关键的作用。本发明的技术和方法操作简单易行，价格低廉，电池性能稳定。
附图说明
图1为染料敏化纳米薄膜太阳电池的内部构造图。
101-玻璃 102-透明导电膜 103-纳米多孔半导体膜 104-有机染料吸附层 105-密封材料106-电解液107-负载
图2为染料敏化纳米薄膜太阳电池的并联导电电极密封膜结构图。
201-密封材料
图3为染料敏化纳米薄膜太阳电池的结构示意图。
301-透明导电膜 302-并联电极保护材料 303-催化剂层 304-密封材料 305-电解质 306-并联电极 307-透明衬底材料 308-吸附染料的纳米多孔薄膜
图4为染料敏化纳米薄膜太阳电池的另一结构示意图。
401-透明导电膜 402-透明衬底材料 403-密封材料 404-催化剂层 405-并联电极保护材料 406-并联电极 407-电解质 408-吸附染料的纳米多孔薄膜
具体实施方式
实施例1
参见附图。
1.导电玻璃准备：选用导电玻璃作为透明导电电极材料(TEC-15，3毫米，LOF，USA)，切割成10厘米×10厘米，清洗干净待用。
2.并联电极印刷：利用丝网印刷技术均匀印制梳子状银电极(如：FERRO，CN33-246)，500摄氏度烧结(500摄氏度恒温30分钟)，银电极宽度约1.5毫米，厚度约20微米，共8条。在银电极上面利用丝网印刷银刷玻璃浆料，使玻璃浆料完全保护银电极(其中裸露宽边银电极)，550摄氏度烧结后(550摄氏度恒温30分钟)每条保护后的电极总宽度约3毫米，厚度约30微米。
3.光阳极(负电极)准备：印刷纳米TiO2浆料，500摄氏度烧结(500摄氏度恒温30分钟)，获得纳米多孔TiO2薄膜，厚度约10微米。在浓度为0.5mM的cis-(SCN-)2bis(2，2’-bipyridyl-4，4’-dicarboxylate)ruthenium(II)染料中浸泡一昼夜，取出后用己醇(分析纯)清洗一下，用氮气吹干。
4.光阴极(正电极)准备：按设计需要的尺寸和图形，另一块完成了并联电极的导电玻璃上，丝网印刷含有H2PtCl6·6H2O1mM浓度催化剂浆料，450摄氏度烧结(450摄氏度恒温30分钟)。催化层薄膜厚度0.1微米。
5.利用激光切割的办法，把密封膜(厚度150微米)切割好。见图2。
6.光阳极与光阴级之间加入密封膜，通过加热和加压的办法，使两个电极完全粘结在一起，利用真空或手工方法注入电解质材料，并密封电解质注入小孔，即完成该种内部并联染料敏化纳米薄膜太阳电池制作过程。见图3。
实施例2
参见附图。
1.导电玻璃准备：选用导电玻璃作为透明导电电极材料(TEC-15，3毫米，LOF，USA)切割成10厘米×10厘米，清洗干净待用。
2.并联电极印刷：利用丝网印刷技术均匀印制梳子状银电极(FERRO，CN33-246)，500摄氏度烧结(500摄氏度恒温30分钟)，银电极宽度约1.5毫米，银电极厚度约20微米，共8条。
3.光阳极(负电极)准备：丝网印刷纳米TiO2浆料，500摄氏度烧结(500摄氏度恒温30分钟)，成为纳米多孔TiO2薄膜，厚度约10微米。
4.光阴极(正电极)准备：按设计需要的尺寸和图形，另一块完成了并联电极的导电玻璃上，丝网印刷含有H2PtCl6·6H2O1mM浓度催化剂浆料，450摄氏度烧结(450摄氏度恒温30分钟)，催化剂层薄膜厚度0.1微米。
5.在光阴极和光阳极的银电极上面分别利用丝网印刷玻璃浆料，使玻璃浆料完全保护银电极(其中裸露宽边银电极)，并把两个电极叠放在一起，外加上5公斤压力，使两电极很好结合，但要避免短路，550摄氏度烧结(550摄氏度恒温30分钟)。见图4。利用循环的方法和装置使染料(染料浓度为0.5mM的cis-(SCN-)2bis(2，2’-bipyridyl-4，4’-diearboxylate)ruthenium(II))在电池内循环，待染料均匀吸附在多孔薄膜内以后，停止染料循环，取出后用己醇(分析纯)清洗一下，用氮气吹干。
6.利用真空或手工方法注入电解质材料，并密封电解质注入小孔，即完成该种内部并联染料敏化纳米薄膜太阳电池制作过程。
实施例3
参见附图。
1.导电玻璃准备：选用导电玻璃作为透明导电电极材料(TEC-15，3毫米，LOF，USA)切割成10厘米×10厘米，清洗干净待用。
2.并联电极印刷：利用丝网印刷技术均匀印制梳子状银电极(FERRO，CN33-246)，500摄氏度烧结(500摄氏度恒温30分钟)，银电极宽度约1.5毫米，银电极厚度约20微米，共8条。
3.光阳极(负电极)准备：印刷纳米TiO2浆料，500摄氏度烧结(500摄氏度恒温30分钟)，成为纳米多孔TiO2薄膜，厚度约10微米。在浓度为0.5mM的cis-(SCN-)2bis(2，2’-bipyridyl-4，4’-dicarboxylate)ruthenium(II)染料中浸泡一昼夜，取出后用己醇(分析纯)清洗一下，用氮气吹干。
4.光阴极(正电极)准备：按设计需要的尺寸和图形，在另一块完成了并联电极的导电玻璃上，丝网印刷含有H2PtCl6·6H2O 1mM浓度催化剂浆料，450摄氏度烧结(450摄氏度恒温30分钟)。薄膜厚度0.1微米。
5.利用激光切割的办法，把密封膜(厚度150微米)切割好。见图2。
6.在光阳极与光阴级之间加入密封膜，通过加热和加压的办法，使两个电极完全粘结在一起，利用真空或手工方法注入电解质材料，并密封电解质注入小孔，即完成该种内部并联染料敏化纳米薄膜太阳电池制作过程。见图3。

Claims (9)

1、大面积内部并联染料敏化纳米薄膜太阳电池，包括有上、下两面透明基板，透明基板周边密封成腔体，腔体中有电解液，透明基板上有透明导电膜，其特征在于所述的透明导电膜上有导电电极与催化剂层相互重叠并且重叠的导电电极与催化剂层间隔排布，另一透明导电膜上导电电极与纳米多孔半导体材料相互重叠并且重叠的导电电极与纳米多孔半导体材料间隔排布，两块透明基板的导电电极之间一一对应，纳米多孔半导体材料中浸渍有染料。
2、如权利要求1所述的太阳电池，其特征在于各组对应电极之间通过高分子材料、或高分子粘结剂、或玻璃材料、或陶瓷材料密封固化。
3、如权利要求1所述的太阳电池，其特征在于两块透明基板的周边电极之间通过高分子材料、或高分子粘结剂、或玻璃材料、或陶瓷材料固化。
4、如权利要求1所述的太阳电池，其特征在于两块透明基板的各电极均覆盖有高分子材料、或高分子粘结剂、或玻璃材料、或陶瓷材料，透明基板材料是透明玻璃，透明塑料，透明高分子材料。
5、如权利要求1所述的太阳电池制作方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)、在透明基板上覆盖透明导电膜，
(2)、在导电膜上，间隔印刷、或喷涂、或溅射、或其它镀膜方法制备上并联导电电极，并按照材料本身特性进行加热和处理，使并联导电电极材料与导电膜很牢固的结合，
(3)、在一块导电膜上，各导电电极之间，丝网印刷、或喷涂、或溅射、或其它镀膜方法制备纳米或多孔半导体薄膜材料并烧结，通过浸渍使纳米或多孔半导体薄膜中吸附均匀的染料，
(4)、在另一块导电膜上，各导电电极之间，印刷，或喷涂，或溅射等方法制备催化层，并加温烧结，
(5)、将(3)、(4)步制得的两块基板合上，四周密封，并注入电解质溶液。
6、如权利要求5所述的太阳电池制作方法，其特征在于利用丝网印刷、或喷涂或挤压方法把玻璃材料或陶瓷材料均匀的覆盖在并联导电电极上，并加温烧结。
7、如权利要求5所述的太阳电池制作方法，其特征在于所述的纳米或多孔半导体薄膜材料为纳米TiO2多孔膜、或纳米ZnO多孔膜，薄膜厚度可在0.1微米至1毫米之间，透明基板为导电玻璃时纳米或多孔半导体薄膜材料烧结温度450至600摄氏度，时间为30至200分钟。
8、如权利要求5所述的太阳电池制作方法，其特征在于所述的催化层为含铂的溶液或胶体印刷、或喷涂、或溅射的方法镀一层铂层或其它催化物质，薄膜厚度可在0.001微米至1毫米之间，透明基板为导电玻璃时催化层烧结温度为350至550摄氏度，时间为20至120分钟。
9、如权利要求5所述的太阳电池制作方法，其特征在于所述的第(5)步是指制作一张高分子密封材料的电极垫，将二块基板合上，电极垫的两面正好和电极粘合在一起，并加热固化；或者是指在一块或二块基板的电极上，利用丝网印刷、或喷涂、或挤压方法，在电极保护层外面涂上粘结剂或其它密封胶，叠放在一起，进行固化。
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CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

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