CN101840794A - 染料敏化太阳能电池的制造方法及制造装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种染料敏化太阳能电池的制造方法及其装置，更具体地涉及一种包括如下步骤：(A)在透明导电基片上涂布纳米粒子氧化物并进行烧结，以制作pre-透明电极；(B)制作对向电极；(C)按照通常的方法，将该pre-透明电极基片与对向电极相对一定间隔叠层后进行密封-此时为了使基片内部与外部贯穿，在两侧末端分别形成至少一个以上的开口部；(D)透过该两侧开口部，使光敏染料分子溶液流向该被封接的基片内部，使得染料分子吸附到该纳米粒子氧化物上；(E)染料分子的吸附完成后，透过该两侧开口部，使清洗溶液流向该被封接的基片内部，以除掉未被吸附的染料分子；以及(F)清洗完成后，透过该开口部注入电解质于被封接的基片内部，并将开口部封闭。
Description
技术领域
本发明涉及一种染料敏化太阳能电池的制造方法及其装置。
背景技术
由于化石燃料的枯竭及价格飞涨，地球气候的急剧变化，人们更需要有能够持续维持的能源获取技术。其中太阳能因其无限清洁和稳定性最为人所注目。
现有的硅太阳能电池虽然被广泛研究，且已经被运用于产业中，但由于其成本昂贵使经济性降低成为问题。近年来，对不但具有仅次于硅太阳能电池的能源转换效率，而且生产成本低廉的下一代太阳能电池--染料敏化太阳能电池(DSSC：Dye-Sensitized Solar Cell)的研究就活跃起来了。
一般，DSSC由涂布有在透明导电基片上吸附光敏染料分子的多孔纳米粒子氧化物的半导体电极(称“透明电极”)；在透明导电基片上涂布有白金或碳的对电极(称“对向电极”)；以及填充在期间的电解质层组成。染料分子具有吸收太阳光，而生成电子-空穴偶(electron-hole pair)的作用。
传统的DSSC大致上经过①制作透明电极；②制作对电极；③将透明电极和对电极以维持预定间隔叠层后进行密封；④将电解质层填充在两个电极之间的空间内；⑤密封的过程制作。当然，为通电的电路就可以按照元件(cell)的结构及特性适当设计。
此时，透明电极经过以下过程制作：a)首先将多孔纳米粒子氧化物(例如TiO2)涂布在透明导电基片上(在本发明中，光敏染料分子还没吸附在纳米粒子氧化物之前的透明电极称为‘pre-透明电极’)；b)接着，将该pre-透明电极浸渍在适当浓度的光敏染料分子被溶解的染料液中后静置；c)从染料液中取出pre-透明电极后清洗并干燥。
从染料分子的吸附方面来看，上述传统技术存在如下问题：
(1)由于需要将pre-透明电极浸渍在染料液并静置后再进行清洗/干燥的过程，其制作过程复杂，花费很多时间。而且由于需要将整个基片浸渍在染料溶液中，于是需要使用比实际所需量更多的染料溶液。
(2)由于以单纯将基片浸渍在染料溶液后静置的方式来吸附染料分子，于是为了吸附足够的染料分子需要很长时间。
(3)为了叠层透明电极和对电极，在移动(或操作)透明电极的过程中，会有被吸附的染料分子因撞击或挂擦而脱离的可能性。而且，叠层的透明电极和对电极在封接的过程中，还需要进行全部或部分的高温处理，此时部分染料分子会被高温分解而失去其功能。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种新的染料敏化太阳能电池的制造方法及其制造装置，由此达到每单位时间的染料分子吸附效率良好，且没有染料分子的浪费，工程简单，被吸附的染料分子能够稳定地保存/维持的功效。
为了解决上述问题，本发明提供由包括涂布有在透明导电基片上吸附光敏染料分子的多孔纳米粒子氧化物的半导体电极(称“透明电极”)；在透明导电基片上涂布有白金或碳的对电极(称“对向电极”)；以及填充在期间的电解质层组成的染料敏化太阳能电池的制造方法及其制造装置。
本发明并不是有关染料敏化太阳能电池的具体组成成分或结构，于是对基片的种类、纳米粒子氧化物的种类和特性、光敏染料的种类和特性、对向电极本身的结构以及电解质的性状和种类等在此不再赘述。
为求说明的明确性，在本发明分别将在纳米粒子氧化物上还没吸附光敏染料分子之前的透明电极称为‘pre-透明电极’，将pre-透明电极和对向电极呈部分封接的状态的基片称为‘pre-电池板’。
制造方法
根据本发明的染料敏化太阳能电池的制造方法，包括以下步骤：(A)在透明导电基片上涂布纳米粒子氧化物并进行烧结，以制作pre-透明电极；(B)制作对向电极；(C)按照通常的方法，将该pre-透明电极基片与对向电极相对一定间隔叠层后进行密封-此时为了使基片内部与外部贯穿，在两侧末端分别形成至少一个以上的开口部；(D)透过该两侧开口部，使光敏染料分子溶液流向该被封接的基片内部，使得染料分子吸附到该纳米粒子氧化物上；(E)染料分子的吸附完成后，透过该两侧开口部，使清洗溶液流向该被封接的基片内部，以除掉未被吸附的染料分子；以及(F)清洗完成后，透过该开口部注入电解质于被封接的基片内部，并将开口部封闭。
在本发明的前述(D)步骤中，染料分子可以从上部流向下部、或从下部流向上部或水平流动。此时，为了防止染料分子的浪费，提高工作效率，最好是让光敏染料分子溶液得以循环。而且使其重复循环时，较佳地让染料分子浓度调节到一定程度。
另一方面，进行该步骤(E)之后，最好是透过该两侧开口部吹入干燥热风循环到该被封接的基片内部，以使清洗溶液蒸发并在很快的时间内清除残留的清洗溶液。
制造装置
(1)为实现该染料敏化太阳能电池的制造方法的装置，由包括(A)将液体供应到该被封接基片的一侧开口部的液供应部；(B)用于盛装液体的储存容器；(C)将液体移送到该储存容器和液供应部之间的移送管及泵组成。
此时，为了同步处理多数的被封接的基片，该液供应部可以制作为对应于各基片上。
在本发明中，该液供应部具有与该移送管相连通的内部空间，较佳地制作为该被封接的基片的一侧开口部外缘被水密(water-tight)紧贴的结构。
另外，在本发明中，该液体可以是光敏染料分子溶液或清洗溶液，此时，该储存容器相应地为光敏染料溶液储存容器或清洗溶液储存容器。此时，光敏染料分子首先供给于被密封的基片内部，之后再供给清洗溶液。
另一方面，也可以将该被封接的基片装在另一个液槽(被遮蔽的空间)，使该液槽的底部作为该储存容器的功能。
(2)为了实现该染料敏化太阳能电池的制造方法，另一个装置由包括：(A)具有与下述移送管连同的内部空间，并由该被封接的基片一侧开口部外缘被水密(water-tight)紧贴的结构构成的液吸入部；(B)将液体供应到该被封接的基片的另一侧开口部上的液供应部；(C)用于盛装液体的储存容器；(D)位于该储存容器和液供应部之间，将液体从储存容器移送到液供应部的移送管及泵组成。根据本发明，将被封接的基片下端浸渍在液供应部，使液体以从上部的液吸入部(利用泵或真空减压)被吸上去的方式流动。
此时，为了同步处理多数被封接的基片，该液吸入部可以制作为分别对应于各基片上的结构。
较佳地，在本发明中该储存容器以一体成型，使其能够作为该液供应部的功能。
根据本发明，还没吸附染料分子的pre-透明电极和对向电极在封接后才吸附到光敏染料分子。于是，在吸附染料分子的前一阶段中的热处理对太阳能电池的性能完全没有影响，因此不需要敏锐调节太阳能电池的制造条件，如此可以增加工程效率。进而染料分子的吸附工程和清洗工程及电解质注入工程都在同一设备连续进行，因此能够达到工程简单、制造时间缩减的功效。
更具体地说，根据本发明可以得到如下效果：
①按照现有方式(浸渍在染料溶液中的方式)需要进行吸附12～24小时，而根据本发明只要2～4小时就能够吸附完成。②染料吸附工程和清洗工程可以在同一设备进行，且与电解质注入工程直接联系，因此能够由一贯工程(in-line工程)实现大量生产。③由于染料在经过热处理等后才被吸附，因此染料的稳定性增加，从而提高太阳能电池的效率。
附图说明
图1是显示根据本发明的染料敏化太阳能电池的制造过程流程图。
图2、图3是显示根据本发明的装置构成及动作状态的示意图。
图4a～4c是根据本发明制作为jig形态的制造装置示意图。
图中：10、电池板；11、透明基片；12、对向电极基片；13、氧化物层；20、液供应部；21、水密部件；30、液吸入部；31、jig；40、储存容器；41、液槽；50、移送管及泵；51、注液管；52、排液管
具体实施方式
下面参考附图和实施例对本发明作详细说明。但，附图和实施例仅是为了便于说明本发明的技术思想的内容和范围的，并不是因此局限或变更本发明的技术范围。而且根据这些例示在本发明的技术思想范围之内可以做任何多种修饰和变更，对于所属技术人员来说是理所当然的。
请参考图1所示，是显示根据本发明的染料敏化太阳能电池的制造过程流程图。
如图所示，本发明由制作pre-透明电极(A)及制作对向电极(B)；叠层两个基片及部分封接(C)；吸附染料分子(D)，清洗(E)，注入电解质及密封(F)的阶段构成。此时，在清洗(E)和注入电解质及密封(F)工程之间还可以包括通过干燥空气的供应进行的清洗阶段。
用于DSSC的透明电极，是由在透明基片(11)上依次叠层有透明导电薄膜和多孔纳米粒子氧化物层(13)，在该纳米粒子氧化物的表面上吸附光敏染料分子的结构构成。在现有透明电极的制作过程中，多孔纳米粒子氧化物层(13)的形成及光敏染料分子的吸附就连续进行制作，并用于下一个工程。
但，在本发明中，使用还没在纳米粒子氧化物上吸附光敏染料分子的状态的电极(pre-透明电极)于下一工程。
另一方面，在DSSC中，为了防止填充在该一对基片之间的电解质泄漏，及外部空气或水分流入，该一对基片以相隔一定距离的状态将其外缘完全密封是非常重要的。为此，传统的方法采用在一对基片之间适当利用热塑性树脂膜、热硬化或UV硬化树脂或玻璃浆组合物等封接剂，再经过热处理、UV照射或激光照射或激光照射使其密封的方式。
本发明中，在该叠层及部分封接的阶段(C)，在该两个电极基片中任何一个上，根据设计好的太阳能电池图案编带(taping)或涂布封接剂后，与此相对应地叠层另一个基片，然后经过热处理、UV照射或激光照射等，使两个基片封接(与通常的方法相同)。但，此时为了使基片的内部与外部连通，在封接部位的两侧末端分别形成至少一个开口部。开口部的大小(长度)可以根据工作环境的要求做出适当的改变。开口部，可以由在完全被封接的基片或封接部位上使用适当的物理化学的方法形成空穴而得，最好是在将要成为开口部的部位上不做封接剂处理，由此使其自然形成。
如此，经过该叠层及部分封接阶段(C)形成pre-透明电极和对向电极被部分封接(在封接部位的两侧末端上形成至少一个开口部)的状态称为‘pre-电池板(10)’。
在本发明中，在吸附染料分子的阶段(D)，将光敏染料分子溶液通过pre-电池板(10)的一侧开口部注入后通过另一侧开口部排出。为了防止浪费，最好不让染料分子溶液流向除了该开口部以外处。例如，优先实施在竖立pre-电池板(10)的状态之下，为了不让溶液流向除了pre-电池板(10)之间以外处，制作为该被封接的pre-电池板(10)的一侧开口部的外缘被水密(water-tight)紧贴的结构。溶液的流动使用泵(50)、分液器(dispenser)或真空泵(50)(vacuum)，使其从上部流向下部或从下部流向上部。根据事前试验结果显示，将通常浓度的染料分子溶液循环2～4小时时，染料分子可以饱和吸附在多孔氧化物粒子层上。
染料的吸附完成后，替代染料分子溶液供应清洗液(更换溶液槽(41))，以连续进行清洗阶段(E)。
然后，电解质注入及密封阶段(F)就按照通常的方法进行。在注入电解质之前，为了便于注入，也可以预先密封住该开口部的一部分。
图2及图3是显示根据本发明的装置构成及动作状态的示意图。
图2的装置是使溶液(或清洗液)从上部流向下部的形态。其由包括：向被竖立的pre-电池板(10)上方的开口部供应染料分子溶液(或清洗液)的液供应部(20)；用于盛装染料分子溶液(或清洗液)的储存容器(40)；将染料分子溶液(或清洗液)从储存容器(40)移送到液供应部(20)的移送管及泵(50)组成。虽然未图示，其中当然还包括任意的支撑件，用于整列并支撑pre-电池板(10)。
图3的装置是使溶液(或清洗液)从下部流向上部的形态(当然也可以利用相同概念的装置使溶液从上部循环到下部)。
其由包括：具有与下述移送管连通的内部空间，并以pre-电池板(10)上方的开口部外缘被水密(water-tight)紧贴的结构构成的液吸入部(30)；供应染料分子溶液(或清洗液)使该被封接的pre-电池板(10)的另一侧开口部浸渍于其中的液供应部(20)；用于盛装染料分子溶液(或清洗液)的储存容器(40)；将液体移送到该储存容器(40)和液供应部(20)之间的移送管及泵(50)组成。此时，Pre-电池板(10)和液吸入部(30)之间的水密紧贴可以在具有耐染料分子溶液(或清洗液)成分的橡胶或硅胶带等水密部件(21)介于其间的状态下pre-电池板(10)和液吸入部(30)被压紧固定而成。虽然未图示，其中当然还具有任意的支撑件，用于使pre-电池板(10)和jig(31)整列并压紧固定。
图4a～4c中图示了根据本发明的制造装置中一部分，是使染料分子溶液(或清洗液)从上部循环到下部的形态(当然可以采用相同概念的装置使溶液从下部循环到上部)。
图4a是装置的外观示意图。(虽然未图示)具有预定的开闭部件的液槽(41)作为盛装染料分子溶液(或清洗液)的储存容器(40)功能，并用于内装液吸入部(30)和pre-电池板(10)。作为移送管及泵(50)的一部分，图示有注液管(51)和排液管(52)，泵(50)则未图示。
图4c是将图4a截断成Z-Z’平面的剖面图，(A)图示了安装一个pre-电池板(10)的状态，(B)图示了安装多数个pre-电池板(10)的状态。
液供应部(20)呈组装型jig(31)形态，pre-电池板(10)在jig(31)和jig(31)之间得以水密紧贴并被组装。Pre-电池板(10)和jig(31)之间及jig(31)和jig(31)之间的水密紧贴可以在具有耐染料分子溶液(或清洗液)成分的橡胶或硅胶带等水密部件(21)介于其间的状态下pre-电池板(10)和液吸入部(30)被压紧固定而成。虽然未图示，其中当然还具有任意的支撑件，用于使pre-电池板(10)和jig(31)整列并压紧固定。
在本装置中，jig(31)可以设置为最前方的、最后方的以及插入于中间的三种，如图4b所示。最前方的jig(31)上方形成有与注液管(51)连通的开口部，在中间的jig(31)上方形成有用于组装时作出内部空间的贯穿部，而最后方的jig(31)由于在组装时需要作为内部空间的外侧隔壁功能，于是形成有贯穿部。
图4c是显示jig(31)与pre-电池板(10)组装成水密紧贴的状态的剖面图。
根据该装置，当染料分子溶液(或清洗液)通过注液管(51)流入到组装好的jig(31)上方的空间(加压)时，由于被靠近的jig(31)和jig(31)及jig(31)与pre-电池板(10)水密紧贴着，于是液体就通过pre-电池板(10)上方的开口部经由pre-电池板(10)的内部流向下方的开口部。在此过程中，染料分子能够有效地吸附在氧化物层(染料分子吸附阶段)，或洗净残留染料分子(清洗阶段)。
此后，按照通常的方法注入电解质于pre-电池板(10)内部，并密封住开口部，即可完成染料敏化太阳能电池的制作。
Claims (9)
1.一种染料敏化太阳能电池的制造方法，该染料敏化太阳能电池包括：涂布有在透明导电基片上吸附光敏染料分子的纳米粒子氧化物的被称为透明电极的半导体电极；在透明导电基片上涂布有白金或碳的被称为对向电极的对电极；以及填充在上述两个电极之间的电解质层，其特征在于，
该制造方法包括以下步骤：
(A)在透明导电基片上涂布纳米粒子氧化物并进行烧结，以制作pre-透明电极；
(B)制作对向电极；
(C)将该pre-透明电极基片与对向电极基片相对一定间隔对称叠层后进行密接，此时为了使基片内部与外部贯穿，在两侧末端分别形成至少一个以上的开口部；
(D)透过该两侧开口部，使光敏染料分子溶液流向该被封接的基片内部，使得染料分子吸附到该纳米粒子氧化物上；
(E)染料分子的吸附完成后，透过该两侧开口部，使清洗溶液流向该被封接的基片内部，以除掉未被吸附的染料分子；以及
(F)清洗完成后，透过该开口部注入电解质于被封接的基片内部，并将开口部封闭。
2.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池的制造方法，其特征在于，
在该步骤(D)中，使光敏燃料分子溶液得以循环。
3.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池的制造方法，其特征在于，
在进行该步骤(E)之后，还包括透过该两侧开口部吹入干燥热风循环到该被封接的基片内部，以清除清洗溶液的小步骤。
4.一种染料敏化太阳能电池的制造装置，该制造装置是用于实现根据权利要求1至3中任一项所述的染料敏化太阳能电池的制造方法的装置，其特征在于包括：
将液体供应到该被封接基片的一侧开口部的液供应部(20)；
用于盛装液体的储存容器(40)；以及
位于该储存容器(40)与液供应部(20)之间的移送管及泵(50)，用于从储存容器(40)向液供应部(20)移送液体。
5.根据权利要求4所述的染料敏化太阳能电池的制造装置，其特征在于，
该液供应部(20)，具有与该移送管连通的内部空间，并以该被封接的基片的一侧开口部外缘水密紧贴的结构构成。
6.根据权利要求4或5所述的料敏化太阳能电池的制造装置，其特征在于，
该液体是光敏染料分子溶液或清洗溶液。
7.根据权利要求4或5所述的染料敏化太阳能电池的制造装置，其特征在于，
该被封接的基片装在液槽(41)，由该液槽(41)底部作为该储存容器(40)的功能。
8.一种染料敏化太阳能电池的制造装置，该制造装置是用于实现根据权利要求1至3中任一项所述的染料敏化太阳能电池的制造方法的装置，其特征在于包括：
具有与下述移送管连通的内部空间，并以该被封接的基片的一侧开口部外缘被水密紧贴的结构构成的液吸入部(30)；
将液体供应到该被封接的基片的另一侧开口部上的液供应部(20)；
用于盛装液体的储存容器(40)；以及
将液体移送到该储存容器(40)和液供应部(20)之间的移送管及泵(50)。
9.根据权利要求8所述的染料敏化太阳能电池的制造装置，其特征在于，
由该储存容器(40)作为该液供应部(20)的功能。
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