CN101877282A - 染料敏化太阳能电池模块及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种染料敏化太阳能电池模块，所述电池模块由多个基本电池单元组成；物理位置邻近的基本电池单元组成电池组元，相邻电池组元之间串联或并联；相邻电池组元之间的串联如下：在前级电池组元的最后一个基本电池单元的下基板导电层上设置接触电极，在后级电池组元的第一个基本电池单元的上基板导电层上设置接触电极，所述接触电极均位于所述基板的边缘处，且前级电池组元的最后一个基本电池单元的对电极通过所述接触电极之间的接触与后级电池组元的第一个基本电池单元的光阳极电连接。本发明还提供了相应的电池模块制备方法。本发明工艺简单，成品率高，能够在电池模块内灵活地实现电池单元的混联。

Description

染料敏化太阳能电池模块及其制备方法

技术领域

本发明涉及太阳能电池技术，具体地说，本发明涉及一种染料敏化太阳能电池模块及其制备方法。

背景技术

染料敏化太阳能电池是一种生产工艺简单、成本低廉、环境友好的太阳能电池。染料敏化太阳能电池一般由下至上包括：下基板、下导电层、下电极、电解质、上电极、上导电层和上基板；上电极用吸附了染料的纳米半导体多孔薄膜制成，上导电层和上基板和使用透明材料制成。目前小面积的染料敏化太阳能电池的效率已经能达到11％以上，同时，由于其制作工艺相对简单，其成本要远低于硅系太阳能电池。但由于其封装技术和模块化技术仍然存在一些问题，阻碍了这种电池的广泛应用。在电池模块化方面，首先要解决的是电池串并联的问题。

在电池并联方面，由于目前的透明导电基板通常没有很高的电导率，要实现大面积的并联常用的方法是在导电基板上铺设金属网格以提高电导率，如中国专利ZL200410014456.X公开了该种结构的内部并联大面积电池的制备方法。但单一的并联会带来一些问题，很重要的一点就是造成过大的电流，一块10cm×10cm的电池若完全采用并联其电流就会超过1A，这对于金属网格的宽度提出了更高的要求，也带来更多的热损耗。因而必须引入串联结构。

在串联方面，一种思路是分别制造独立的电池模块，再在外部利用导线实现串联，但这种方式浪费了大量的面积；第二种思路是在同一电池模块内实现串联。其中第二种思路主要有Z型接触和W型接触两种方案。Z型接触中，在同一电池模块内的电池单元的上电极均为光阳极，下电极均为对电极，一个电池单元的对电极与相邻电池单元的光阳极通过导电材料连接形成串联，这种方案需要在导电材料两侧添加保护层以避免短路(Z型接触可参考中国专利ZL200410014455.5)。Z型接触工艺复杂，要在内部通过导电材料和高分子粘结材料的混合物连通两块基板，这对于加工过程的精度控制要求高。当导电材料的厚度和封装材料的厚度不能精确匹配时，会造成封装不牢或串联接触不良等问题，从而增大产品的废品率。W型接触中，在一个电池模块内，电池单元的光阳极和对电极交错排布，即当一个电池单元的上电极为光阳极时，其相邻电池单元的上电极为对电极，这样通过基板上的导电层即可实现串联(W型接触可参考中国专利ZL200510081764.9)。公开了这种结构的串联电池模块的制备方法。W型接触的问题是需要在一块基板上依次制备光阳极和对电极，由于两电极功能正好相反，两者在制备过程中容易造成互相污染，因此工艺十分复杂；同时，由于光从光阳极和对电极入射所产生的光电转换效率会有所不同，因此W型接触的串联结构中存在电流不匹配的问题，造成额外的能量损失。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种能够在同一电池模块内实现串联的工艺简单的染料敏化太阳能电池模块及其制备方法。

本发明的另一目的是提供一种能够在同一电池模块内同时实现串联和并联的染料敏化太阳能电池模块及其制备方法。

为实现上述第一个发明目的，本发明提供的染料敏化太阳能电池模块，所述电池模块由多个基本电池单元组成，所述基本电池单元组成由下至上依次包括：下基板、下基板导电层、对电极、电解质、光阳极、上基板导电层和上基板；物理位置邻近的基本电池单元组成电池组元，相邻电池组元之间串联或并联；相邻电池组元之间的串联如下：在前级电池组元的最后一个基本电池单元的下基板导电层上设置接触电极，在后级电池组元的第一个基本电池单元的上基板导电层上设置接触电极，所述接触极电极均位于所述基板的边缘处，且前级电池组元的最后一个基本电池单元的对电极通过所述接触电极之间的接触与后级电池组元的第一个基本电池单元的光阳极电连接。

其中，所述导电层上具有导电网格，所述接触电极是所述导电网格的延伸部。

其中，组成电池模块的所有基本电池单元均共用一个上基板和一个下基板。

其中，导电网格的延伸部包括连续的表面延伸部和侧面延伸部；所述表面延伸部制备在基板表面上，所述侧面延伸部制备在基板侧面上，所述表面延伸部与侧面延伸部的交界处的基板边缘的棱经过平滑处理或直接采用棱部平滑的基板。

其中，所述电池组元为并联组元，所述并联组元串联形成同时具有并联和串联结构的太阳能电池模块。

其中，所述染料敏化太阳能电池模块的总电极由所述导电网格的延伸部引出。

其中，所述导电网格的网格线将并联组元内部的各基本电池单元区隔开，但所述网格线留有缺口，所述缺口的位置交错排布以使一个并联组元内的导电网格形成一段连续的S形通道。

其中，所述导电网格的网格线的缺口长度不大于所述基本电池单元光阳极或对电极的宽度。

其中，所述基板上对应于所述S形通道的首尾两端处开孔，所述开孔用于注入电解质。

其中，所述电池组元是串联组元，所述串联组元并联形成同时具有并联和串联结构的太阳能电池模块；所述串联组元内，前级基本电池单元的下基板导电层上设置接触电极，后级基本电池单元的上基板导电层上设置接触电极，所述接触极电极均位于所述基板的边缘处，并且前级基本电池单元的对电极通过所述接触电极之间的接触与后级基本电池单元的光阳极电连接。

其中，所述串联组元内的第一级电池单元与其它串联组元内的第一级电池单元共用同一连续的导电层，并且所述串联组元内的最后一级电池单元与其它串联组元内的最后一级电池单元共用同一连续的导电层，从而实现串联组元之间的并联；或者所述串联组元内的第一级电池单元与其它串联组元内的第一级电池单元通过所述接触电极的接触连接，并且所述串联组元内的最后一级电池单元与其它串联组元内的最后一级电池单元通过所述接触电极的接触连接，从而实现串联组元之间的并联。

其中，所述导电网格上覆盖有封装隔离层，用于将所述电解质密封隔离。

本发明还提供了一种染料敏化太阳能电池模块的制备方法，包括如下步骤：

1)在上基板和下基板划分用于容纳各电池组元的区域，在上基板和下基板的边缘处设置预留区域以制备接触电极；

2)在下基板上制备下基板导电层、导电网格和对电极，在上基板上制备上基板导电层、导电网格和光阳极；

3)在所述预留区域制备所述接触电极；

4)将上基板和下基板对准合拢形成一体，再在上基板和下基板间的空腔内注入电解质；通过上基板和下基板的接触电极之间的接触实现电池组元或基本电池单元之间的串联。

本发明具有如下技术效果：

1、本发明通过在基板侧面接触实现电池模块上下电极的电连接，工艺简单，能够提高制备过程的成品率。

2、本发明在一个染料敏化太阳能电池模块内实现串联与并联集成，使得单一电池模块可以同时具备高电压和大电流，从而可以用单块电池满足更广泛的器件的电压电流需求，其串并联的组合方式可根据需要自行设计。

3、本发明用于注入电解质的开孔少，减小了面积浪费，且易于封装。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中：

图1为本发明一个实施例的染料敏化太阳能电池模块的上下基板打孔、导电层切割示意图；

图2为本发明一个实施例中上下基板上的导电网格制备示意图；

图3为本发明一个实施例中的光阳极纳米(或多孔)薄膜与对电极催化层制备后的示意图；

图4为本发明一个实施例中保护材料形状及安置位置示意图；

图5为本发明一个实施例中的上下基板对接示意图；

图6为本发明一个实施例中的上下基板对接后的电池及封孔材料安装位置示意图；

图7为实施例对应的电池侧视剖面图。

具体实施方式

实施例

本实施例的染料敏化太阳能电池模块由12个基本电池单元组成，其中3个基本电池单元组成1个并联组元，4个并联组元依次串联组成所述电池模块。

参考图7，本实施例的基本电池单元由下至上依次包括：下基板2、下基板导电层4、对电极8、电解质9、光阳极7、上基板导电层3和上基板1。上基板导电层3和上基板1均使用透明材料制作。所述下基板导电层4和上基板导电层3上均制有导电网格19(参考图2)。导电网格19一方面增加所述导电层的导电率，另一方面区隔出各个基本电池单元。所述导电网格19上覆盖有封装隔离层10，用于将所述电解质9密封隔离。本实施中，导电层按照图1所示的导电层划断线5划断，在每个基板上形成4个独立的导电层区块。每个导电层区块内具有3个基本电池单元的光阳极7或对电极8，光阳极7之间通过导电层和导电网格19连接，对电极8之间也通过导电层和导电网格19连接，从而形成3个基本电池单元的并联结构，本发明中将这种并联结构称为并联组元。

本实施例中，每个并联组元内的导电网格均向基板边缘延伸形成导电网格延伸部(参考图2)。所述导电网格延伸部被作为接触电极，一个并联组元的对电极8的导电网格延伸部与相邻并联组元的光阳极7接触，从而实现串联(参考图6)。对于串联结构中第一个并联组元的光阳极7和最后一个并联组元的对电极8，也可以分别通过导电网格延伸部从侧面引出，作为整个电池模块的负极和正极。本实施例中，用于实现相邻并联组元串联的所述导电网格延伸部位于基板边缘的棱的中点处，以便于实现相邻并联组元的电连接。

具体地，参见图2、图3，第一并联组元由第一并联组元光阳极11和第一并联组元对电极15构成，第二并联组元由第二并联组元光阳极12和第二并联组元对电极16构成，第三并联组元由第三并联组元光阳极13和第三并联组元对电极17构成，第四并联组元由第四并联组元光阳极14和第一并联组元对电极18构成，电池的光阳极总引线通过第一并联组元光阳极导电网格延伸部引出，电池的对电极总引线通过第四并联组元对电极导电网格伸部分引出，第一并联组元的对电极导电网格延伸部分25和第二并联组元的光阳极导电网格侧面延伸部22电连接，第二并联组元的对电极导电网格延伸部26和第三并联组元的光阳极导电网格延伸部23电连接，第三并联组元的对电极导电网格延伸部27和第四并联组元的光阳极导电网格延伸部24电连接，从而使四块并联组元形成串联，并具有一个光阳极输出端和一个对电极输出端。

进一步地，所述导电网格延伸部21包括连续的表面延伸部32和侧面延伸部33。所述表面延伸部32制备在基板表面上(这里基板表面是指与电极处于同一侧的表面)，所述侧面延伸部33制备在基板侧面上，加工过程应尽量减小所述表面延伸部32的尺寸，通过所述侧面延伸部实现并联组元之间的串联或引出电极。与所述表面延伸部与侧面延伸部的交界处相对应的基板的棱需要作平滑处理，以防止断路或接触不良。减小表面延伸部的尺寸，有利于提高电池有效面积，即提高基板的面积利用率。

本实施例中，在一个并联组元内，导电网格对基本电池单元的隔离留有缺口31(可参考图2)，并且所述缺口的位置交错排布形成S形通道。基板上对应于所述S形通道的首尾两端处开孔，用于注入电解质。所述缺口的长度不大于所述基本电池单元的宽度(基本电池单元一般为长条状)。

本实施例中，所述下基板可以使用不透明材料制作，也可以使用透明材料制作。当使用透明材料制作时，可在所述下基板的下方覆盖反射层。

按照本实施例的方法，可以灵活的实现基本电池单元之间的并联和串联。比如可以先将基本电池单元串联，形成串联组元，然后再将串联组元并联形成电池模块。用于串联的延伸部也可以由导电层引出，而并不限于由导电网格引出。所述串联组元内的第一级电池单元与其它串联组元内的第一级电池单元共用同一连续的导电层，并且所述串联组元内的最后一级电池单元与其它串联组元内的最后一级电池单元共用同一连续的导电层，从而实现串联组元之间的并联；或者所述串联组元内的第一级电池单元与其它串联组元内的第一级电池单元通过所述接触电极的接触连接，并且所述串联组元内的最后一级电池单元与其它串联组元内的最后一级电池单元通过所述接触电极的接触连接，从而实现串联组元之间的并联。

本申请还提供了一种染料敏化太阳能电池模块的制作方法，包括以下步骤：

1)如图1所示，在上基板和下基板的导电层上进行划断，以将导电层断开，形成不同区域，这样，在不同导电层区域上制备的电池单元隔离，而同一导电层区域上制备的电池单元并联。在基板上制备小孔以备灌注电解质，在基板边缘的预备作为串联接触点(接触电极)或输出端(总电极)的位置进行平滑处理，使其利于连通。本步骤中，可以在上基板和下基板的导电层上分别制备一个隔断区5，以方便总电极的引出。还可以在上基板和下基板分别制备标记21，以方便后续步骤中上基板和下基板相对位置的匹配。

2)如图2、图3所示，在上基板1上使用印刷、或喷涂、或溅射或其它镀膜方法制备所需形状的纳米或多孔半导体薄膜作为光阳极，并进行烧结；并且，在上基板1上使用印刷、或喷涂、或溅射或其它镀膜方法制备导电网格19，并依照材料本身的性质加热处理，使之与上基板导电层连接牢固并具备良好导电性，可进行打磨或用其他处理方式使网格表面平整。通过浸渍使光阳极吸附染料。如图3所示，11、12、13、14分别是第一并联组元光阳极、第二并联组元光阳极、第三并联组元光阳极、第四并联组元光阳极。所述导电网格19具有延伸部，所述延伸部位于上基板的边缘处，所述延伸部用作接触电极。

3)如图2、图3所示，在下基板2上使用印刷、或喷涂、或溅射或其它镀膜方法制备所需形状的催化层作为对电极，并进行烧结；并且，在下基板2上使用印刷、或喷涂、或溅射或其它镀膜方法制备导电网格19，并依照材料本身的性质加热处理，使之与基板导电层连接牢固并具备良好导电性，可进行打磨或用其他处理方式使网格表面平整。如图3所示，15、16、17、18分别是第一并联组元对电极、第二并联组元对电极、第三并联组元对电极、第四并联组元对电极。所述导电网格19具有延伸部，所述延伸部位于下基板的边缘处，所述延伸部用作接触电极。

4)如图4所示，使用激光切割、或机械切割、或其它切割方法将密封材料切割成所需形状，并覆盖在两基板上所需位置，将两基板对准合拢，依密封材料的热性质进行加热并加压，使导电网格被密封材料完全保护，形成封装隔离层10。

5)如图6所示，使用真空法或灌注法将电解质注入两电极和封装隔离层10所形成的空腔中，使用小孔密封材料29和玻璃30将基板上用于灌注电解质的小孔6密封。

6)如图5、图6所示，将电池模块基板的边缘留作串联接触电极的位置进行连通，连通可使用直接焊接、或焊接导线、或连接器等连通方式。

在上述步骤1)中，制备小孔不是必须的，若使用固体电解质或准固体电解质，可以直接将电解质涂敷在电极上以代替灌注法。步骤1)中处理棱角的过程，可以在制作基板的过程中直接加工成型，或者在制备基板后通过打磨等方式处理。

在上述步骤2)中，所制备的纳米或半导体多孔薄膜，其厚度可以在0.1微米至1毫米之间，如基板是透明导电玻璃，薄膜为TiO₂，烧结温度可在450℃至600℃之间，烧结时间在30分钟至300分钟之间，制备多层薄膜可一次烧结，也可多次烧结。

在上述步骤3)中，所制备的催化层，其厚度可以在0.001微米至1毫米之间，如使用含铂的溶液或胶体材料，基板为透明导电玻璃，烧结温度在350℃至500℃之间，烧结时间在20分钟至200分钟之间，制备多层薄膜可一次烧结，也可多次烧结。

在上述步骤2)和3)中，所制备的导电网格，可使用银、铜、锌等各种金属及合金材料，其厚度可以在0.001微米至1毫米之间，在串联节点处应使其延伸至基板侧面，若使用含银的溶液或胶体，烧结温度可在400℃至600℃之间，烧结时间在20分钟至200分钟之间。在步骤2)和3)中所有烧结过程均可先选择进行烘干预处理，烘干温度在50℃至150℃之间，烘干时间在10分钟至180分钟之间。在步骤2)和3)中，在基板上制备导电网格和半导体薄膜或催化层的顺序，可根据材料的热处理需要进行调整，通常先制备需较高温度处理的薄膜。

在上述步骤4)中，所使用的密封材料，其制备完成后的厚度应大于两基板上导电网格的厚度之和，并且大于半导体薄膜和催化层的厚度之和，以避免短路；其加热和加压处理的条件根据所选材料的热性质决定，若使用杜邦公司的沙林材料，加热温度可在90℃至200℃之间，加热时间可在3秒至10分钟之间。

在上述步骤5)中，密封小孔所用的材料可与保护导电网格所用的材料相同或不同，其密封所需的加热加压条件根据材料的热性质决定，若使用杜邦公司的沙林材料，加热温度可在90℃至180℃之间，加热时间可在3秒至10分钟之间。

在上述步骤6)中，串联接触点处需被连接的两处导电网格延伸部分的位置可以上下相对，也可以稍微错开。

本发明所使用的上基板使用透明材料制作，可以是透明玻璃、透明塑料、或透明高分子材料等，上基板上的透明导电层可以是ITO(掺锡的氧化铟)或FTO(参氟的氧化锡)等。下基板和下基板导电层可选择的透明材料，也可以使用不透明的材料制作。

本发明所使用的光阳极的制作材料的选则范围包括：含有Ti氧化物、Nb氧化物、Zn氧化物、Sn氧化物、Fe氧化物、W氧化物、Cr氧化物、Pm氧化物、V氧化物、Ni氧化物、Ta氧化物、Zr氧化物、In氧化物、Sr氧化物、Ir氧化物、La氧化物、Mo氧化物、Mg氧化物、Al氧化物、Y氧化物、Sc氧化物、Sm氧化物、Ga氧化物之中的一种或多种氧化物。

本发明所使用的对电极的制作材料的选则范围包括：Pt、C、Ru、Pd、Rh、Ir、Os和它们的混合物。

本发明所使用的电解质可以从液体电解质、离子液体电解质、类固体电解质、聚合物电解质和固体电解质中选择。

保护导电网格所使用的材料和密封材料应均不会与电解质反应，比如导电网格材料可使用高分子材料，密封材料可使用高分子粘结剂。

当下基板和下基板导电层选择透明材料时，可以在下基板下侧覆盖反射层，所述反射层可以使用金属、氧化物等具有反射能力的材料，反射层的反射率在10％-100％的范围。

本发明的并联组元和串联组元统称为电池组元。

本发明的优点包括：

1、本发明通过在基板侧面接触实现电池模块上下电极的电连接，工艺简单，能够提高制备过程的成品率。

2、本发明在一个染料敏化太阳能电池模块内实现串联与并联集成，使得单一电池模块可以同时具备高电压和大电流，从而可以用单块电池满足更广泛的器件的电压电流需求，其串并联的组合方式可根据需要自行设计。

3、本发明用于注入电解质的开孔少，减小了面积浪费，且易于封装。

4、本发明中的导电网格，既用于减小基板导电层电阻，又用于引出串联节点，重复利用提高了电池的面积利用率，简化了串并联解决方案的工序。

Claims (13)

1.一种染料敏化太阳能电池模块，所述电池模块由多个基本电池单元组成，所述基本电池单元组成由下至上依次包括：下基板、下基板导电层、对电极、电解质、光阳极、上基板导电层和上基板；物理位置邻近的基本电池单元组成电池组元，相邻电池组元之间串联或并联；相邻电池组元之间的串联如下：在前级电池组元的最后一个基本电池单元的下基板导电层上设置接触电极，在后级电池组元的第一个基本电池单元的上基板导电层上设置接触电极，所述接触电极均位于所述基板的边缘处，且前级电池组元的最后一个基本电池单元的对电极通过所述接触电极之间的接触与后级电池组元的第一个基本电池单元的光阳极电连接。

2.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池模块，其特征在于，所述导电层上具有导电网格，所述接触电极是所述导电网格的延伸部。

3.根据权利要求2所述的染料敏化太阳能电池模块，其特征在于，组成电池模块的所有基本电池单元均共用一个上基板和一个下基板。

4.根据权利要求2所述的染料敏化太阳能电池模块，其特征在于，导电网格的延伸部包括连续的表面延伸部和侧面延伸部；所述表面延伸部制备在基板表面上，所述侧面延伸部制备在基板侧面上，所述表面延伸部与侧面延伸部的交界处的基板边缘的棱经过平滑处理或直接采用棱部平滑的基板。

5.根据权利要求2所述的染料敏化太阳能电池模块，其特征在于，所述电池组元为并联组元，所述并联组元串联形成同时具有并联和串联结构的太阳能电池模块。

6.根据权利要求5所述的染料敏化太阳能电池模块，其特征在于，所述染料敏化太阳能电池模块的总电极由所述导电网格的延伸部引出。

7.根据权利要求5所述的染料敏化太阳能电池模块，其特征在于，所述导电网格的网格线将并联组元内部的各基本电池单元区隔开，但所述网格线留有缺口，所述缺口的位置交错排布以使一个并联组元内的导电网格形成一段连续的S形通道。

8.根据权利要求7所述的染料敏化太阳能电池模块，其特征在于，所述导电网格的网格线的缺口长度不大于所述基本电池单元光阳极或对电极的宽度。

9.根据权利要求8所述的染料敏化太阳能电池模块，其特征在于，所述基板上对应于所述S形通道的首尾两端处开孔，所述开孔用于注入电解质。

10.根据权利要求2所述的染料敏化太阳能电池模块，其特征在于，所述电池组元是串联组元，所述串联组元并联形成同时具有并联和串联结构的太阳能电池模块；所述串联组元内，前级基本电池单元的下基板导电层上设置接触电极，后级基本电池单元的上基板导电层上设置接触电极，所述接触极电极均位于所述基板的边缘处，并且前级基本电池单元的对电极通过所述接触电极之间的接触与后级基本电池单元的光阳极电连接。

11.根据权利要求10所述的染料敏化太阳能电池模块，其特征在于，所述串联组元内的第一级电池单元与其它串联组元内的第一级电池单元共用同一连续的导电层，并且所述串联组元内的最后一级电池单元与其它串联组元内的最后一级电池单元共用同一连续的导电层，从而实现串联组元之间的并联；或者所述串联组元内的第一级电池单元与其它串联组元内的第一级电池单元通过所述接触电极的接触连接，并且所述串联组元内的最后一级电池单元与其它串联组元内的最后一级电池单元通过所述接触电极的接触连接，从而实现串联组元之间的并联。

12.根据权利要求2所述的染料敏化太阳能电池模块，其特征在于，所述导电网格上覆盖有封装隔离层，用于将所述电解质密封隔离。

13.一种染料敏化太阳能电池模块的制备方法，包括如下步骤：

1)在上基板和下基板划分用于容纳各电池组元的区域，在上基板和下基板的边缘处设置预留区域以制备接触电极；

2)在下基板上制备下基板导电层、导电网格和对电极，在上基板上制备上基板导电层、导电网格和光阳极；

3)在所述预留区域制备所述接触电极；

4)将上基板和下基板对准合拢形成一体，再在上基板和下基板间的空腔内注入电解质；通过上基板和下基板的接触电极之间的接触实现电池组元或基本电池单元之间的串联。

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