CN101777436A - 染料敏化太阳能电池的封装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种染料敏化太阳能电池的封装方法，其包括步骤：采用丝网印刷技术将TiO2纳米颗粒浆料印在制作工作电极的FTO导电玻璃上，形成若干相互隔离的矩形片状TiO2薄膜；将S1中印刷完成的TiO2薄膜进行烧结并置于染料中浸泡；在液态封装胶内掺入一定比例的间隔剂作为封装材料，并将所述封装材料均匀涂覆于所述TiO2薄膜的间隔中；将对电极覆盖于所述工作电极上并施加均匀压力；将电解质注入到封装材料限定的空间后密封，并完成封装材料的固化。该方案能够提高染料敏化太阳能电池的性能和使用寿命，有助于高效大面积电池的生产加工。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池生产领域，特别是涉及一种染料敏化太阳能电池的封装方法。
背景技术
太阳能电池是一种通过光电效应或者光化学效应直接把光能转换成电能的装置，随着全球人口近年来的不断增加，能源衰竭和全球性的污染已经成为不可忽视的问题。而太阳能作为一种取之不尽用之不竭的可再生的能源，在人类寻求新型能源的历程中，有着其不可替代的重要作用。越来越多的国家开始实行“阳光计划”，开发太阳能资源，寻找经济发展新的动力。
光电转化现象由法国科学家Henri Becqμerel于1839年首次观察到，直到1954年第一个实用性的半导体太阳能电池的问世，才真正实现了将光能转化成电能，成为了现代太阳能电池的先驱。目前，晶体硅太阳能电池被广泛的应用，占据太阳能电池的主要市场。但是晶体硅太阳能电池有着一定的局限性，例如相对成本高，太阳能光电转换效率相对低，硅片厚度较厚等等。于此同时，薄膜太阳能电池引起了人们的兴趣，并有了一定程度的产业应用。与晶体硅相比，薄膜太阳能电池的成本下降较大，而且转换效率进一步提升和大面积生产潜力，市场占有率有进一步提升的空间，但由于其工艺复杂和成本仍然较高，限制了其发展。而作为90年代发展起来的染料敏化太阳能电池，是一种新型的太阳能电池。1991年，瑞士科学家
等人首次利用纳米技术将染料敏化太阳能电池的转化效率提高到7％。染料敏化太阳能电池借助于目前迅猛发展纳米技术，以染料敏化的多孔纳米结构二氧化钛薄膜为工作电极，根据光合作用的原理，以低廉的成本和相对简单的工艺技术作为其技术优势，被广泛的研究，并得以快速发展。
染料敏化太阳能电池主要包括工作电极、电解质和对电极。其中，在导电基底上制备多孔半导体薄膜后，将染料分子吸附在多孔膜上形成工作电极；对电极一般是镀有铂金属层的导电玻璃。电解质中含有氧化还原对，可以是液态、准固态或者固态，常用的电解质是含I3/I4离子的液态。
染料敏化太阳能电池采用上述的三明治结构，在应用到大面积电池产品上时，为保证电池性能的稳定，通常需要电解质厚度保持均匀。与此同时，由于电解液一般具有较强的氧化性和较高的挥发性，为了保证染料敏化太阳能电池使用需要的较长的寿命，对封装技术也提出了更高的要求。
电池中电子的传输和收集主要由导电膜来完成，与之对应的物理模型由三个电阻构成，包括：电解液与对电极的界面电阻、导电薄膜以及外电路的电阻、电解质扩散阻抗。为了控制电解质部分的电阻，合理的使用电解质的量是必须的。但如果电解质用量较少，导电玻璃之间的距离也随之减小，工作电极很容易接触对电极而导致短路，这样的电池在封装过程中难度就加大了。
更重要的一点，大面积染料敏化太阳能电池在组装时必须考虑到封装自动化和一致性、可重复性的需求。大面积生产时，工作电极和对电极之间的对准、电解质厚度的控制等成为必需解决的问题。这要求封装材料有很好的密封性和强度控制，要与工作电极和背电极有很好的黏附性，而且不能自由流动或发生凝集。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对上述对大面积染料敏化太阳能电池封装技术的要求，本发明提出了一种用于高效大面积染料敏化太阳能电池封装技术的解决方案，该方案能够提高染料敏化太阳能电池的性能和使用寿命，有助于高效大面积电池的生产加工。
(二)技术方案
为达到上述目的，提供一种依照本发明实施方式的染料敏化太阳能电池的封装方法，其包括步骤：
S1，采用丝网印刷技术将TiO2纳米颗粒浆料印在制作工作电极的FTO导电玻璃上，形成若干相互隔离的矩形片状TiO2薄膜；
S2，将S1中印刷完成的TiO2薄膜进行烧结并置于染料中浸泡；
S3，在液态封装胶内掺入一定比例(以保证Spacer在封装胶内可以均匀分布为准)的间隔剂作为封装材料，并将所述封装材料均匀涂覆于所述TiO2薄膜的间隔中；
S4，将对电极覆盖于所述工作电极上并施加均匀压力；
S5，将电解质注入到封装材料限定的空间后密封，并完成封装材料的固化。
优选地，所述间隔剂为同一直径的球形绝缘颗粒(直接优选20-50微米)。
优选地，所述封装胶为紫外线固化胶或者其他具有强的抗电解质腐蚀性能的封装胶。
优选地，在所述步骤S3中涂覆所述封装材料前，将所述封装材料置于涂胶机内使得所述间隔剂均匀分布于所述液态封装胶中。
优选地，在步骤S5中，采用滴注或真空灌注法注入电解质。
(三)有益效果
相对于传统的染料敏化太阳能电池的封装工艺，本发明利用自动涂胶设备控制封装的图形，利用间隔剂(Spacer)的直径控制工作电极和对电极之间以及电解质的厚度，提高大面积电池封装的可重复性，实现电池两极板之间的对准和小单元电池之间的隔离，有利于高效大面积电池的生产和应用；整平压合工作电极和对电极时，利用Spacer的直径控制工作电极和对电极之间的厚度，隔离了工作电极和对电极，有效防止太阳能电池的内部短路；通过选用不同Spacer的直径，可以达到控制液态电解液的使用，有效调整电解液部分的阻抗，提高电池的性能；封装材料涂覆于TiO2薄膜的空隙处，不会由于Spacer的存在产生漏光或者降低光穿透率；可以使用强抗腐蚀性能液态固化胶，利用了其强粘着性能和良好的密封性，缩短了封装时间，提高了封装成品率和产品的寿命。
附图说明
图1是根据本发明实施例的在FTO导电玻璃上的丝印TiO2薄膜；
图2是根据本发明实施例的制作好的工作电极；
图3是根据本发明实施例的将掺有Spacer的封装材料涂覆于空隙中后的电极结构示意图；
图4是根据本发明实施例制备的完整的染料敏化电池。
其中，1：导电基片；2：丝印的TiO2薄膜；3：浸泡染料后的TiO2薄膜；4：封装材料；5：Spacer；6：灌注孔；7：电解液；8：铂电极。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
透明导电基片采用日本Nippon Sheet Glass公司的FTO(掺F的氧化锡)导电玻璃。导电玻璃经过超声水浴清洗后烘干。
制备TiO2纳米颗粒浆料：利用溶胶-凝胶法制备纳米TiO2浆料。配制一定量浓度的三乙胺溶液50mL和0.1mol/L乙酸钛溶液250mL。在强烈搅拌下，将三乙胺溶液加入到乙酸钛溶液中；为了使TiO2颗粒均匀，防止颗粒快速团聚，使用滴液漏斗将三乙胺溶液缓慢地加入到乙酸钛溶液中。随着三乙胺溶液的加入，有白色絮状物生成。不断搅拌，经过15h左右，变成稳定的溶胶。然后过滤，除去大颗粒的TiO2。
使用丝网印刷机丝印TiO2纳米颗粒，丝网印刷机的丝网为300目，预留的TiO2薄膜之间的距离为3mm。将样品放置于丝网印刷机的载台上，对准丝网上事先制好的可通过浆料的图形，盖上丝网，用刮刀沾TiO2浆料用力在丝网的图形上均匀刮涂TiO2浆料，其厚度约为7um-10um。TiO2薄膜2上丝印了TiO2纳米颗粒分散溶液后如图1所示。
取下基片，将基片置于马弗炉中500℃下烘烤一个小时。基片上的纳米TiO2，平均半径约为40nm，膜厚为7.0μm。烧结完成以后取出基片，置于N719染料中泡制36h。染料浸泡后的工作电极如图2。接下来将此工作电极用于电池的组装。
将1g直径为20μm的Spacer掺入5g紫外线固化胶内，将此混合体装入手动涂胶设备内，用机械搅拌使Spacer在紫外线固化胶中尽量均匀分布。使用与涂胶设备配套的直径为100μm的涂胶针头，将混合均匀的Spacer与紫外线固化胶的封装材料，在所留的空隙中均匀涂覆。其中，涂覆封装材料时，留1mm没有涂覆封装材料的部分，做为灌注电解液用的灌注孔。
将对电极覆盖于涂覆好封装材料的工作电极上，并手工施加均匀的压力，使其平整。然后将此装置放于紫外线固化机内，使用峰值为365nm，强度为100mw/cm2的紫外光照射20s，将封装材料固化。
用机械泵从所述的灌注孔将腔体抽成真空状态，并注入电解液。然后将封装材料涂覆于灌注孔之上，放置于紫外线固化机内，照射紫外线将封装材料固化，完成电池的封装。
实施例2
透明导电基片采用日本Nippon Sheet Glass公司的FTO(掺F的氧化锡)导电玻璃。导电玻璃经过超声水浴清洗后烘干。
制备TiO2纳米颗粒浆料：利用溶胶-凝胶法制备纳米TiO2浆料。配制一定量浓度的三乙胺溶液50mL和0.1mol/L乙酸钛溶液250mL。在强烈搅拌下，将三乙胺溶液加入到乙酸钛溶液中；为了使TiO2颗粒均匀，防止颗粒快速团聚，使用滴液漏斗将三乙胺溶液缓慢地加入到乙酸钛溶液中。随着三乙胺溶液的加入，有白色絮状物生成。不断搅拌，经过15h左右，变成稳定的溶胶。然后过滤，除去大颗粒的TiO2。
使用丝网印刷机丝印TiO2纳米颗粒，丝网印刷机的丝网为300目，预留的TiO2薄膜之间的距离为3mm。将样品放置于丝网印刷机的载台上，对准丝网上事先制好的可通过浆料的图形，盖上丝网，用刮刀沾TiO2浆料用力在丝网的图形上均匀刮涂TiO2浆料，其厚度约为7um-10um。TiO2薄膜2上丝印了TiO2纳米颗粒分散溶液后如图1所示。
取下基片，将基片置于马弗炉中500℃下烘烤一个小时。基片上的纳米TiO2，平均半径约为40nm，膜厚为7.0μm。烧结完成以后取出基片，置于N719染料中泡制36h。染料浸泡后的工作电极如图2。接下来将此工作电极用于电池的组装。
将1g直径为20μm的Spacer掺入5g紫外线固化胶内，将此混合体装入手动涂胶设备内，用机械搅拌使Spacer在紫外线固化胶中尽量均匀分布。使用与涂胶设备配套的直径为100μm的涂胶针头，将混合均匀的Spacer与紫外线固化胶的封装材料，在所留的空隙中均匀涂覆。
将电解液根据设计用量滴到到封装胶图形限定范围的TiO2薄膜上，为确保电解液的量适度，根据TiO2薄膜的面积和要注入的电解液厚度来计算电解液的体积。
将对电极覆盖于涂覆好封装材料的工作电极上，施加均匀的压力，使其平整。然后将此装置放于紫外线固化机内，使用峰值为365nm，强度为100mw/cm2的紫外光照射20s，将封装材料固化，完成电池的封装。
在上述两个实施例中，20微米Spacer由日本积水化学公司生产；
液态封装胶使用紫外线固化胶，型号为196262，由美国Loctite公司生产；
固化机使用紫外线固化机，型号为Intelliray400，由为由美国Uvitron公司生产；
商业TiO2的P25颗粒由德国Degussa公司生产。
由以上实施例可以看出，本发明实施例利用自动涂胶设备控制封装的图形，利用间隔剂(Spacer)的直径控制工作电极和对电极之间以及电解质的厚度，提高大面积电池封装的可重复性，实现电池两极板之间的对准和小单元电池之间的隔离，有利于高效大面积电池的生产和应用；整平压合工作电极和对电极时，利用Spacer的直径控制工作电极和对电极之间的厚度，隔离了工作电极和对电极，有效防止太阳能电池的内部短路；通过选用不同Spacer的直径，可以达到控制液态电解液的使用，有效调整电解液部分的阻抗，提高电池的性能；封装材料涂覆于TiO2薄膜的空隙处，不会由于Spacer的存在产生漏光或者降低光穿透率；可以使用强抗腐蚀性能液态固化胶，利用了其强粘着性能和良好的密封性，缩短了封装时间，提高了封装成品率和产品的寿命。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种染料敏化太阳能电池的封装方法，其特征在于，所述封装方法包括步骤：
S采用丝网印刷技术将TiO2纳米颗粒浆料印在制作工作电极的FTO导电玻璃上，形成若干相互隔离的矩形片状TiO2薄膜；
S2，将S1中印刷完成的TiO2薄膜进行烧结并置于染料中浸泡；
S3，在液态封装胶内掺入一定比例的间隔剂作为封装材料，并将所述封装材料均匀涂覆于所述TiO2薄膜的间隔中；
S4，将对电极覆盖于所述工作电极上并施加均匀压力；
S5，将电解质注入到封装材料限定的空间后密封，并完成封装材料的固化。
2.如权利要求1所述的染料敏化太阳能电池的封装方法，其特征在于，所述间隔剂为同一直径的球形绝缘颗粒。
3.如权利要求1所述的染料敏化太阳能电池的封装方法，其特征在于，所述封装胶为紫外线固化胶或者其他具有强的抗电解质腐蚀性能的封装胶。
4.如权利要求1-3任一项所述的染料敏化太阳能电池的封装方法，其特征在于，在所述步骤S3中涂覆所述封装材料前，将所述封装材料置于涂胶机内使得所述间隔剂均匀分布于所述液态封装胶中。
5.如权利要求4所述的染料敏化太阳能电池的封装方法，其特征在于，在步骤S5中，采用滴注或真空灌注法注入电解质。
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|---|---|---|---|---|
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