CN102254700A - 层叠结构的光侧入式染料敏化太阳能电池组及其制造工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种具有层叠结构的染料敏化太阳能电池组件及其制作方法：包括对电极和光阳极交替排列而成的电极层叠结构以及设置在电极层叠结构边沿的密封隔离层，Pt层与二氧化钛多孔膜敏化层间设置有电解液层，对电极与外电极的正极电连接，光阳极与外电极的负极电连接，光纤光源将光线引入对电极的侧面。本发明所述具有层叠结构的染料敏化太阳能电池组件，将对电极和光阳极交替排列成层叠结构，由于对电极的两个导电基底上均制备了Pt层，光阳极的两个导电基底上均制备了二氧化钛多孔敏化层，同等光辐照面积上，成数倍增加了光伏转换的有效面积，并利用光纤光源将光线引入对电极，提高了光的空间利用率，减小了电池组件的封装体积。
Description
技术领域
本发明涉及染料敏化太阳能电池及其的制造工艺，特别涉及一种具有层叠结构的光侧入式染料敏化太阳能电池组及其制造工艺。
背景技术
20世纪90年代发展起来的染料敏化太阳能电池，制造工艺简单，成本低，具有许多硅太阳电池所不具有的优点，因而成为该领域里的研究热点。
染料敏化太阳能电池利用了自然界中光合成以及照相的原理，将太阳能直接转化为电能。到目前为止，最成功的和最具有代表性的染料敏化太阳能电池是Gratzel电池。它是以染料敏化多孔纳米结构二氧化钛薄膜为光阳极的一类半导体光电化学电池，根据位于阴极阳极之间的空穴传输介质的形态可分为液体电解质电池和全固态电池。它主要由透明导电基片、多孔纳晶二氧化钛薄膜、敏化剂、电解质溶液(含超敏化剂)和透明对电极组成。
目前，染料敏化太阳能电池的转化效率在特定条件下可达到12％左右。染料敏化太阳能电池的光电转化效率要想进一步提高，必须要改进光阳极、对电极的结构和制造工艺，研制高效能的电解液和染料。另外，封装问题、使用寿命问题也能得到很好的解决的话，染料敏化太阳能电池很有可能在不远的将来成为一种具有竞争力的商业化产品。
专利文献PCT/JP2008/0600462008.5.30公开了一种染料敏化太阳能电池模块及其制造方法。该发明的染料敏化太阳能电池模块是在基材和背面板之间并列设置有多个染料敏化太阳能电池单元，所述染料敏化太阳能电池单元由第一导电层、内部含有电解液的多孔半导体层和第二导电层构成，第二导电层的一端通过相对于和该第二导电层所属的染料敏化太阳能电池单元相邻的染料敏化太阳能电池单元的第一导电层固定而与其进行电连接，并且第二导电层的载置于多孔半导体层上的部分不与该多孔半导体层及背面板接合。
专利文献200310112032.2介绍了一种染料敏化太阳能电池为电池单元组成的电池组，并在染料敏化太阳能电池及其电池组加入独立的光导向装置，解决现有的染料敏化太阳能电池无法层叠使用的问题。
如上所述，传统的单片型的染料敏化太阳能电池模块具有以下不足：
(1)多孔的二氧化钛光阳极、电解液层及对电极相互结合，形成单层的三明治单元，单层结构需要较大的受光面积。
(2)入射光只经过光阳极一次吸收，光利用率不高。
(3)单片型的染料敏化太阳能电池模块各单元一般都是独立封装，密封效果不好。
在专利文献200310112032.2中所述有导光装置，但是其导光装置和电极是分离的，封装体积较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够精确地制作出染料敏化太阳能电池组件，具有较高的光利用率和使用寿命的具有层叠结构的光侧入式染料敏化太阳能电池组及其制造工艺。
为了达到上述目的，本发明的制备工艺如下：
第一步：制作双面散光催化对电极：在双面散光催化对电极的高透型导电玻璃基底的两个表面采用真空磁控溅射一层Pt薄层形成双面散光催化对电极Pt薄层作为光纤光源光线的散射层和电池的催化层；
第二步：在双面光阳极的高透型导电玻璃基底的两个表面上采用丝网刮涂工艺刮、烧结制成具有多孔结构的二氧化钛膜，并进行浸泡敏化形成二氧化钛多孔膜敏化层的双面光阳极；
第三步：将第一步的双面散光催化对电极和第二步的双面光阳极按顺序层叠布置且两侧为双面散光催化对电极，相邻的双面散光催化对电极和双面光阳极之间形成一容纳电解液的腔体，在层叠布置的双面散光催化对电极和双面光阳极的侧端留有与容纳电解液的腔体相连通的电解液注入孔，然后加密封胶得预密封层叠结构；
第四步：将预密封的层叠结构浸泡在电解液中，抽真空，在负压环境下使电解液通过侧端电解液注入孔注入到层叠结构电极间的腔体中形成电解液层，充填后将电解液注入孔彻底密封；
第五步：将注过电解液的预密封层叠结构并联后插入封装铝框的电连接线槽中，其中对电极与外电极的正极电连接，光阳极与外电极的负极电连接，然后再加封装胶二次密封在其两侧形成密封隔离层，密封时和密封后都要保证双面对电极入光侧端的清洁干净；
第六步：将传光光纤从封装铝框的光纤引入孔引入封装铝框并与双面散光催化对电极相连；最后在上下两侧加上盖板和下盖板进行整体封装。
所述的磁控溅射的温度为20℃，溅射功率为500W，氩气流量为20sccm，溅射时间为7-12s，所述Pt层的厚度为3.5nm。
所述第二步的二氧化钛膜的厚度为10μm，烧结的条件为自室温以3℃/分钟升温至300-500℃后保温1小时，所述敏化是指将烧结后的二氧化钛膜浸泡于N719敏化液中24小时。
所述的上、下盖板的内表面均电镀铝制成的上、下盖板内侧镜面层对入射的光线形成多次反射。
所述的第四步负压环境的压力为0.1-0.5Mpa。
本发明的太阳能电池组件包括对电极和光阳极交替排列而成的电极层叠结构以及设置在电极层叠结构边沿的密封隔离层，对电极包括双面散光催化对电极的高透型导电玻璃基底以及设置在双面散光催化对电极的高透型导电玻璃基底表面的Pt层，光阳极包括双面光阳极的高透型导电玻璃基底以及设置在双面光阳极的高透型导电玻璃基底表面的二氧化钛多孔膜敏化层，Pt层与二氧化钛多孔膜敏化层间设置有电解液层，对电极与外电极的正极电连接，光阳极与外电极的负极电连接，光纤光源的出光端将光线引入对电极的侧面。
所述电极层叠结构设置在封装铝框内，封装铝框上设置有若干排用于引入以及固定传光光纤的光纤引入孔。
所述的电池组的上、下两端分别设置有内表面均电镀有铝制镜面层的上、下盖板。
所述的传光光纤的出光端面为半球状。
根据本发明双面散光催化对电极和双面光阳极形成层叠结构，光纤光源光线经对电极两个侧端的小孔引入，有利于提高光的空间利用率；预封装后，再进行两侧端插槽式的整体封装，提高了电池组件的耐久性；封装盖板的内侧为镜面镀层，能使入射光线形成多次反射，增加光利用率；双面光阳极采用丝网刮涂工艺，在双面高透型导电玻璃的两个表面上刮涂并烧结，制成的二氧化钛多孔膜，双层结构可以形成对光的二次吸收，能更好的提高整体的光利用率。
本发明的具有层叠结构的光侧入式染料敏化太阳能电池组件可通过光纤与聚光太阳能组件联用，能够实现对入射太阳光的完全锁定和最大限度的有效利用。本发明电池板的特殊光入射及锁定结构，相比传统平面照射电池结构，实现了电池的叠层结构，在同等光辐照面积上，成数倍增加了光伏转换的有效面积。同时，该种电池结构适合设置于室内、外，对电池布置位置的光辐照无要求。
本发明的有益效果体现在：本发明所述具有层叠结构的染料敏化太阳能电池组件，将对电极和光阳极交替排列成层叠结构，由于对电极的两个导电基底上均制备了Pt层，同时光阳极的两个导电基底上均制备了二氧化钛多孔敏化层，因此，在同等光辐照面积上，成数倍增加了光伏转换的有效面积，并利用光纤光源将光线引入对电极，提高了光的空间利用率，减小了电池组件的封装体积；本发明采用丝网刮涂工艺在双面高透型导电玻璃的两侧表面刮涂并烧结制成二氧化钛多孔膜，双层结构可以形成对光的二次吸收，极大地提高了电池组件整体的光利用率，本发明所述具有层叠结构的染料敏化太阳能电池组件可通过光纤与聚光太阳能组件联用，能够实现对入射太阳光的完全锁定和最大限度的有效利用，对布置位置的光辐照无要求，适合设置于室内以及室外。
附图说明
图1为双面散光催化对电极的俯视和截面图。
图2为双面光阳极的俯视和剖面图。
图3为双面散光催化对电极和双面光阳极组成的层叠结构的封装示意图。
图4为光侧入式染料敏化太阳能电池组件的层叠结构加注电解液后的封装示意图。
图5为光侧入式染料敏化太阳能电池组件层叠结构的电连接示意图。
图6为侧端封装用铝制边框插槽结构示意图。
图7为层叠结构插入到铝制边框插槽中二次密封结构示意图。
图8为光侧入式染料敏化太阳能电池组件整体封装示意图。
符号说明：10-光纤束，11传光光纤，20引出外电极正极，21引出外电极负极，30上盖板，31上盖板内侧镜面层，40双面散光催化对电极Pt薄层，41双面散光催化对电极的高透型导电玻璃基底，50电连接线槽，60光纤引入孔，70双面光阳极的高透型导电玻璃基底，71双面光阳极的二氧化钛多孔膜敏化层，80电解液层，90下盖板，91下盖板内侧镜面层，100密封隔离层，110电解液注入孔，120双面光阳极连接焊点，121双面对极连接焊点，130封装铝框。
具体实施方式
本发明的一种具有层叠结构的光侧入式染料敏化太阳能电池组件结构及制造工艺的一种具体的制造方法，以下根据最佳实施方式，参照附图说明本发明。
实施例：
第一步：制作双面散光催化对电极：参见图1(a)，图1(b)，在双面散光催化对电极的高透型导电玻璃基底41的两个表面采用真空磁控溅射一层Pt薄层形成双面散光催化对电极Pt薄层40作为光纤光源光线的散射层和电池的催化层；磁控溅射的温度为20℃，溅射功率为500W，氩气流量为20sccm，溅射时间为7-12s，Pt层40的厚度为3.5nm；Pt薄层40可以对入射光进行散射，使光线从对电极的两透光面以各个方向射出。
第二步：参见图2(a)，图2(b)，在双面光阳极的高透型导电玻璃基底70的两个表面上采用丝网刮涂工艺刮、烧结制成具有多孔结构的二氧化钛膜，二氧化钛膜的厚度为10μm，烧结的条件为自室温以3℃/分钟升温至300-500℃后保温1小时，然后将其浸泡于N719敏化液中24小时形成二氧化钛多孔膜敏化层71的双面光阳极；
第三步：参见图3(a)，图3(b)，将步骤1)的双面散光催化对电极和步骤2)的双面光阳极按顺序层叠布置且两侧为双面散光催化对电极，相邻的双面散光催化对电极和双面光阳极之间形成一容纳电解液的腔体，在层叠布置的双面散光催化对电极和双面光阳极的侧端留有与容纳电解液的腔体相连通的电解液注入孔110，然后加密封胶得预密封层叠结构；
第四步：参见图4(a)，图4(b)，将预密封的层叠结构浸泡在电解液中，抽真空，在0.1-0.5Mpa负压环境下使电解液通过侧端电解液注入孔110注入到层叠结构电极间的腔体中形成电解液层80；
第五步：参见图5(a)，图5(b)，图6(a)，图6(b)，图7(a)，图7(b)，图8(a)，图8(b)，将步骤4)注过电解液的预密封层叠结构的双面光阳极经双面光阳极连接焊点120与导线相连，将双面对电极经双面对极连接焊点121与导线相连，再分别并联后插入封装铝框130的电连接线槽50中，其中对电极的连接线与外电极的正极20电连接，光阳极的连接线与外电极的负极21电连接，然后再加封装胶二次密封在其两侧形成密封隔离层100，密封时和密封后都要保证双面对电极入光侧端的清洁干净；
第六步：将传光光纤(11)从封装铝框(130)的光纤引入孔(60)引入封装铝框(130)并与双面散光催化对电极相连；最后在上下两侧加上盖板30和下盖板31进行整体封装，上、下盖板30、90的内表面均电镀镜面铝，制成的上、下盖板内侧镜面层31、91对入射的光线形成多次反射。
图1(a)、(b)分别表示本发明的双面散光催化对电极的俯视和截面图。图2(a)、(b)分别表示本发明的双面光阳极的俯视和截面图。图3表示由图1和图2所示的双面散光催化对电极和双面光阳极组成的层叠结构，它由上诉两电极相间层叠在一起构成，两电极四周边沿处加密封胶，中间留有空隙，两对角处分别留一个电解液注入孔(110)，留待加注电解液。图4表示加电解液后的光侧入式染料敏化太阳能电池组件层叠结构，其中电解液注入孔110由光固化密封胶在加注电解液后彻底密封。图5表示光侧入式染料敏化太阳能电池组件的电连接，其中图1所示的双面散光催化对电极连接在一起与引出外电极的正极相连，图3所示的双面光阳极连接在一起与引出外电极的负极相连，各个电池单元的连接方式为并联。图6表示侧端封装用封装铝框结构。图7表示层叠结构插入到封装铝框中进行二次密封，密封时和密封后都要保证双面对电极光纤引入侧端的清洁干净。图8表示光侧入式染料敏化太阳能电池组件的整体封装。
按本发明制备的电池组件包括对电极和光阳极交替排列而成的电极层叠结构以及设置在电极层叠结构边沿的密封隔离层(100)，对电极包括双面散光催化对电极的高透型导电玻璃基底(41)以及设置在双面散光催化对电极的高透型导电玻璃基底表面的Pt层(40)，光阳极包括双面光阳极的高透型导电玻璃基底(41)以及设置在双面光阳极的高透型导电玻璃基底表面的二氧化钛多孔膜敏化层(71)，Pt层(40)与二氧化钛多孔膜敏化层(71)间设置有电解液层，对电极与外电极的正极(20)电连接，光阳极与外电极的负极(21)电连接，光纤束(10)中的传光光纤(11)的出光端将光线引入对电极的侧面。
本发明的电极层叠结构设置在封装铝框130内，封装铝框130上设置有若干排用于引入以及固定传光光纤11的光纤引入孔60，电池组的上、下两端分别设置有内表面均电镀有铝制镜面层31、91的上、下盖板30、90，传光光纤11的出光端面为半球状。
尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但发明并不局限于上述的具体实施方案，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。上述侧入光纤光源，将阳光等光线由光纤从组件侧端小孔引入，光纤出光端面磨成半球状，便于光线以多个方向射入对电极。
Claims (9)
1.一种层叠结构的光侧入式染料敏化太阳能电池组的制造工艺，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：制作双面散光催化对电极：在双面散光催化对电极的高透型导电玻璃基底(41)的两个表面采用真空磁控溅射一层Pt薄层形成双面散光催化对电极Pt薄层(40)作为光纤光源光线的散射层和电池的催化层；
第二步：在双面光阳极的高透型导电玻璃基底(70)的两个表面上采用丝网刮涂工艺刮、烧结制成具有多孔结构的二氧化钛膜，并进行浸泡敏化形成二氧化钛多孔膜敏化层(71)的双面光阳极；
第三步：将步骤1)的双面散光催化对电极和步骤2)的双面光阳极按顺序层叠布置且两侧为双面散光催化对电极，相邻的双面散光催化对电极和双面光阳极之间形成一容纳电解液的腔体，在层叠布置的双面散光催化对电极和双面光阳极的侧端留有与容纳电解液的腔体相连通的电解液注入孔(110)，然后加密封胶得预密封层叠结构；
第四步：将预密封的层叠结构浸泡在电解液中，抽真空，在负压环境下使电解液通过侧端电解液注入孔(110)注入到层叠结构电极间的腔体中形成电解液层(80)，充填后将电解液注入孔(110)彻底密封；
第五步：将注过电解液的预密封层叠结构并联后插入封装铝框(130)的电连接线槽(50)中，其中对电极与外电极的正极(20)电连接，光阳极与外电极的负极(21)电连接，然后再加封装胶二次密封在其两侧形成密封隔离层(100)，密封时和密封后都要保证双面对电极入光侧端的清洁干净；
第六步：将传光光纤(11)从封装铝框(130)的光纤引入孔(60)引入封装铝框(130)并与双面散光催化对电极相连；最后在上下两侧加上盖板(30)和下盖板(31)进行整体封装。
2.根据权利要求1所述的层叠结构的光侧入式染料敏化太阳能电池组的制造工艺，其特征在于，所述的磁控溅射的温度为20℃，溅射功率为500W，氩气流量为20sccm，溅射时间为7-12s，所述Pt层(40)的厚度为3.5nm。
3.根据权利要求1所述具有层叠结构的染料敏化太阳能电池组件的制作方法，其特征在于：所述第二步的二氧化钛膜的厚度为10μm，烧结的条件为自室温以3℃/分钟升温至300-500℃后保温1小时，所述敏化是指将烧结后的二氧化钛膜浸泡于N719敏化液中24小时。
4.根据权利要求1所述具有层叠结构的染料敏化太阳能电池组件的制作方法，其特征在于：所述的上、下盖板(30、90)的内表面均电镀铝制成的上、下盖板内侧镜面层(31、91)对入射的光线形成多次反射。
5.根据权利要求1所述具有层叠结构的染料敏化太阳能电池组件的制作方法，其特征在于：所述的第四步负压环境的压力为0.1-0.5Mpa。
6.一种如权利要求1所述的层叠结构的光侧入式染料敏化太阳能电池组的制造工艺制成的太阳能电池组件，其特征在于：包括对电极和光阳极交替排列而成的电极层叠结构以及设置在电极层叠结构边沿的密封隔离层(100)，对电极包括双面散光催化对电极的高透型导电玻璃基底(41)以及设置在双面散光催化对电极的高透型导电玻璃基底表面的Pt层(40)，光阳极包括双面光阳极的高透型导电玻璃基底(41)以及设置在双面光阳极的高透型导电玻璃基底表面的二氧化钛多孔膜敏化层(71)，Pt层(40)与二氧化钛多孔膜敏化层(71)间设置有电解液层，对电极与外电极的正极(20)电连接，光阳极与外电极的负极(21)电连接，光纤束(10)中的传光光纤(11)的出光端将光线引入对电极的侧面。
7.根据权利要求6所述具有层叠结构的染料敏化太阳能电池组件，其特征在于：所述电极层叠结构设置在封装铝框(130)内，封装铝框(130)上设置有若干排用于引入以及固定传光光纤(11)的光纤引入孔(60)。
8.根据权利要求6所述具有层叠结构的染料敏化太阳能电池组件，其特征在于：所述的电池组的上、下两端分别设置有内表面均电镀有铝制镜面层(31、91)的上、下盖板(30、90)。
9.根据权利要求6所述具有层叠结构的染料敏化太阳能电池组件，其特征在于：所述的传光光纤(11)的出光端面为半球状。
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