CN101694818A - 一种大功率染料敏化太阳能电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大功率染料敏化太阳能电池，该太阳能电池由多个条状单体染料敏化太阳能电池(DSC)以串联或并联方式构成，该太阳能电池包括相互面对的、含有多个条状单体电池区域的上基板和下基板，光阳极和对电极分别形成在上基板和下基板上，染料吸附在光阳极上。上基板和下基板通过低熔点玻璃粉或环氧树脂封接，并用直径大小为20～100微米的玻璃小球或聚合物小球作为隔离材料，在大面积上、下基板间形成间距均匀的空间，电解液填充在上基板和下基板之间的空间。本发明提高了光吸收效率，并解决了TiO₂、ZnO类纳米材料染料敏化太阳能电池存在的稳定性差、面积小、器件的一致性和重复性差等问题，并适用于工业化大规模生产。

Description

一种大功率染料敏化太阳能电池

技术领域

本发明涉及太阳能电池，特别是一种大面积高功率染料敏化太阳能电池及其制备和封装方法。

背景技术

纳晶染料敏化太阳能电池(DSC)是以染料敏化多孔纳米结构薄膜为光阳极，根据光生伏特原理，将太阳能直接转换成电能的一种半导体光电器件，是伴随着半导体电化学发展起来的一个崭新的科学研究领域。1991年，瑞士洛桑高等工业学院

教授所领导的研究小组，以高比表面积的纳米TiO₂多孔膜作为半导体电极，以Ru等有机金属化合物作为光敏化染料，选用适当的氧化还原电解质做介质，组装成TiO₂纳米晶染料敏化太阳能电池，其小面积(＜1cm²)光电转换效率在AM1.5模拟太阳光照射下达7.1％，被人们誉为新一代太阳能电池。这一重大突破为光电化学电池的发展带来了革命性的创新，引起染料敏化太阳能电池研究的一次热潮。1993年，

等再次报道了光电转换效率达到10％的小面积染料敏化太阳能电池，1997年，光电转效率进一步提高到11％。小面积DSC的光电转效率这一参数已接近实用化水平。

大面积DSC的研究是这种电池迈向产业化的一个重要步骤，目前也越来越受到关注。大面积DSC不是小面积DSC的一个简单的放大，由于电池内部电阻会随着面积的增大而显著增大，从而使电池效率降低。因此在电池两极沉积一层低电阻栅网导电电极成为制作大面积DSC的一个必要步骤。目前DSC主要采用含有I^-/I₃ ^-氧化还原电对的液体电解质，虽然具有较高的光电转换效率，但由于液体电解质易泄漏，有机溶剂易挥发，造成电池密封困难，液态电介质含有I^-/I₃ ^-氧化还原对，是一种化学活性、腐蚀性极强的物质，电池在长期工作过程中，电解质腐蚀沉积的栅网导电电极，导致电池性能下降，使用寿命缩短。DSC器件的可靠性、稳定性有很大的局限性。另外电池两级间的间距对电池的性能有很大的影响：间距过大，易增大电池内部电阻，降低电池性能；间距过小，则容易引起电池内部的短路。而电池内部间距的不均匀也易影响DSC器件的重复性和稳定性。因此纳晶染料敏化太阳能电池制作过程中如何解决溶剂的泄漏和挥发、电极腐蚀、电池间距等影响电池稳定性、重复性的问题，解决器件封装的关键技术问题，提高器件的稳定性和可靠性，提高器件制备工艺的一致性和可重复性是染料敏化太阳能电池工业化大规模生产中面临的几个主要难题。另一方面还需要尽量简化工艺、降低成本，制备出大面积具有高可靠性的太阳能电池，从而使得DSC太阳能电池能最终得到广泛应用。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种大功率染料敏化太阳能电池及制备和封装方法，该太阳能电池具有大面积、高可靠性，其制备工艺的一致性和重复性好，适用于工业化大规模生产。

本发明的目的是这样实现的：

一种大功率染料敏化太阳能电池，特点是该电池由上基板、下基板、透明导电层、低电阻栅网电极、数个条状单体电池、隔离材料及封接材料构成；所述条状单体电池包括染料敏化纳米多孔氧化物薄膜、电解质和对电极；单体电池以串联或并联方式相互连接。

所述上基板、下基板为玻璃板、陶瓷板、不锈钢板、钛板或聚合物衬底板，透明导电层和低电阻栅网电极制备在上基板、下基板上。

所述透明导电层为SnO:F，ZnO:Al或ITO薄膜，采用化学气相沉积、磁控溅射、化学镀、电化学镀、浸镀、真空蒸发、旋涂或超声镀制备。

所述低电阻栅网电极是由耐腐蚀低电阻金属材料直接制备而成或由不耐腐蚀低电阻金属材料覆盖保护层构成；耐腐蚀低电阻金属材料或不耐腐蚀低电阻金属材料采用磁控溅射、真空蒸发、化学镀、电化学镀、丝网印刷、浸镀、旋涂或超声镀制备；保护层采用磁控溅射、旋涂或丝网印刷制备。

所述耐腐蚀低电阻金属材料为W或Pt；不耐腐蚀低电阻金属材料为Ag、Au、Cu、Al、Ti、Ni或Mo。

所述保护层材料为玻璃、陶瓷、SiO₂或高分子材料。

所述染料敏化纳米多孔氧化物薄膜为氧化物半导体TiO₂、ZnO、SnO₂或In₂O₃纳米颗粒、纳米管或纳米纤维所制备的纳米氧化物多孔互连薄膜。

所述对电极为铂、碳纳米管、碳纳米纤维、石墨、碳黑或石墨烯电极，采用热分解、磁控溅射、蒸镀、电镀、丝网印刷或溶液法制备。

所述封接材料为低熔点玻璃粉、热固化环氧树脂或紫外固化环氧树脂。

所述隔离材料为玻璃、SiO₂、陶瓷或聚合物小球，直径大小为20～100微米，隔离材料置于封接材料中或均匀喷洒在透明导电层上。

本发明提供的大功率染料敏化太阳能电池的制作方法包括以下几个步骤：

a、透明导电上、下基板清洗，依次用丙酮、酒精、去离子水分别超声清洗15～20分钟，再用纯氮吹干；

b、制备纳米氧化物半导体浆料；

c、丝网印刷各功能层，包括低电阻率栅网电极、纳米氧化物薄膜及对电极层；

d、干燥和焙烧处理；

e、丝网印刷电极保护材料覆盖栅网电极；

f、注入染料；

g、均匀混合隔离材料小球和电池封接材料；

h、丝网印刷混合封接材料在电池边框，留两电解液注入口；

i、利用真空层压机将工作电极和对电极对准并压在一起制备电池，通过一定温度烧结或紫外固化；

j、灌入电解质并密封液体流入开口。

本发明采用了类似传统硅太阳电池电极的制备方法，将单体DSC太阳能电池设计为条状电池，减少电子的传输距离，改善电池的性能。电池组件通过增加内部耐腐蚀电极的连接，同时利用高分子材料、玻璃或陶瓷等材料覆盖电极表面，对电极进行保护，把条状DSC串联或并联成大面积实用化电池。同时通过内部加入一定大小的隔离小球，使得大面积DSC内部两极间的间距保持均匀不变，改善了大面积电池的可靠性、工艺的一致性和重复性，适用于大规模生产。

附图说明

图1为本发明结构示意图

图2为图1中C处局部放大图，其中隔离材料置于封接材料中

图3为图2A-A处剖视图

图4为本发明另一实施例局部放大图，其中隔离材料置于基板上

图5为图4B-B处剖视图

具体实施方式

染料敏化太阳能电池DSC单体电池不能直接作为实用化的电池使用。作电源用必须将若干单体电池串、并联连接并严密封装成大面积组件后使用。在封装过程中加入一定量均匀大小的小球作为隔离材料，保证其可靠性、一致性和重复性。

参阅图1～图5，本发明的大功率染料敏化太阳能电池由上基板1、下基板2、透明导电层5、低电阻栅网电极9、数个条状单体电池11、隔离材料4及封接材料3构成；条状单体电池11主要包括染料敏化纳米多孔氧化物薄膜7、电解质6和对电极8；单体电池11以串联或并联的方式互相连接；太阳能电池的封接是通过低熔点玻璃粉或环氧树脂封接，并利用直径大小为20～100微米的玻璃小球或聚合物小球作为隔离材料4，在大面积上、下基板间形成均匀间距的空间。隔离材料小球可混合于封装材料中，也可均匀喷洒在基板上；电池染料和电解质的灌注通过灌注槽左上方的一个小孔10和右下方另一个小孔10进行。

下面结合具体实施例对本发明所述的大功率染料敏化太阳能电池的封装方法、制作工艺方法进行说明。

实施例1

玻璃基板太阳能电池

按照制作染料敏化单体太阳能电池的工艺方法制备TiO₂胶体溶液并配成浆料，并准备铂对电极、银胶等丝网印刷浆料，将隔离材料小球均匀混合入低熔点玻璃粉准备封接浆料，准备制备TiO₂纳米多孔薄膜、铂对电极、银胶线，玻璃粉线。各薄膜层及电极的位置如图3所示。制备工艺及步骤：(1)上、下基板采用透明导电TCO玻璃并对其进行清洗，依次用丙酮、酒精、去离子水分别超声清洗15分钟，再用纯氮吹干；(2)丝网印刷各功能层：包括纳米TiO₂薄膜、铂对电极层、银胶电极，混合隔离小球的玻璃粉线；(3)干燥处理，每印刷完一功能层，样品置于对流炉于100～150℃干燥处理10～15分钟，玻璃粉线作为银胶线的保护层和封装材料而分布在银胶线的表面和两侧；(4)焙烧处理，样品置于玻璃熔化炉在450～500℃焙烧10～15分钟；(5)焙烧后，将样品对电极与工作电极对准，在高温下(520～550℃)进行玻璃熔化、严密密封银胶线；(6)利用气压系统(6～8Bar)循环泵从电解质灌注口室温下泵入染料，染料注入时间大约为20～24h；(7)从电解质灌注口室温下泵入液态电解质，并保持持续泵入1～1.5分钟，去处染料渣子，然后停止泵入，让电解质保持在电池中。如果是利用离子电解质，样品需加热到70℃减少电解质的粘度，再灌入离子电解质；(8)利用玻璃料或陶瓷材料或高分子材料(如密封Surlyn，Dupont)密封电池边缘灌注口。

实施例2

不锈钢基板太阳能电池

按照制作染料敏化单体太阳能电池的工艺方法制备TiO₂胶体溶液并配成浆料，并准备银胶等丝网印刷浆料，准备制备TiO₂纳米多孔薄膜。各薄膜层及电极的位置如图5所示。制备工艺及步骤：(1)上基板采用透明聚合物板(ITO-PET、ITO-PEN)、下基板采用不锈钢板，并对其进行清洗，依次用丙酮、酒精、去离子水分别超声清洗15分钟，再用纯氮吹干；(2)在透明聚合物基板上溅射一层Pt对电极、Ag电极；(3)在不锈钢基板上喷洒玻璃小球，玻璃小球均匀稀疏的分布在整块基板表面；(4)丝网印刷各功能层，包括纳米TiO₂薄膜、银胶电极在不锈钢基板上；(5)干燥处理，每印刷完一功能层，样品置于对流炉于100～150℃干燥处理10～15分钟；(6)焙烧处理，样品置于玻璃熔化炉在450～500℃焙烧10～15分钟；(7)吸附染料；(8)在电极上用丝网印刷或点胶的方法涂上紫外固化胶边框，留两电解质灌注口，如图1所示，将样品对电极与工作电极对准，在紫外灯下固化；(9)从电解质灌注口室温下泵入液态电解质，让电解质保持在电池中。如果是利用离子电解质，样品需加热到70℃减少电解质的粘度，再灌入离子电解质；(10)利用紫外固化胶密封电池边缘灌注口。

实施例3

聚合物基板太阳能电池

按照制作染料敏化单体太阳能电池的工艺方法制备TiO₂胶体溶液并配成浆料，准备制备TiO₂纳米多孔薄膜；各薄膜层及电极的位置如图5所示。制备工艺及步骤：(1)上、下基板采用透明聚合物板(ITO-PET、ITO-PEN)并对其进行清洗，依次用丙酮、酒精、去离子水分别超声清洗15分钟，再用纯氮吹干；(2)在透明聚合物基板上溅射一层Pt对电极、Ag电极；(3)在另一透明聚合物基板上喷洒玻璃小球，玻璃小球均匀稀疏的分布在整块基板表面；(4)通过压印、丝网印刷等方法在该基板上沉积一层TiO₂薄膜，溅射Ag电极；(5)干燥或水热处理，样品置于对流炉或水热反应釜于100～150℃干燥处理10～15分钟；(6)吸附染料；(7)在电极上用丝网印刷或点胶的方法涂上紫外固化胶边框，留两电解质灌注口，如图1所示，将样品对电极与工作电极对准，在紫外灯下固化；(8)从电解质灌注口室温下泵入液态电解质，让电解质保持在电池中。如果是利用离子电解质，样品需加热到70℃减少电解质的粘度，再灌入离子电解质；(9)利用紫外固化胶密封电池边缘灌注口。

Claims (10)

1.一种大功率染料敏化太阳能电池，其特征在于该电池由上基板、下基板、透明导电层、低电阻栅网电极、数个条状单体电池、隔离材料及封接材料构成；所述条状单体电池包括染料敏化纳米多孔氧化物薄膜、电解质和对电极；单体电池以串联或并联方式相互连接。

2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于所述上基板、下基板为玻璃板、陶瓷板、不锈钢板、钛板或聚合物衬底板，透明导电层和低电阻栅网电极制备在上基板、下基板上。

3.根据权利要求1或2所述的太阳能电池，其特征在于所述透明导电层为SnO:F，ZnO:Al或ITO薄膜，采用化学气相沉积、磁控溅射、化学镀、电化学镀、浸镀、真空蒸发、旋涂或超声镀制备。

4.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于所述低电阻栅网电极是由耐腐蚀低电阻金属材料直接制备而成或由不耐腐蚀低电阻金属材料覆盖保护层构成；耐腐蚀低电阻金属材料或不耐腐蚀低电阻金属材料采用磁控溅射、真空蒸发、化学镀、电化学镀、丝网印刷、浸镀、旋涂或超声镀制备；保护层采用磁控溅射、旋涂或丝网印刷制备。

5.根据权利要求4所述的太阳能电池，其特征在于所述耐腐蚀低电阻金属材料为W或Pt；不耐腐蚀低电阻金属材料为Ag、Au、Cu、Al、Ti、Ni或Mo。

6.根据权利要求4所述的太阳能电池，其特征在于所述保护层材料为玻璃、陶瓷、SiO₂或高分子材料。

7.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于所述染料敏化纳米多孔氧化物薄膜为氧化物半导体TiO₂、ZnO、SnO₂或In₂O₃纳米颗粒、纳米管或纳米纤维所制备的纳米氧化物多孔互连薄膜。

8.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于所述对电极为铂、碳纳米管、碳纳米纤维、石墨、碳黑或石墨烯电极，采用热分解、磁控溅射、蒸镀、电镀、丝网印刷或溶液法制备。

9.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于所述封接材料为低熔点玻璃粉、热固化环氧树脂或紫外固化环氧树脂。

10.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于所述隔离材料为玻璃、SiO₂、陶瓷或聚合物小球，直径大小为20～100微米，隔离材料置于封接材料中或均匀喷洒在透明导电层上。

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