CN101615514A - 一种染料敏化太阳能电池并联组件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种染料敏化太阳能电池并联组件及其制造方法，包括相对设置的光阳极和对电极，以及设置于光阳极和对电极中间位置的电解质层，光阳极包括透明导电基底、金属栅电极、致密半导体层，透明导电基底上设置有金属栅电极，金属栅电极上制备有致密半导体层，其致密半导体层覆盖于透明导电基底和金属栅电极之上，致密半导体层上还包覆有纳米多孔半导体层，对电极包括导电基底、催化剂铂层，其催化剂铂层制备于导电基底上，本发明设计合理，技术集合度高，金属栅电极大大减小了电子收集电阻，提高了染料敏化太阳能电池并联组件的有效面积光电转换效率，并且增大了染料敏化太阳能电池组件的有效利用面积，从而提高了整体的光电转换效率。

Description

一种染料敏化太阳能电池并联组件及其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术，特别是涉及一种染料敏化太阳能电池并联组件及其制备方法。
背景技术
染料敏化太阳能电池成本低廉、制备工艺简单、环保，被认为是硅太阳能电池最有力的竞争者。染料敏化太阳能电池主要由光阳极、对电极和电解质层组成。光阳极与对电极相对设置，电解质层被设置在光阳极与对电极之间。对电极包括导电基底和催化剂层，催化剂层被制备在导电基底上。光阳极包括导电基底、半导体层以及染料，半导体层被制备在导电基底的导电面上，半导体层吸附有染料。
导电基板一般为包覆了掺氧化铟锡(ITO)或掺氟氧化锡(FTO)等透明导电膜的玻璃基板或其他柔性导电材料，但是，ITO和FTO的电阻率为10-4～10-3Ω·cm左右，是银、铜等金属电阻率的100倍左右。因此，市售的透明导电基底具有较高的电阻值，在用于染料敏化太阳能电池时，特别是大面积染料敏化太阳能电池组件时，光电转换效率明显下降。虽然可以考虑通过提高透明导电层(ITO或FTO等)的厚度来降低透明导电基底的电阻。但是导电层厚度的增大会导致其对光的吸收率增大，同样会降低染料敏化太阳能电池的光电转换效率。
为了解决这一问题，目前常用的方法是在导电基底设置金属或其它高电导率材料作为栅极，并通过大量的金属栅极将大面积电池分割为若干长条状单电池，减少电子在导电膜中传输的距离，提高电池的性能，如图1所示，图1是现有的染料敏化太阳能电池并联组件的结构的剖面图，其金属栅电极2所用材料通常为银、铜、镍等金属，并通过印刷或电镀的方法进行制备。但是，必须在金属栅电极2的表面设置另外一层保护层4，以防止电解质层5的电解液对金属栅电极2的腐蚀，同时起封装作用。但该方法具有以下问题：
透明导电基底1上制备的大量金属栅电极2和保护层4阻挡了光线的入射，大大减低了透明电极窗体的光利用率。目前大面积染料敏化太阳能电池组件的有效面积比为60-80％。因此，目前大面积染料敏化太阳能电池组件的效率还远远低于小面积电池的效率。提高大面积染料敏化太阳能电池组件的效率，是染料敏化太阳能电池产业化的关键。
发明内容
本发明的目的正是针对现有技术存在的技术缺陷，提出一种染料敏化太阳能电池并联组件及其制备方法，有效的减小了导电基底的电阻并且增大了电池组件的有效面积比(有效面积比指的是半导体层在透明导电基底上所占据的面积百分比)，从而大大提高了染料敏化太阳能电池并联组件的光电转换效率。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
本发明的第一特征在于提供一种染料敏化太阳能电池并联组件，包括光阳极、对电极、电解质层，其光阳极包括透明导电基底、金属栅电极以及致密半导体层，透明导电基底上设置有金属栅电极，金属栅电极上制备有致密半导体层，其致密半导体层覆盖于透明导电基底和金属栅电极之上，致密半导体层上还包覆有纳米多孔半导体层，纳米多孔半导体层上吸附有染料，其致密半导体层以及纳米多孔半导体层可以为同一种半导体或不同种半导体，所述的对电极包括导电基底、催化剂铂层，其催化剂铂层制备于导电基底上，光阳极与对电极相对设置，电解质层设置于光阳极和对电极的中间位置，透明导电基底可以是透明导电玻璃或透明玻璃或透明导电塑料或透明塑料，金属栅电极为金、银、铜、铝、肽、锌、锡、铁、铂中的一种或多种金属的合金，其金属栅电极可以是条纹状或者是网格状，优选网格状，致密半导体层厚度为1-1000nm，优选11-150nm，半导体为氧化肽、氧化锌、氧化锡、氧化钨、氧化铌中的一种或多种半导体的复合物。
本发明的第二特征在于提供一种染料敏化太阳能电池并联组件的制造方法，主要包括以下步骤：
a、采用肽板作为对电极的导电基底，将催化剂铂层通过热解法或印刷法制备于肽板上；
b、在透明导电基底上涂布金属栅电极，以提高电池足见的有效接触面积比；
c、在涂布有金属栅电极的透明导电基底上制备至少一层的致密半导体层，其致密半导体层将金属栅电极以及透明导电基底覆盖住，使得金属栅电极免受电解质层的侵蚀，亦避免了电解质层的离子直接接触到透明导电基底，减小电池暗电流的发生；
d、通过印刷法或刮涂法或喷雾热分解法或旋涂法在致密半导体层上涂制染料制备纳米多孔半导体层，其纳米多孔半导体层为一整体且连续的膜。
本发明进一步的技术措施是，所述的致密半导体层可通过溅射法或蒸镀法或喷雾热解法制备而成，所述的金属栅电极可通过溅射法或蒸镀法或浇注法或浇铸法制备而成。
本发明与现有技术相比，具有以下显著的进步和突出的特点：
1：采用具有极好导电性能的肽作为电极的导电基底，所以不需要在对电极上布金属栅电极，另外，在透明导电基底上布采用网格状的金属栅电极，金属栅电极即为金属线，因为网格状的金属线更能够减小透明导电基底的电阻；
2：采用了细小的金属线，并且结合纳米多孔半导体层，可大大提高电池组件的有效面积比，造价低廉，具有结构合理，操作简单，实用性高的技术优点。
3：致密半导体层保护了金属栅电极，又使得电解质层中的离子不能直接接触到透明导电基底，这既简化了工艺，有能减小电池的暗电流，有效提高了电池的光电转换效率。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是现有染料敏化太阳能电池并联组件的结构剖面图；
图2是本发明的染料敏化太阳能电池并联组件的结构剖面图。
图中：1、透明导电基底，2、金属栅电极，3、半导体膜，4、保护层，5、电解质层，6、催化剂铂层，7、导电基底，8、纳米多孔半导体层，9、致密半导体层。
具体实施方式
根据图2所示，本发明包括光阳极、对电极以及电解质层，其中光阳极包括透明导电基底1、金属栅电极2、致密半导体层9，透明导电基底1上设置有金属栅电极2，金属栅电极2上制备有致密半导体层9，其致密半导体层9覆盖于透明导电基底1和金属栅电极2之上，致密半导体层9上还包覆有纳米多孔半导体层8，纳米多孔半导体层8上吸附有染料，其对电极包括导电基底7、催化剂铂层6，其催化剂铂层6制备于导电基底7上，光阳极与对电极相对设置，电解质层5设置于光阳极和对电极的中间位置。
实施例一：
作为光阳极的透明导电基底1，使用100mm×100mm的FTO透明导电玻璃，在其表面将印刷用的银浆(烧结后的体积电阻率为5×10-6Ω)丝网印刷成网格状。经150℃烘干5分钟，在500℃下烧5分钟，就形成了银线网络。银线网络即为金属栅电极2，金属栅电极2的宽度是0.3mm，厚度为3μm，银线之间的间距为8mm。然后，通过溅射法在涂有金属栅电极2的透明导电基底1上形成一层厚度为100nm，采用氧化钛的致密半导体层9，简称为致密氧化钛层，其致密氧化钛层不仅覆盖了银线网络，也覆盖了未被银线网络覆盖的透明导电基底1的区域。
然后，将分散松油醇染料涂敷于致密半导体层9上，经干燥后在500℃下烧结15分钟，形成了厚度为10μm的纳米多孔氧化钛层，即为纳米多孔半导体层8。接着，将其在钌联吡啶配位化合物(N719染料)的乙醇溶液中浸泡20小时进行染料负载，从而制备了光阳极。作为对电极，使用钛板作为对电极的导电基底7，采用10mmol的氯铂酸松油醇溶液(松油醇中含有5wt％的乙基纤维素)作为铂浆料，采用丝网印刷将铂浆料印刷到钛板上，再经过400℃烧10分钟，从而在钛板上形成催化剂铂层6。将光阳极和对电极在60μm厚的热封薄膜作为隔板介入的状态下相对设置，通过热封薄膜的热熔融固定两电极。此时，作为电解质层5的注入口，将对电极的一部分空出。并向该注入口注入成分为0.5M碘化锂和0.05M碘的乙腈溶液形成电解质层5。再用热封薄膜将注入口封住。从而制成了大面积染料敏化太阳能电池并联组件。在AM-1.5的模拟太阳光检测下，该并联组件的总面积光电转换效率为4.0％(该并联组件的有效面积比为90％)。
对比与图1所示的现有技术，其作为光阳极的透明导电基底1，使用的是100mm×100mm的FTO导电玻璃，在其表面，将印刷用的银浆(烧结后的体积电阻率为5×10-6Ω)丝网印刷成条纹状。经150℃烘干5分钟，在500℃下烧5分钟，就形成了银线，银线即为金属栅电极2，银线的宽度是1mm，膜厚为3μm，银线之间的间距为11mm。然后，采用丝网印刷的方法涂敷氧化钛(平均粒径20nm)的分散松油醇浆料，氧化钛被涂敷成条纹状，并且氧化钛与银线之间留有1mm的空隙，干燥后在500℃下烧结15分钟，形成了厚度为10μm的半导体膜3。接着，将其在钌联吡啶配位化合物(N719染料)的乙醇溶液中浸泡20小时进行染料负载，从而制备了光阳极。作为对电极，使用导电玻璃作为对电极的导电基板，同光阳极一样印刷上银线，然后采用10mmol的氯铂酸松油醇溶液(松油醇中含有5wt％的乙基纤维素)作为铂浆料，采用丝网印刷将铂浆料印刷到导电玻璃上，再经过400℃烧10分钟，从而在导电玻璃上形成催化剂铂层6。将光阳极和对电极在60μm厚的热封薄膜作为隔板介入的状态下相对设置，通过热封薄膜的热熔融固定两电极，该热封薄膜既起保护银线的作用，同时也起封装作用。此时，作为电解质的注入口，将对电极的一部分空出。由该注入口注入主成分为0.5M碘化锂和0.05M碘的乙腈溶液形成电解质层5。再用热封薄膜将注入口封住。从而制成了大面积染料敏化太阳能电池并联组件。在AM-1.5的模拟太阳光检测下，由于透明导电基底1上制备的大量金属栅电极2和保护层4阻挡了光线的入射，大大减低了透明电极窗体的光利用率，故该并联组件的总面积光电转换效率仅为2.5％(该并联组件的有效面积比仅为62％)。
实施例二：
作为光阳极的透明导电基底1，使用100mm×100mm的透明导电塑料，其透明导电塑料具体为镀有ITO的PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)膜，在其表面，将印刷用的低温银浆(烧结后的体积电阻率为8×10-5Ω)丝网印刷成网格状。经120℃烘干20分钟，就形成了银线网络。即为金属栅电极2，银线的宽度是0.3mm，膜厚为5μm，银线之间的间距为8mm。然后，通过溅射法在涂有银线的透明导电基底1上形成一层厚度为50nm，采用氧化钛的致密半导体层9，简称为致密氧化钛层，该致密氧化钛层不仅覆盖了银线网络，也覆盖了未被银线网络覆盖的透明导电基底1的区域。然后，将分散松油醇染料涂敷于致密半导体层9上，干燥后在热压机上进行10N/cm2的压力处理，形成了厚度为10μm的纳米多孔氧化钛层，即为纳米多孔半导体层8。接着，将其在钌联吡啶配位化合物(N719染料)的乙醇溶液中浸泡20小时进行染料负载，从而制备了光阳极。作为对电极，使用钛板作为对电极的导电基底7，采用10mmol的氯铂酸松油醇溶液(松油醇中含有5wt％的乙基纤维素)作为铂浆料，采用丝网印刷将铂浆料印刷到钛板上，再经过400℃烧10分钟，从而在钛板上形成催化剂铂层6。将光阳极和对电极在60μm厚的热封薄膜作为隔板介入的状态下相对设置，通过热封薄膜的热熔融固定两电极。此时，作为电解质的注入口，将对电极的一部分空出，由该注入口注入成分为0.5M碘化锂和0.05M碘的乙腈溶液形成电解质层5。再用热封薄膜将注入口封住。从而制成了大面积染料敏化太阳能电池并联组件。在AM-1.5的模拟太阳光检测下，该并联组件的总面积光电转换效率为3.0％(该并联组件的有效面积比为90％)。
对比与图1所示的现有技术，作为光阳极的透明导电基底1，使用100mm×100mm的透明导电塑料，其透明导电塑料具体为镀有ITO的PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)膜，在其表面，将印刷用的银浆(烧结后的体积电阻率为8×10-5Ω)丝网印刷成条纹状。经120℃烘干20分钟，就形成了银线，银线的宽度是1mm，膜厚为3μm，银线之间的间距为11mm。然后，采用丝网印刷的方法涂敷氧化钛(平均粒径20nm)的分散松油醇浆料，氧化钛被涂敷成条纹状，并且氧化钛与银线之间留有1mm的空隙，干燥后在热压机上进行10N/cm2的压力处理，形成了厚度为10μm的半导体膜3。接着，将其在钌联吡啶配位化合物(N719染料)的乙醇溶液中浸泡20小时进行染料负载，从而制备了光阳极。作为对电极，使用的镀有ITO的PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)膜作为对电极的导电基底7，同光阳极一样印刷上银线，然后通过溅射法溅射上一层500nm厚的催化剂铂层6。将光阳极和对电极在60μm厚的热封薄膜作为隔板介入的状态下相对设置，通过热封薄膜的热熔融固定两电极，该热封薄膜既起保护银线的作用，同时也起封装作用。此时，作为电解质的注入口，将对电极的一部分空出。由该注入口注入成分为0.5M碘化锂和0.05M碘的乙腈溶液形成电解质层5，再用热封薄膜将注入口封住。从而制成了大面积染料敏化太阳能电池并联组件，在AM-1.5的模拟太阳光检测下，由于透明导电基底1上制备的大量金属栅电极2和保护层4阻挡了光线的入射，大大减低了透明电极窗体的光利用率，该并联组件的总面积光电转换效率仅为1.9％(该并联组件的有效面积比仅为62％)。
以上内容是结合具体的主要实施方式所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。本领域技术人员在不脱离本发明构思的前提下，所作出的其他若干技术精确、美化的推演或替换，都应当属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1、一种染料敏化太阳能电池并联组件，包括光阳极、对电极、电解质层，其特征在于：所述的光阳极包括透明导电基底、金属栅电极、致密半导体层，透明导电基底上设置有金属栅电极，金属栅电极上制备有致密半导体层，其致密半导体层覆盖于透明导电基底和金属栅电极之上，致密半导体层上还包覆有纳米多孔半导体层，纳米多孔半导体层上吸附有染料，其致密半导体层以及纳米多孔半导体层可以为同一种半导体或不同种半导体，所述的对电极包括导电基底、催化剂铂层，其催化剂铂层制备于导电基底上，光阳极与对电极相对设置，电解质层设置于光阳极和对电极的中间位置。
2、根据权利要求1所述的一种染料敏化太阳能电池并联组件，其特征在于：所述的透明导电基底可以是透明导电玻璃或透明玻璃或透明导电塑料或透明塑料。
3、根据权利要求1所述的一种染料敏化太阳能电池并联组件，其特征在于：所述的金属栅电极为金、银、铜、铝、肽、锌、锡、铁、铂中的一种或多种金属的合金，其金属栅电极可以是条纹状或者是网格状，优选网格状。
4、根据权利要求1所述的一种染料敏化太阳能电池并联组件，其特征在于：所述的致密半导体层厚度为1-1000nm，优选1-150nm。
5、根据权利要求1所述的一种染料敏化太阳能电池并联组件，其特征在于：所述的半导体为氧化肽、氧化锌、氧化锡、氧化钨、氧化铌中的一种或多种半导体的复合物。
6、一种染料敏化太阳能电池并联组件的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、采用肽板作为对电极的导电基底，将催化剂铂层通过热解法或印刷法制备于肽板上；
b、在透明导电基底上涂布金属栅电极；
c、在涂布有金属栅电极的透明导电基底上制备至少一层的致密半导体层，其致密半导体层将金属栅电极以及透明导电基底覆盖住；
d、通过印刷法或刮涂法或喷雾热分解法或旋涂法在致密半导体层上涂制染料制备纳米多孔半导体层，其纳米多孔半导体层为一整体且连续的膜。
7、根据权利要求6所述的一种染料敏化太阳能电池并联组件的制造方法，其特征在于：所述的致密半导体层可通过溅射法或蒸镀法或喷雾热解法制备而成。
8、根据权利要求6所述的一种染料敏化太阳能电池并联组件的制造方法，其特征在于：所述的金属栅电极可通过溅射法或蒸镀法或浇注法或浇铸法制备而成。
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