CN101154693A - 太阳能电池组件及其模块 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种太阳能电池组件，包括：一第一管状结构；一电子传输层，涂布于该第一管状结构上；一第二管状结构；一金属层，涂布于该第二管状结构上，其中该第一与第二管状结构的管径不同，该电子传输层与该金属层相对排列且该两管状结构间形成有一空隙；一染料层，涂布于该电子传输层上；以及一电解质，填充于该空隙内。本发明另提供一种包括多个所述太阳能电池组件的太阳能电池模块。

Description

太阳能电池组件及其模块
技术领域
本发明关于一种太阳能电池组件，特别是关于一种管状太阳能电池组件及其模块。
背景技术
目前，在太阳能电池技术的开发上，朝(1)降低成本的方向发展，如发展薄膜式太阳能电池技术，以及朝(2)提升光电转换效率的方向发展，如发展多接面太阳能电池技术。
薄膜式太阳能电池技术中，由于染料敏化太阳能电池(dye-sensitized solarcell，DSSC)(又称Graetzel Cell)具有低原料成本及制作工艺相对简单的强大优势，遂吸引许多研究机构或公司投入技术与产品的开发。
目前研发现染料敏化太阳能电池的能量转化效率最高可达11％。瑞士EPFL合作小组所发展小面积(小于1平方厘米)染料敏化太阳能电池的转化效率可达10.8％。荷兰能源研究中心(ECN)小组所发展的染料敏化大阳能电池的转化效率为8.23％，但目前对于面积大于1平方厘米的染料敏化太阳能电池模块的转化效率仍小于7％。此外，澳大利亚STA公司于2003年建立世界上第一个面积为10平方厘米的染料敏化纳米薄膜太阳能电池系统，系统能量转化效率为5％。中国科学院于2004年设立500瓦的染料敏化太阳能电池实证设施系统，系统能量转化效率为5％。因此，在染料敏化太阳能电池的商品化过程中，除了使用寿命与成本考虑外，提升原有的光电转换效率亦成为各研究单位主要开发的重点。
请参阅图1A，说明传统染料敏化太阳能电池(DSSC)。染料敏化太阳能电池10是由上导电玻璃基板12与下导电玻璃基板14所组成。以二氧化钛(TiO2)前驱物溶解于溶剂后，均匀涂布在上导电玻璃基板12上，经加热处理形成一状似海绵、具多孔及大表面积的二氧化钛层16。之后，涂布含钌染料、花青素或叶绿素等的染料溶液于二氧化钛层16表面，以形成一作为光吸收剂的染料层18。接着，注入含碘离子(I-)的电解质液20。之后，涂布一例如白金的金属触媒层22于下导电玻璃基板14上，以作为一对应电极。最后，将上导电玻璃基板12、下导电玻璃基板14与电解质液20如三明治方式组装，并对二氧化钛层进行照光即可驱动电子，形成一太阳能电池装置10。其内部电荷移转机制，请参阅图1B，染料分子18仅在靠近二氧化钛单层16处才能有效进行电荷移转。由于电极上致密的二氧化钛层16使得染料单层18的吸附面积小，吸收太阳能的量很少，致光电转换效率不高(小于1％)。
近年来，由于引进多孔性纳米结构电极(porous nano-structured electrode)的技术，使得上述问题已获得相当程度的解决。新材料技术使电极的触媒表面积较平滑电极增加近千倍，而大幅提升光电转换效率。经Michael Graetzel研究指出，染料敏化太阳能电池的光电转换效率可由原来的小于1％提高至11％。由此可知，染料敏化太阳能电池的效益明显依赖纳米二氧化钛电极的结构，例如二氧化钛内部表面积决定了吸附染料分子的量，其孔径大小分布影响到氧化还原对的扩散，粒径分布影响到光学性质，以及电子的流动决定于粒子间的联系等。吸附染料的多寡将影响光子转换成电子-空穴对的数目，而二氧化钛内部表面积则决定此吸附染料的量。遂增加单位面积内二氧化钛内表面积是提升染料敏化太阳能电池光电转换效率的重要因素。
为增加单位面积内二氧化钛的内表面积，除了改良材料与制作技术外，应可由改变太阳能电池本身的结构着手。一般太阳能电池单元为平面片状式结构，阴极层与阳极层分别涂布于平行对称的上、下两基板内侧。而其模块依需求为了得到足够的功率输出，会进行马赛克拼装而制作成一大面积模块。此时，若能在相同平面面积上，增加光电转换反应的面积，即二氧化钛层的内部表面积，则可获得更多功率输出。
发明内容
本发明提供一种太阳能电池组件，包括：一第一管状结构；一电子传输层，涂布于该第一管状结构上；一第二管状结构；一金属层，涂布于该第二管状结构上，其中该第一与第二管状结构的管径不同，该电子传输层与该金属层相对排列且该两管状结构间形成有一空隙；一染料层，涂布于该电子传输层上；以及一电解质，填充于该空隙内。
本发明另提供一种太阳能电池模块，包括多个上述太阳能电池组件。
为让本发明的上述目的、特征及优点能更明显易懂，下文特举一优选实施例，并配合附图，作详细说明如下：
附图说明
图1A为传统染料敏化太阳能电池组件的剖面示意图。
图1B为传统染料敏化太阳能电池组件电荷移转机制的示意图。
图2为本发明染料敏化太阳能电池组件的上视图。
图3为图2依3-3’剖面线所得的剖面示意图。
图4～图6为本发明染料敏化太阳能电池的模块设计。
主要组件符号说明
传统图1A～图1B
10～太阳能电池；
12～上导电玻璃基板；
14～下导电玻璃基板；
16～二氧化钛层；
18～染料层；
20～电解质液；
22～金属触媒层。
本发明图2～图6
30、52、52’、52”～太阳能电池组件；
32～第一管状结构；
34～导电层；
36～电子传输层；
38～染料层；
40～电解质；
42～金属层；
44～第二管状结构；
46～肋结构；
48～封合材料；
50、50’、50”～太阳能电池模块；
54～导线；
56、56’～反射装置。
具体实施方式
本发明提供一种太阳能电池组件，包括：一第一管状结构；一电子传输层，涂布于第一管状结构上；一第二管状结构；一金属层，涂布于第二管状结构上，其中第一与第二管状结构的管径大小不同，电子传输层与金属层相对排列且两管状结构间形成有一空隙；一染料层，涂布于电子传输层上；以及一电解质，填充于空隙内。
请参阅图2及图3，说明本发明太阳能电池组件的结构。图2为本发明太阳能电池组件的上视图，而图3则为图2依3-3’剖面线所得的剖面示意图。
请参阅图2，太阳能电池组件30由外而内包括一第一管状结构32、一导电层34、一电子传输层36、一染料层38、一电解质40、一金属层42以及一第二管状结构44。以第一管状结构32来看，导电层34形成于第一管状结构32上，电子传输层36涂布于导电层34上，染料层38涂布于电子传输层36上。而以第二管状结构44来看，金属层42涂布于第二管状结构44上。此外，电子传输层36与金属层42相对排列，电解质40则填入染料层38与金属层42之间的空隙内。另第二管状结构44表面上形成有一肋结构46，以控制两管状结构间的空隙距离。而此太阳能电池组件借由一封合材料48密封第一管状结构32与第二管状结构44，如图3所示。最重要的是，由图中可看出，第一管状结构32与第二管状结构44形状相同但管径不同。
第一管状结构32与第二管状结构44可由玻璃、金属、合金或高分子所构成。两管状结构的管径不同，其中具有较小管径者可为中空或实心构造。第一管状结构32与第二管状结构44的形状并不受限，可制作成包括直管、弯管、半圆管或螺旋管等。
导电层34可包括铟锡氧化层(Indium Tin Oxide，ITO)或铝锌氧化层(Aluminum Zinc Oxide，AZO)。电子传输层36可为一二氧化钛层。染料层38可包括钌(ruthenium)、花青素(anthocyanidins)或叶绿素(chlorophyll)。
金属层42可包括钯(palladium，Pd)或铂(platinum，Pt)。电解液40可包括碘离子。电解液40填入的空隙具有相同距离，大约小于50微米。
本发明将太阳能电池单元的光电反应面积增大的作法是将太阳能电池单元结构设计成管状。若以一般直管的太阳能电池单元与传统平面式太阳能电池单元在相同面积下作比较，直管式太阳能电池内可涂布电子传输层的表面积为平面式的3倍，因此可知，管状太阳能电池单元是一种可有效增加光电反应面积的结构设计。且依本发明来看，两管状结构只须符合相同形状、不同管径，其外型即可制作成直管、圆管、螺旋管等各种形状，毫不受限。而由于太阳能电池形状非传统的平面式，故可应用的层面更为广泛。
本发明另提供一种太阳能电池模块，包括多个上述太阳能电池组件。
请参阅图4～图6，说明本发明太阳能电池模块。
请参阅图4，太阳能电池模块50由多个太阳能电池组件52所组成，每一太阳能电池组件52呈水平排列，并以一导线54彼此串接。
请参阅图5，太阳能电池模块50’由多个太阳能电池组件52’所组成，每一太阳能电池组件52’呈直立排列，并以一导线54彼此串接。亦可在太阳能电池组件52’底部设置一反射装置56，以增加光利用率，提升光电转换效率。反射装置56可为一反射板。
请参阅图6，太阳能电池模块50”由多个管状太阳能电池组件52”所组成，并在管状太阳能电池组件52”底部设置一反射装置56’，同样为增加光利用率，提升光电转换效率。反射装置56’亦可为一反射板。
虽然本发明已以优选实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何业内人士，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (16)

1.一种太阳能电池组件，包括：
一第一管状结构；
一电子传输层，涂布于该第一管状结构上；
一第二管状结构；
一金属层，涂布于该第二管状结构上，其中该第一与第二管状结构的管径不同，该电子传输层与该金属层相对排列且该两管状结构间形成有一空隙；
一染料层，涂布于该电子传输层上；以及
一电解质，填充于该空隙内。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池组件，该第一与第二管状结构是由玻璃、金属、合金或高分子所构成。
3.根据权利要求1所述的太阳能电池组件，该第一与第二管状结构中具有较小管径者为中空或实心。
4.根据权利要求1所述的太阳能电池组件，该第一与第二管状结构包括直管、弯管、半圆管或螺旋管。
5.根据权利要求1所述的太阳能电池组件，该电子传输层为一二氧化钛层。
6.根据权利要求1所述的太阳能电池组件，还包括一导电层，形成于该电子传输层与该第一管状结构之间。
7.根据权利要求6所述的太阳能电池组件，该导电层包括铟锡氧化层或铝锌氧化层。
8.根据权利要求1所述的太阳能电池组件，该金属层包括钯或铂。
9.根据权利要求1所述的太阳能电池组件，该空隙具有相同的距离。
10.根据权利要求1所述的太阳能电池组件，该染料层包括钌、花青素或叶绿素。
11.根据权利要求1所述的太阳能电池组件，该电解液包括碘离子。
12.一种太阳能电池模块，包括多个根据权利要求1所述的太阳能电池组件。
13.根据权利要求12所述的太阳能电池模块，其中所述太阳能电池组件呈水平或直立排列。
14.根据权利要求12所述的太阳能电池模块，还包括一导线，串接所述太阳能电池组件。
15.根据权利要求12所述的太阳能电池模块，还包括一反射装置，设置于所述太阳能电池组件底部。
16.根据权利要求15所述的太阳能电池模块，其中该反射装置为一反射板。
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