CN101855687A - 用于制造太阳能电池的方法 - Google Patents

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Abstract

用来制造一系列大体上相同的太阳能电池的方法和材料，所述太阳能电池然后能根据需要被组装成获得所期望的电输出的各种设计的阵列。参考染料太阳能电池的生产来描述本发明。

Description

用于制造太阳能电池的方法
技术领域
本发明涉及用来制造一系列大体上相同的太阳能电池的方法和材料，所述太阳能电池然后能根据需要被组装成获得所期望的电输出的各种设计的阵列。参考生产染料太阳能电池(dye solar cell)描述本发明。
背景技术
太阳能电池是执行两个主要功能的装置，第一个功能是在电子和空穴电荷载体的光吸收材料中的光照发电，且第二个功能是这些电荷载体的随后分离到导体接点以便于电子转移。
通常，太阳能电池被组装到一起以形成阵列。如果该阵列中的电池具有相似的结构和组成，通常能提高电池阵列的性能。因此，生产大量非常相似的电池将是有利的。
被称为染料太阳能电池的太阳能电池类型包括电解质层或区域。通常，部分地形成和密封所述电池并且然后用电解质填充该电池。通过填充孔或其它孔引入电解质而实现填充，其在技术上能是富有挑战性的和/或浪费的。发明将电解质引入到电池的改进方法将是有利的。
发明内容
本发明的第一方面提供一种用于制造多个太阳能电池的方法，包括以下步骤：提供基片；在所述基片上至少部分地形成多个电池；和通过用切割技术分离所述基片而分离至少一些所述至少部分地形成的电池以产生多个较小的基片。
所述太阳能电池可以是挠性的。
所述太阳能电池可以是光电化学电池。
所述光电化学电池可以是染料太阳能电池。
可以以分批或连续处理生产所述电池。
工作电极基片或反电极基片可以包括金属箔或者带有涂层的金属箔。
工作电极基片或反电极基片可以包括玻璃、陶瓷或聚合物材料。
所述方法可以进一步包括应用半导体层的步骤，其中染料太阳能电池的半导体能是二氧化钛、ZnO、SnO2、氧化铌或者这些材料的任意组合，具有或者不具有碱和碱土金属氧化物、稀土氧化物，以及其它过渡金属氧化物或高分子半导体。
可以通过选自丝网印刷、刮刀涂布(doctor blading)、喷射沉积、浸渍、流延成型(tape casting)、凹版印刷的技术、或这些技术的组合或者类似技术而将所述半导体同时沉积在多个电池上的一个或多个层中以获得热和/或压力处理后在50nm和25微米之间的厚度。
可以通过热和/或压力处理沉积有半导体的基片，且可选地同时或随后应用例如四氯化钛溶液的溶胶材料的沉积，以生产适于染料应用的工作电极。
可以随后用一种或多种染料染色所述电极以生产一组相互连接的工作电极。
所述方法可以进一步包括将聚合物或有机改性陶瓷(ormocer)密封垫(gasket)应用到各个电极的步骤。
所述聚合材料可以是热塑性的。
所述方法可以进一步包括应用催化剂的步骤，所述催化剂能是分散的Pt或Pt合金或混合物、碳、PEDOT、Ru氧化物或者它们的组合。
可以通过丝网印刷、喷射、刮刀涂布、浸渍、热分解、CVD、溅射、PVD、化学还原以及UV启动的还原中的一种或多种沉积所述催化剂。
所述方法可以进一步包括密封所述太阳能电池的步骤，其中使用具有不同熔点的密封剂分两个阶段执行所述密封。
所述密封步骤可以包括使用回流炉(reflow oven)液化并且随后通过冷却来固化热塑性密封垫材料。
所述密封步骤可以包括通过平板热压机或辊来应用非局部化的热。
所述方法可以进一步包括将电解质引入到各个电池中的步骤，其中所述电解质是液体、凝胶或固体聚合物类型。
所述电解质可以是氧化还原电解质或空穴导体。
所述电解质可以具有颜料添加剂，所述颜料添加剂的存在用于获得改变的视觉颜色。
可以经由边缘孔引入所述电解质。
可以经由填充孔引入所述电解质。
所述方法可以进一步包括在组装电池之前通过热固化型或低温导电油墨或低温固化焊膏或它们的组合的沉积来将母线沉积到反电极上的步骤。
所述基片可以在半导体沉积之后的任意阶段被分离，并且随后独立进行处理。
用来分离所述基片的切割技术包括激光划片或喷射研磨中任一项。
本发明的第二方面提供一种制造至少一个太阳能电池的方法，包括以下步骤：提供工作电极基片；提供反电极基片；将电解质层应用到所述基片中的至少一个；和将所述基片放置在一起并且密封所述电池。
所述方法可以进一步包括将密封材料应用到所述基片中的任一个或两个的步骤。
所述方法可以进一步包括通过电隔离多个反电极区域而限定这些区域的步骤。
所述方法可以进一步包括通过电隔离多个工作电极区域而限定这些区域的步骤。
可以通过从筒/容器的针管分配、喷墨印刷、丝网印刷、喷涂、辊涂中的任一个或它们的组合执行应用电解质的步骤。
附图说明
现在将仅仅作为例子，参考附图描述本发明的实施方式，其中：
图1是示意图，其参考形成单个电池示出了依照本发明的实施方式的制造原理；
图2示出了用于通过应用密封剂而形成多个电池的工作电极和反电极；
图3示出了使用填充孔将电解质引入到多个电池中；
图4示出了本发明的另一实施方式，其中在基片被结合在一起之前应用电解质；
图5示出了用于本发明的进一步的实施方式的反电极基片的激光分隔图案；
图6示出了用于与图5的反电极组装在一起的工作电极基片的激光切割图案；
图7示出了使用图5和6的基片串联地形成的电池布置图；
图8示出了类似于图7的布置图，但是采用的是并联构造。
具体实施方式
现在将描述涉及用于一系列挠性染料太阳能电池的分批制造或卷绕式(roll-to-roll)制造的方法的实施方式，由此产生的各个电池能被组装以形成任何所期望的构造的阵列。这里所描述的挠性染料太阳能电池包括两个基片，用于工作电极(WE)的金属箔基片和具有涂覆在其上的透明导体涂层的大体上透明的聚合物反电极(CE)。所述方法也应用到任何导电基片材料，所述导电基片材料的活性层组合物的变形以及对于工作电极来说可以使用低熔点温度的基片所需要的烧结条件，这些对本领域技术人员而言将是显而易见的。
现在所描述的挠性太阳能电池制造方法的实施方式包括以下步骤：
·生产通过机加工成“易折片(snap-strate)”电极而形成的模板WE基片(也就是，稍后可以通过破碎或切割元件之间的连片而分离所述元件)；
·将工作半导体沉积到模板WE易折片上；
·在环境压力或高压下热处理所述WE以形成互相连接的纳米粒子电极；
·将染料施加到所述电极以形成所述工作电极；
·将密封垫分离器应用到所述工作电极；
·通过真空沉积、化学还原或电化学还原将催化剂应用到反电极基片；
·将密封垫分离器应用到所述反电极；
·在热和压力下组合所述WE和CE以获得电池密封；
·通过电池边缘孔填充电解质；
·任选地通过施加热或UV使电解质形成胶体；
·在热和压力下密封边缘孔；
·随后通过激光切割所述反电极和切割或破碎互相连接的连片以从所述模板移去所述电池而处理成单个的电池。
本发明的实施方式能通过批量处理或连续处理而制造多个实质上相同的太阳能电池。该方法的原理包括使用一模板组基片。为了示出的目的，采用的例子是挠性金属基染料太阳能电池的制造。所述电池由在其上沉积有纳米粒子纳米多孔半导体膜的金属箔基片组成。这个膜随后被染色并且密封垫被围绕所述半导体的边缘地应用到所述金属箔以生产工作电极。反电极膜包括涂覆有透明导电氧化物的透明聚合物膜，并且准备催化剂并且母线被沉积到反电极的边沿上。反电极被部分地粘结(bond)到所述工作电极。电解质被引入到所述组件并且随后密封所述电池。
制造的第一步包括通过激光切割金属箔片以生产通过连片(tab)连接的基片而制备多个基片。关键要素是控制激光功率以防止形成毛边，和连片尺寸的设计从而确保能在不损坏的情况下处理所述模板但是确保在稍后的处理阶段能容易地分离电池。通过这种处理，电池基片是相同的并且没有可能产生短路的毛刺。能在基片材料片上或者能在连续带上执行所述处理。从商业观点上来说，所述处理的好处是它减少了制造在后继阶段的劳动并且因为同样的形成因素被用于所有电池，减少了电池之间的差异。实质上对于用于各个单独的电池的基片的大小没有限制，所述各个单独的电池的大小仅仅受到库存原材料的大小并受到处理设备所施加的限制。
所述WE基片是金属箔例如钛、不锈钢、镀层钢、铝、镀层铝。在软件中形成电池设计，以能自动地激光切割易折片。将原材料尺寸优化为最大化地使用所述材料。通常分配连续边缘以确保在进一步的处理中将不损坏易折片。
所述CE基片是涂覆有大体上透明的导体例如ITO或FTO的透明塑料(通常为PET或PEN)，带有透明的催化剂层，例如铂、PEDOT、RuO2或石墨。所述CE可以被激光切割成用于电池设计的合适尺寸或可以被用作单个(或连续)片并且在稍后的处理阶段被切割。
在激光切割之前，所述WE基片通常被预处理以优化半导体的粘附并且以确保表面是均匀的。所述预处理包括通过进行蚀刻和/或金属研磨/抛光其后清洗以去除掉油脂和碎屑。在激光切割之后，所述基片用脱脂剂水和/或有机溶剂清洗并干燥。所述WE基片被涂覆有半导体层例如TiO2。沉积半导体的方法包括丝网印刷和使用分段辊的凹版印刷。在丝网印刷的情形中，后继电池的各个“子批(sub-batch)”的大小取决于丝网的最大印刷区域。在易折片的连续带的情形中，丝网印刷机必需被并入到连续生产线中。
通过改变糊剂(paste)和沉积条件可以获得在从大约50nm到25微米范围内的不同厚度的膜。较厚的几微米的膜可能需要多于一个镀覆应用。印刷后的基片被干燥和烘干或“热”压以产生互相连接的多孔纳米粒子网。任选地，通过浸渍在四氯化钛稀释溶液中而对半导体膜进行后处理并且然后再加热其以改进TiO2粒子之间的互相连接。
然后通常通过浸渍在染浴中或者通过一种常用的方法例如喷墨印刷对所述半导体进行染色。通常使用钌基染料，但是本发明不依赖于任何特定染料。通常可得到片状或连续卷状的反电极(CE)。对于聚合物基片例如PEN来说，通常通过在单独的生产线上溅射或化学还原而沉积所述CE催化剂。使用隔离物(spacer)例如热塑性膜(杜邦Surlyn 1702 50um)组装WE和CE基片。
在这个阶段，能围绕所述半导体的边缘涂敷热塑性密封垫例如ParameltAquaseal、杜邦Surlyn 1702或杜邦Byenl 4164以形成第一密封。能通过液体悬浮分配、树脂挤压、或热熔性丝网印刷和随后的在带炉中的干燥以产生粘着膜而获得所述涂敷。可选地，能施加预形成膜型密封垫并且通过热压将其粘着到基片的表面。
热塑性膜被预形成为一系列密封垫，所述密封垫被应用至WE和CE。低温热塑性塑料被用来形成密封垫的三个侧，同时高温活性热塑性塑料被用来密封所述电池的剩余侧。这些通过超过150摄氏度的定位焊(tacking)而被固定在合适的位置处。
参考图1，以单个电池的简单情形示出了所述制造方法。工作电极20由箔基片组成，已经被染色的钛层已经被施加到所述箔基片。已经围绕所述工作电极的三个侧应用了低温密封垫22。高温密封垫带24被应用到所述工作电极的一个边缘。高温密封垫材料24的一部分已经被应用到反电极30的一个边缘。通过例如拾放等技术和/或模板组件(templated assembly)重叠所述电极，确保先前施加的密封垫是对准的。通过加热激活密封所述电池10，其中使用例如辊压机或图案压机(patterned press)等设备，以激活低温密封垫材料22因此密封所述电池的三个侧留下电池边缘孔保持打开，高温密封垫材料24已经被应用到所述边缘孔。氧化还原电解质通过高温密封垫材料24的一些部分之间的边缘孔经由真空辅助的回填被允许进入所述WE20和CE30之间，从而便于与两个电极接触并且从而消除空隙。能采用正压和负压的组合以便于快速且有效地填充电解质。然后通过高温热塑性材料24的局部热激活密封所述未密封的边缘从而产生电解质填充的、密封的电池10。
参考图2，示出了以分批或连续方式制造多个电池。通过激光切割以产生用于稍后的电池分离的连片而机加工工作电极基片120。低熔点密封垫材料122的一些部分已经被应用在水平带中。高熔点密封垫材料124的一些部分已经被应用在竖直带中。示出了反电极130，高熔点密封垫材料124的竖直带已经被应用到反电极130上，以与工作电极120上的高熔点密封垫材料部分相对准。
工作电极120和反电极130然后被对准并且被放置在一起并且使产生的组件穿过第一组热辊，该第一组热辊密封低温热塑性材料122但是留下高温热塑性材料124未密封。这样通过在顶部和底部的密封低温密封垫材料122而使相互连接的电池阵列排列成行。在多个相邻排中重复这种密封布置。然后能在未密封的边缘126处引入电解质。
经由边缘孔填充电解质之后，所述基片穿过第二组热辊组件，其密封所述高温热塑性区域124完成所述电池的密封处理。然后通过使用CO2激光器分割所述反电极基片以及金属基片的机械折断分离所述电池。
参考图3，示出了引入电解质的另一方法，其包括使用填充孔并且随后任选地在原处使电解质形成胶体。除了没有形成用于电解质填充的边缘孔之外，这种制造方法类似于图2中所示的方法。相反，通过使用填充孔128实现填充。所述填充孔128能在WE120或者CE130基片上。通过激光切割、钻孔或者微型喷砂处理制造填充孔128。一个填充孔128被用于每一排电池。在所示的例子中，包括四排每排三个电池的基片将需要四个填充孔128。类似于上面所描述的那样地密封低温热塑性区域122用以密封边缘。主要不同是围绕整个装置的周边在WE120和CE122基片之间获得第一密封122。所述填充孔128仅仅允许通向每排的开口区域。利用真空辅助填充的电解质填充机被用来允许氧化还原电解质进入所述排并且因此进入所述电池。如上所述，第二组热辊被用来密封各个电池的任一侧的高温热塑性区域和填充孔同时仍然包括氧化还原电解质。如同上面所描述的那样地获得后组装电池分割。
能以连续的方式处理所述WE；这包括激光分割、半导体沉积、干燥、烧结、染料应用、和第一密封应用。生成的WE和预备的CE基片被放置在一起，通过所述连续WE和CE基片的第一密封，电解质沉积、电池最终密封和经由组装后的太阳能电池的激光切割的电池分割，通过CE和/或所述WE基片上的金属连片的折断。所述WE基片是金属箔例如钛箔并且所述CE基片是涂覆有导体的塑料，例如ITO:PEN或ITO:PET，带有透明催化剂层例如铂、PEDOT，RuO2或石墨。通过Nd-Yag和CO2激光器分别实现用于WE和CE基片的激光切割。所述半导体层由其上吸收有染料的钛组成。第一密封材料可以由热塑性塑料例如Surlyn、Bynel或Aquaseal liquid或者它们的组合组成。通过真空辅助设备沉积氧化还原电解质以消除空隙并且完成密封。
参考图4，示出了适于电解质引入和密封布置的另一方法的另一实施方式。这个制造方法类似于图3中所示的方法，然而没有用于允许电解质进入的边缘孔。这个方法在通过上面所描述的方法例如辊密封完成密封之前，利用沉积在WE和CE表面上的一种类型的密封材料与将电解质受控地分配到两个基片的活动区域表面上相结合。在所示的例子中，使用由PEN形成的一个连续的反电极基片230在平行布置中形成八个电池，其被预先激光分离至限定长方形反电极的所期望的图案中。所述连续的CE基片230实现太阳能电池装置的载体功能。
所述工作电极基片220由钛箔制成。通过激光切割钛箔限定各个工作电极的三个侧。钛的区域然后被应用到工作电极区域并且被染色。
然后围绕限定的工作电极和反电极的四个边缘地应用密封垫材料222。所述密封垫被应用到所述工作电极基片220和所述反电极基片230。所述密封垫材料被应用在相应的长方形形状中，其围绕所述反电极和所述工作电极。经由热塑性分配、膜、纤维或热熔性丝网印刷而应用所述密封垫材料。然后，通过喷射、墨水喷射或类似方法在所述反电极和所述工作电极的活动区域上沉积薄的受控体积的电解质层229。所述基片220、230然后被放置在一起并且使用分批或连续密封以密封子模块。一旦密封好，去除掉四个工作电极边缘并且去除掉后的剩余基片产生八个电池299的完成的子模块。在这个阶段，子模块299准备互相电连接并且组装成用于所期望的应用的阵列。
这种制造技术能被应用到任何电设计和任何电池尺寸。根据处理设备和可用的材料的大小，能处理任意大小的基片并且密封后的电池能被分割成用于后继处理成合适的阵列的子模块和/或单个电池。
在图5和6中分别示出了用于在串联地形成在A4布局图中的多个电池中使用的基片的示意图。图5示出了用于分隔涂覆在透明膜上以形成反电极区域的透明导体的区域隔离的激光分隔图案。图6示出了激光分割图案，由此三个侧被分割以形成工作电极。这些允许3×16排被形成以生产总共48个电池。以类似于图4中所描述的方式处理这些基片以产生最终的电池，其在图7中被示出了。在图8中示出了进一步类似的排列，其中电池以并联构造排列。
除非以其它方式指明，这里所包含的对现有技术的任何参考并非承认该信息是普通公知常识。
最后，应理解，在不脱离本发明的精神或范围的情况下可以对前面所描述的部件进行各种改变或添加。

Claims (31)

1.一种用于制造多个太阳能电池的方法，包括以下步骤：
提供基片；
在所述基片上至少部分地形成多个电池；和
通过使用切割技术分离所述基片而分离至少一些所述至少部分地形成的电池以产生多个较小的基片。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述太阳能电池是挠性的。
3.如权利要求1或2所述方法，其中所述太阳能电池是光电化学电池。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述光电化学电池是染料太阳能电池。
5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中以分批或连续处理生产所述电池。
6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中工作电极基片或反电极基片包括金属箔或者带有涂层的金属箔。
7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中工作电极基片或反电极基片包括玻璃、陶瓷或聚合物材料。
8.如权利要求4所述的方法，进一步包括应用半导体层的步骤，其中染料太阳能电池的半导体能是二氧化钛、ZnO、SnO2、氧化铌或者这些材料的任意组合，具有或者不具有碱和碱土金属氧化物、稀土氧化物，以及其它过渡金属氧化物或半导性聚合物。
9.如权利要求8所述的方法，其中通过选自丝网印刷、刮刀涂布、喷射沉积、浸渍、流延成型、凹版印刷等技术、或这些技术的组合或者类似技术而将所述半导体同时沉积在多个电池上的一个或多个层中以获得热和/或压力处理后在50nm和25微米之间的厚度。
10.如权利要求9所述的方法，其中通过热和/或压力处理沉积有半导体的基片，且可选地同时或随后应用例如四氯化钛溶液等溶胶材料的沉积，以生产适于染料应用的工作电极。
11.如权利要求10所述的方法，其中随后用一种或多种染料染色所述电极以生产一组相互连接的工作电极。
12.如权利要求11所述的方法，进一步包括将聚合物或有机改性陶瓷密封垫应用到各个电极的步骤。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述聚合物材料是热塑性的。
14.如权利要求12所述的方法，进一步包括应用催化剂的步骤，所述催化剂能是分散的Pt或Pt合金或混合物、碳、PEDOT、Ru氧化物或者它们的组合。
15.如权利要求14所述的方法，其中通过丝网印刷、喷射、刮刀涂布、浸渍、热分解、CVD、溅射、PVD、化学还原以及UV启动的还原中的一种或多种沉积所述催化剂。
16.如前述权利要求中任一项所述的方法，进一步包括密封所述太阳能电池的步骤，其中使用具有不同熔点的密封剂分两个阶段执行所述密封。
17.如权利要求16所述的方法，其中密封步骤包括使用回流炉液化并且随后通过冷却来固化热塑性密封垫材料。
18.如权利要求16所述的方法，其中密封步骤包括通过平板热压机或辊来应用非局部化的热。
19.如权利要求14所述的方法，进一步包括将电解质引入到各个电池中的步骤，其中所述电解质是液体、凝胶或固体聚合物类型。
20.如权利要求19所述的方法，其中所述电解质是氧化还原电解质或空穴导体。
21.如权利要求19所述的方法，其中电解质具有颜料添加剂，所述颜料添加剂的存在用于获得改变的视觉颜色。
22.如权利要求4所述的方法，其中经由边缘孔引入所述电解质。
23.如权利要求4所述的方法，其中经由填充孔引入所述电解质。
24.如前述权利要求中任一项所述的方法，进一步包括在组装电池之前通过热固化型或低温导电油墨或低温固化焊膏或它们的组合的沉积来将母线沉积到反电极上的步骤。
25.如权利要求8所述的方法，其中所述基片在半导体沉积之后的任意阶段被分离，并且随后独立进行处理。
26.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中用来分离所述基片的切割技术包括激光划片或喷射研磨中的任一项。
27.一种制造至少一个太阳能电池的方法，包括以下步骤：
提供工作电极基片；
提供反电极基片；
将电解质层应用到所述基片中的至少一个；和
将所述基片放置在一起并且密封所述电池。
28.如权利要求27所述的方法，进一步包括将密封材料应用到所述基片中的任一个或两个的步骤。
29.如权利要求27或28所述的方法，进一步包括通过电隔离多个反电极区域而限定这些区域的步骤。
30.如权利要求27-29中任一项所述的方法，进一步包括通过电隔离多个工作电极区域而限定这些区域的步骤。
31.如权利要求27-30中任一项所述的方法，其中通过从筒/容器的针管分配、喷墨印刷、丝网印刷、喷涂、辊涂中的任一个或它们的组合执行应用电解质的步骤。
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