CN101593631B - 一种染料敏化太阳能电池模块的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于太阳能电池技术领域，涉及一种染料敏化太阳能电池模块的制备方法。本发明利用平面丝网印刷和烧结成形的技术来制备染料敏化太阳能电池模块的各个结构层，然后再封装，各个结构层具体为：光阳极由透明玻璃基板、透明导电膜、纳米多孔半导体薄膜、染料吸附层、导电银栅层、绝缘介质保护层和绝缘介质封装层组成；阴极由透明玻璃基板、透明导电膜、铂催化层、导电银栅层、绝缘介质保护层、绝缘介质封装层、紫外固化层和密封基板组成；电解质通过阴极孔洞灌注到光阳极和阴极之间。本发明提供的方法，其技术成熟、成本低、简单、可控、易操作，可实现大面积、多种内部结构的染料敏化太阳能电池模块的量产化制备。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，涉及一种染料敏化太阳能电池模块的制备方法。
背景技术
与硅太阳能电池相比，染料敏化太阳能电池因其简单，成本低，受到全世界的关注，被认为是能取代硅太阳能电池的下一代太阳能电池。染料敏化太阳能电池包括光阳极、电解质和阴极；其中，光阳极和阴极相对叠加，四周密封形成封闭的腔体，腔体中填充有电解质。
目前，关于染料敏化太阳能电池的制备已经成为关注的焦点之一。对于染料敏化太阳能电池的产业化，实现以一种方法或工艺达到电池的结构设计、制造和组装等有显著的意义。目前，虽然有多种方法被提出用于电池的光阳极制作、或阴极制作或电池组装，但还没有以一种方法达到同时实现电池的结构设计、光阳极制作、阴极制作及组装的目的。
发明内容
本发明的目的是提供一种染料敏化太阳能电池模块的制备方法，以一种方法实现电池的结构设计、光阳极制作、阴极制作及组装，适合于低成本、规模化制备染料敏化太阳能电池模块，可实现电池的规模化生产。
本发明通过以下技术方案来实现：
一种染料敏化太阳能电池模块的制备方法，包括以下步骤：
1)光阳极的制备：
通过喷雾热解、溶胶-凝胶、磁控溅射、化学气相沉积、或脉冲激光沉积方法，在透明玻璃基板上沉积透明导电膜；
应用平面丝网印刷工艺，将导电银浆料涂覆在光阳极的透明导电膜上，经烧结制成导电银栅层；
应用平面丝网印刷工艺，将绝缘介质浆料涂覆在导电银栅层上，经烧结制成绝缘介质保护层；
应用平面丝网印刷工艺，将半导体粉体、高分子粘合剂和松油醇混合的浆料涂覆在光阳极的透明导电膜上，经烧结制成纳米多孔半导体薄膜，然后在染料中浸泡进行敏化，染料吸附在纳米多孔半导体薄膜上形成染料吸附层；
2)阴极的制备：
应用平面丝网印刷工艺，将氯铂酸浆料涂覆在阴极的透明导电膜上，经烧结制成铂催化层；
应用平面丝网印刷工艺，将导电银浆料涂覆在铂催化层上，经烧结制成导电银栅层；
应用平面丝网印刷工艺，将绝缘介质浆料涂覆在导电银栅层上，经烧结制成绝缘介质保护层；
在阴极的透明玻璃基板、透明导电膜和铂催化层上超声打孔或者机械打磨两个贯穿阴极并成对角分布的孔洞；
3)封装：
应用平面丝网印刷工艺，将绝缘介质浆料分别涂覆在光阳极的透明导电膜和阴极的铂催化层的四周封接面上，然后将光阳极与阴极叠加，经烧结制成两电极之间的绝缘介质封装层；在绝缘介质封装层烧结完成之后，光阳极与阴极形成四周密封的腔体；
4)电解质灌注：
通过阴极的两个孔洞，往密封腔体中灌注电解质，灌满电解质后，应用平面丝网印刷工艺，将紫外固化胶涂覆在阴极表面覆盖孔洞并用密封基板覆盖，经过光强为300W/cm2的紫外灯照射20～40分钟固化，在密封基板与阴极透明基板之间制成密封的紫外固化层。
所述烧结为经过常温至550℃之间烧结2～3小时固化。
所述透明导电膜其材质是掺锡氧化铟(ITO)、掺氟氧化锡(FTO)、或者掺铝氧化锌(ZAO)。
所述的导电银浆料为金属银粉、玻璃粉、高分子粘合剂和松油醇的混合浆料。
所述的绝缘介质浆料为无机氧化物、玻璃粉、高分子粘合剂和松油醇的混合浆料。
所述的半导体粉体材质为Ti、Zn或Sn元素氧化物的一种或几种的混合物；所述的高分子粘合剂是乙基纤维素、环氧树脂或者酚醛树脂；所述纳米多孔半导体薄膜其厚度为1μm～100μm。
所述的染料为有机类、无机类或者混合染料。
所述的氯铂酸浆料为氯铂酸、乙基纤维素与松油醇的混合物。
所述的电解质为液体电解质、离子液体电解质、准固态电解质、聚合物电解质中的一种。
所述的密封膜为聚苯乙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、或Surlyn(沙林离子化树脂)；所述的密封基板为是平面玻璃板、平面有机玻璃板或者平面塑料板。
与现有技术相比，本发明提供的方法，利用平面丝网印刷和烧结成形的技术来制备染料敏化太阳能电池模块的各个结构层，其技术成熟、成本低、简单、可控、易操作，可实现量产化制备大面积、多种内部结构的染料敏化太阳能电池模块。
本发明提供染料敏化太阳能电池模块的各个结构层的有益效果：导电银栅层能降低电极的内阻，有效地提高电池性能；绝缘介质保护层有效保护导电银栅层，避免其被电解质腐蚀，而绝缘介质不与电解质反应，保持长期稳定，因而使用绝缘介质封装电池，有效地提高了电池的长期稳定性。
附图说明
图1是利用本发明制备的染料敏化太阳电池结构示意图；
图2是的图1沿着A-A向的剖面示意图；
图3为内部结构为五个并列单元的染料敏化太阳能电池平面示意图；
图4为内部结构为十个并列单元的染料敏化太阳能电池平面示意图；
图5为内部结构为十五个并列单元的染料敏化太阳能电池平面示意图；
其中，101-绝缘介质封装层，102-密封基板，103-透明玻璃基板，104-孔洞，105-导电银栅层，106-铂催化层，107-绝缘介质保护层，108-透明导电膜，109-紫外固化层，110-电解质，111-纳米多孔半导体薄膜，112-染料吸附层，113-阴极，114-光阳极。
具体实施方式
下面对本发明做详细解释，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明利用平面丝网印刷和烧结成形的技术来制备染料敏化太阳能电池模块的各个结构层，所述的平面丝网印刷是指使用聚合物胶刮刀，金属网框如铝合金、不锈钢网框，或者木质网框，100目至400目的不锈钢丝网或者涤纶丝网或者尼龙丝网等，采用自动或手动方式将被使用的粘度为10～100帕斯卡秒(Pa·s)的浆料涂覆在光阳极或阴极的基板上，并制成特定图形；所述的烧结成形为过平面丝网印刷后涂覆在电极基板上的材料经过常温至550℃之间烧结2～3小时固化；
本发明提供的染料敏化太阳能电池模块包括光阳极、电解质和阴极；参见图1和图2，具体的的各个结构层为：
光阳极114由透明玻璃基板103、透明导电膜108、纳米多孔半导体薄膜111、染料吸附层112、导电银栅层105、绝缘介质保护层107；
阴极113由透明玻璃基板103、透明导电膜108、铂催化层106、导电银栅层105、绝缘介质保护层107、孔洞104、紫外固化层109和密封基板102组成；
光阳极114和阴极113的四周通过绝缘介质封装层101密封，形成封闭的腔体；
电解质110通过孔洞104灌注到光阳极114和阴极113之间，通过紫外固化层109、密封基板102密封孔洞104。
实施例1
1)光阳极的制备：
通过溶胶-凝胶或脉冲激光沉积方法，在透明玻璃基板103上沉积透明导电膜108；所述透明导电膜108其材质是掺锡氧化铟(ITO)；或者采用购买的沉积有ITO透明导电膜108的透明玻璃基板103；
应用平面丝网印刷工艺，将导电银浆料涂覆在光阳极114的透明导电膜108上，经烧结制成导电银栅层105；所述的导电银浆料为金属银粉、玻璃粉、高分子粘合剂和松油醇的混合浆料，其中，金属银粉的质量百分比含量为60％、玻璃粉的质量百分比含量为2％、高分子粘合剂和松油醇的质量百分比含量为22％，高分子粘合剂和松油醇的质量比为1∶9，所述的高分子粘合剂是乙基纤维素；
应用平面丝网印刷工艺，将绝缘介质浆料涂覆在导电银栅层105上，经烧结制成绝缘介质保护层107；所述的绝缘介质浆料为无机氧化物、玻璃粉、高分子粘合剂和松油醇的混合浆料，其中，无机氧化物的质量分数为60％、玻璃粉的质量分数为2％、高分子粘合剂和松油醇的质量比为1∶9，所述的高分子粘合剂是乙基纤维素；可以自行配置或商购，例如使用Noritake公司的ND-7970G型号的绝缘介质浆料；
应用平面丝网印刷工艺，将半导体粉体、高分子粘合剂和松油醇混合的浆料涂覆在光阳极的透明导电膜108上，经烧结制成纳米多孔半导体薄膜111，然后在染料中浸泡进行敏化，染料吸附在纳米多孔半导体薄膜111上形成染料吸附层112；所述的半导体粉体材质为Ti元素氧化物；所述的高分子粘合剂是环氧树脂；半导体粉体质量百分比含量为18％，乙基纤维素和松油醇的质量比为1∶9；所述的染料为N3染料的乙醇溶液，浓度为0.2mM；所述纳米多孔半导体薄膜其厚度为1μm。
2)阴极的制备：
应用平面丝网印刷工艺，将氯铂酸浆料涂覆在阴极113的透明导电膜108上，经烧结制成铂催化层106；所述的氯铂酸浆料为氯铂酸、乙基纤维素与松油醇的混合物，其中，氯铂酸的质量分数为0.5％，乙基纤维素与松油醇的质量比为1∶5。
应用平面丝网印刷工艺，将导电银浆料涂覆在阴极的铂催化层106上，经烧结制成导电银栅层105；
应用平面丝网印刷工艺，将绝缘介质浆料涂覆在导电银栅层105上，经烧结制成绝缘介质保护层107；所述的绝缘介质浆料使用Noritake公司的ND-7970G型号浆料；
在阴极的透明玻璃基板103、透明导电膜108和铂催化层106上超声打孔或者机械打磨两个贯穿阴极113并成对角分布的孔洞104；
3)封装：
应用平面丝网印刷工艺，将绝缘介质浆料分别涂覆在光阳极114的透明导电膜108和阴极的铂催化层106的四周封接面上，然后将光阳极114与阴极113叠加，经烧结制成两电极之间的绝缘介质封装层101；在绝缘介质封装层101烧结完成之后，光阳极114与阴极113形成四周密封的腔体；
4)电解质灌注：
通过阴极113的两个孔洞104，往密封腔体中灌注电解质110，灌满电解质110后，应用平面丝网印刷工艺，将紫外固化胶涂覆在阴极113表面覆盖孔洞104四周并用密封基板102覆盖，经过光强为300W/cm2的紫外灯照射20分钟固化，在密封基板102与阴极透明基板103之间制成密封的紫外固化层109；
所述的电解质为液体电解质，所述的密封膜为聚苯乙烯，所述的密封基板102为是平面玻璃板。
实施例2
1)光阳极的制备：
通过喷雾热解或磁控溅射方法，在透明玻璃基板103上沉积透明导电膜108；所述透明导电膜108其材质是掺氟氧化锡(FTO)；
应用平面丝网印刷工艺，将导电银浆料涂覆在光阳极114的透明导电膜108上，经烧结制成导电银栅层105；所述的导电银浆料为金属银粉、玻璃粉、高分子粘合剂和松油醇的混合浆料；金属银粉的质量百分比含量为70％、玻璃粉的质量百分比含量为6％、高分子粘合剂和松油醇的质量百分比含量为30％，高分子粘合剂和松油醇的质量比为1∶15，所述的高分子粘合剂是环氧树脂；
应用平面丝网印刷工艺，将绝缘介质浆料涂覆在导电银栅层105上，经烧结制成绝缘介质保护层107；所述的绝缘介质浆料为无机氧化物、玻璃粉、高分子粘合剂和松油醇的混合浆料，其中，无机氧化物的质量分数为70％、玻璃粉的质量分数为4％、高分子粘合剂和松油醇的质量比为1∶12，所述的高分子粘合剂是酚醛树脂；也可以使用Noritake公司的ND-7970G型号的绝缘介质浆料；
应用平面丝网印刷工艺，将半导体粉体、高分子粘合剂和松油醇混合的浆料涂覆在光阳极的透明导电膜108上，经烧结制成纳米多孔半导体薄膜111，然后在染料中浸泡进行敏化，染料吸附在纳米多孔半导体薄膜111上形成染料吸附层112；所述的半导体粉体材质为Zn或Sn元素氧化物；所述的高分子粘合剂是环氧树脂；半导体粉体质量百分比含量为25％，乙基纤维素和松油醇的质量比为1∶10；所述的染料为N719染料的乙醇溶液，浓度为0.8mM；所述纳米多孔半导体薄膜其厚度为50μm。
2)阴极的制备：
应用平面丝网印刷工艺，将氯铂酸浆料涂覆在阴极113的透明导电膜108上，经烧结制成铂催化层106；所述的氯铂酸浆料为氯铂酸、乙基纤维素与松油醇的混合物；其中，氯铂酸的质量分数为3％，乙基纤维素与松油醇的质量比为1∶6。
应用平面丝网印刷工艺，将导电银浆料涂覆在阴极的铂催化层106上，经烧结制成导电银栅层105；
应用平面丝网印刷工艺，将绝缘介质浆料涂覆在导电银栅层105上，经烧结制成绝缘介质保护层107；所述的绝缘介质浆料使用Noritake公司的ND-7970G型号浆料；
在阴极的透明玻璃基板103、透明导电膜108和铂催化层106上超声打孔或者机械打磨两个贯穿阴极113并成对角分布的孔洞104；
3)封装：
应用平面丝网印刷工艺，将绝缘介质浆料分别涂覆在光阳极114的透明导电膜108和阴极的铂催化层106四周的封接面上，然后将光阳极114与阴极113叠加，经烧结制成两电极之间的绝缘介质封装层101；在绝缘介质封装层101烧结完成之后，光阳极114与阴极113形成四周密封的腔体；
4)电解质灌注：
通过阴极113的两个孔洞104，往密封腔体中灌注电解质110，灌满电解质110后，应用平面丝网印刷工艺，将紫外固化胶涂覆在阴极113表面覆盖孔洞104四周并用密封基板102覆盖，经过光强为300W/cm2的紫外灯照射30分钟固化，在密封基板102与阴极透明基板103之间制成密封的紫外固化层109；
所述的电解质为离子液体电解质，所述的密封膜为聚乙烯或聚氯乙烯；所述的密封基板102为是平面玻璃板、平面有机玻璃板或者平面塑料板。
实施例3
1)光阳极的制备：
通过化学气相沉积方法在透明玻璃基板103上沉积透明导电膜108；所述透明导电膜108，其材质是掺铝氧化锌(ZAO)；
应用平面丝网印刷工艺，将导电银浆料涂覆在光阳极114的透明导电膜108上，经烧结制成导电银栅层105；所述的导电银浆料为金属银粉、玻璃粉、高分子粘合剂和松油醇的混合浆料；金属银粉的质量百分比含量为80％、玻璃粉的质量百分比含量为8％、高分子粘合剂和松油醇的质量百分比含量为38％，高分子粘合剂和松油醇的质量比为1∶20，所述的高分子粘合剂是酚醛树脂；
应用平面丝网印刷工艺，将绝缘介质浆料涂覆在导电银栅层105上，经烧结制成绝缘介质保护层107；所述的绝缘介质浆料为无机氧化物、玻璃粉、高分子粘合剂和松油醇的混合浆料，其中，无机氧化物的质量分数为80％、玻璃粉的质量分数为8％、高分子粘合剂和松油醇的质量比为1∶20，所述的高分子粘合剂是酚醛树脂；
应用平面丝网印刷工艺，将半导体粉体、高分子粘合剂和松油醇混合的浆料涂覆在光阳极的透明导电膜108上，经烧结制成纳米多孔半导体薄膜111，然后在染料中浸泡进行敏化，染料吸附在纳米多孔半导体薄膜111上形成染料吸附层112；所述的半导体粉体材质为Zn、Sn元素氧化物的比例为1∶1；所述的高分子粘合剂是环氧树脂；半导体粉体质量百分比含量为36％，乙基纤维素和松油醇的质量比为1∶15；所述的染料为N3染料的乙醇溶液，浓度为2mM；所述纳米多孔半导体薄膜其厚度为100μm。
2)阴极的制备：
应用平面丝网印刷工艺，将氯铂酸浆料涂覆在阴极113的透明导电膜108上，经烧结制成铂催化层106；所述的氯铂酸浆料为氯铂酸、乙基纤维素与松油醇的混合物；其中，氯铂酸的质量分数为5％，乙基纤维素与松油醇的质量比为1∶9。
应用平面丝网印刷工艺，将导电银浆料涂覆在阴极的铂催化层106上，经烧结制成导电银栅层105；
应用平面丝网印刷工艺，将绝缘介质浆料涂覆在导电银栅层105上，经烧结制成绝缘介质保护层107；所述的绝缘介质浆料使用Noritake公司的ND-7970G型号浆料；
在阴极的透明玻璃基板103、透明导电膜108和铂催化层106上超声打孔或者机械打磨两个贯穿阴极113并成对角分布的孔洞104；
3)封装：
应用平面丝网印刷工艺，将绝缘介质浆料分别涂覆在光阳极114的透明导电膜108和阴极的铂催化层106四周的封接面上，然后将光阳极114与阴极113叠加，经烧结制成两电极之间的绝缘介质封装层101；在绝缘介质封装层101烧结完成之后，光阳极114与阴极113形成四周密封的腔体；
4)电解质灌注：
通过阴极113的两个孔洞104，往密封腔体中灌注电解质110，灌满电解质110后，应用平面丝网印刷工艺，将紫外固化胶涂覆在阴极113表面覆盖孔洞104四周并用密封基板102覆盖，经过光强为300W/cm2的紫外灯照射40分钟固化，在密封基板102与阴极透明基板103之间制成密封的紫外固化层109；
所述的电解质为液体电解质、离子液体电解质、准固态电解质、聚合物电解质中的一种；所述的密封膜为Surlyn(沙林离子化树脂)；所述的密封基板102为是平面玻璃板、平面有机玻璃板或者平面塑料板。
参见图3-图5，利用平面丝网印刷技术印刷多种图形结构，构建不同连接结构或者图形的的染料敏化太阳能电池模块，其中，
图3为内部结构为五个并列单元的染料敏化太阳能电池平面示意图；
图4为内部结构为十个并列单元的染料敏化太阳能电池平面示意图；
图5为内部结构为十五个并列单元的染料敏化太阳能电池平面示意图。
Claims (9)
1.一种染料敏化太阳能电池模块的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)光阳极的制备：
通过喷雾热解、溶胶-凝胶、磁控溅射、化学气相沉积、或脉冲激光沉积方法，在透明玻璃基板上沉积透明导电膜；
应用平面丝网印刷工艺，将导电银浆料涂覆在光阳极的透明导电膜局部上，经烧结制成导电银栅层；
应用平面丝网印刷工艺，将绝缘介质浆料涂覆在导电银栅层上，经烧结制成绝缘介质保护层；
应用平面丝网印刷工艺，将半导体粉体、乙基纤维素和松油醇混合的浆料涂覆在光阳极的透明导电膜上，经烧结制成纳米多孔半导体薄膜，然后在染料中浸泡进行敏化，染料吸附在纳米多孔半导体薄膜上形成染料吸附层；其中，半导体粉体、乙基纤维素和松油醇混合的浆料中半导体粉体的质量分数为18～36％，乙基纤维素和松油醇的质量比为1∶9～1∶15；
2)阴极的制备：
应用平面丝网印刷工艺，将氯铂酸浆料涂覆在阴极的透明导电膜上，经烧结制成铂催化层；所述的氯铂酸浆料为氯铂酸、乙基纤维素与松油醇的混合物，其中，氯铂酸的质量分数为0.5％～5％，乙基纤维素与松油醇的质量比为1∶5～1∶9；
应用平面丝网印刷工艺，将导电银浆料涂覆在铂催化层上，经烧结制成导电银栅层；
应用平面丝网印刷工艺，将绝缘介质浆料涂覆在导电银栅层上，经烧结制成绝缘介质保护层；
在阴极的透明玻璃基板、透明导电膜和铂催化层上超声打孔或者机械打磨两个贯穿阴极并成对角分布的孔洞；
3)封装：
应用平面丝网印刷工艺，将绝缘介质浆料分别涂覆在光阳极的透明导电膜和阴极的铂催化层的四周封接面上，然后将光阳极与阴极叠加，经烧结制成两电极之间的绝缘介质封装层；在绝缘介质封装层烧结完成之后，光阳极与阴极形成四周密封的腔体；
4)电解质灌注：
通过阴极的两个孔洞，往密封腔体中灌注电解质，灌满电解质后，应用平面丝网印刷工艺，将紫外固化胶涂覆在阴极表面覆盖孔洞并用密封基板覆盖，经过光强为300W/cm2的紫外灯照射20～40分钟固化，在密封基板与阴极透明基板之间制成密封的紫外固化层。
2.如权利要求1所述的染料敏化太阳能电池模块的制备方法，其特征在于，所述烧结均为经过常温至550℃之间烧结2～3小时固化。
3.如权利要求1所述的染料敏化太阳能电池模块的制备方法，其特征在于，所述光阳极和阴极的透明导电膜的材质是掺锡氧化铟、掺氟氧化锡、或者掺铝氧化锌。
4.如权利要求1所述的染料敏化太阳能电池模块的制备方法，其特征在于，所述光阳极和阴极的导电银浆料为金属银粉、玻璃粉、高分子粘合剂和松油醇的混合浆料，其中，金属银粉的质量分数为60～80％、玻璃粉的质量分数为2～8％、高分子粘合剂和松油醇的质量比为1∶9～1∶20，所述的高分子粘合剂是乙基纤维素、环氧树脂或者酚醛树脂。
5.如权利要求1所述的染料敏化太阳能电池模块的制备方法，其特征在于，所述光阳极和阴极的绝缘介质浆料为无机氧化物、玻璃粉、高分子粘合剂和松油醇的混合浆料，其中，无机氧化物的质量分数为60～80％、玻璃粉的质量分数为2～8％、高分子粘合剂和松油醇的质量比为1∶9～1∶20，所述的高分子粘合剂是乙基纤维素、环氧树脂或者酚醛树脂。
6.如权利要求1所述的染料敏化太阳能电池模块的制备方法，其特征在于，所述的半导体粉体材质为Ti、Zn或Sn元素氧化物的一种或几种的混合物，所述纳米多孔半导体薄膜其厚度为1μm～100μm。
7.如权利要求1所述的染料敏化太阳能电池模块的制备方法，其特征在于，所述的染料为浓度为0.2～2mM的N3或N719染料的乙醇溶液。
8.如权利要求1所述的染料敏化太阳能电池模块的制备方法，其特征在于，所述的电解质为液体电解质、准固态电解质、聚合物电解质中的一种。
9.如权利要求1所述的染料敏化太阳能电池模块的制备方法，其特征在于，所述的密封基板为是透明玻璃板或者透明塑料板。
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