CN102592850A - 一种染料敏化太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

一种染料敏化太阳能电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种染料敏化太阳能电池及其制备方法。所述串联陈列的大面积染料敏化太阳能电池包括两块相互对置的阳极基板和阴极基板，所述阳极基板和阴极基板之间形成有至少两个电池单元，所述电池单元在阳极基板侧设有光阳极，在阴极基板侧设有光阴极，相邻两个电池单元之间设有隔离两个电池单元的刻蚀区，每个电池单元分别在阳极基板和阴极基板的刻蚀区对应位置设有导电栅，所述阳极基板上的导电栅跟相邻电池单元在阴极基板上的导电栅电连接。本发明适用范围广，设计方案简单，易于操作，适用于DSSC产业化组件生产。

Description

一种染料敏化太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池领域，更具体的说，涉及一种染料敏化太阳能电池及其制备方法。
背景技术
能源的枯竭已步步来临，新能源取代传统能源正蓄势待发。自1954年太阳能电池问世以来，该技术研发已经有50多年的历史，硅晶太阳能电池虽具备高转化效率，但其生产过程高能耗、高污染(在硅片生产中尤为严重)，是该技术的重大缺点。新型薄膜电池染料敏化太阳能电池(DSSC)应运而出。其简单的制备工艺以及低的生产成本受到业内人士的好评。
染料敏化太阳能电池是由瑞士联邦理工学院教授格伦策尔发明，该太阳能电池的结构是由光阳极、光阴极(对电极)以及两极间注入的电解质组成，其中光阳极为表面负有纳米晶二氧化钛薄膜的导电衬底。经过二十年的研发历程，目前在实验室小面积DSSC的最新光电转换效率测试数据已经超过13％，实现其效率的进一步提高仍有待于后续的研发。
DSSC并非半导体PN结的光伏效应发电，更似一种光合作用发电，所以电池内部没有有效的抑制光生电子-空穴对的复合作用，使得大面积DSSC效率大幅度下降，从而阻碍其向产业化发展的道路。所以DSSC阵列成为产业化制备方向，如何实现电池阵列互联成为研究人员面临的技术难题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种可大面积串联陈列的染料敏化太阳能电池及其制备方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种染料敏化太阳能电池，包括两块相互对置的阳极基板和阴极基板，所述阳极基板和阴极基板之间形成有至少两个电池单元，所述电池单元在阳极基板侧设有光阳极，在阴极基板侧设有光阴极，相邻两个电池单元之间设有隔离两个电池单元的刻蚀区，每个电池单元分别在阳极基板和阴极基板的刻蚀区对应位置设有导电栅，所述阳极基板上的导电栅跟相邻电池单元在阴极基板上的导电栅电连接。
优选的，所述导电栅为采用金属银的银栅；所述电池单元的光阳极和光阴极为矩形，所述刻蚀区环绕在所述光阳极和光阴极的两个长边侧和其中一个短边侧，所述银栅包括连接端部和导电长柄，所述导电长柄设置在所述光阳极或光阴极的其中一条长边侧，并和所述光阴极或光阳极长边侧的刻蚀区重合；所述连接端部设置在光阳极或光阴极短边侧的刻蚀区内，所述光阳极的银栅的连接端部跟相邻电池单元光阴极的银栅的连接端部电连接。此为一种具体的串联陈列的大面积染料敏化太阳能电池的结构，相邻两个电池单元的银栅的连接端部在短边侧的刻蚀区重合，由于刻蚀区的隔离作用，避免了同一极性的不同电池单元之间短路的可能。所述导电长柄设置在所述光阳极或光阴极的其中一条长边侧，并和所述光阴极或光阳极长边侧的刻蚀区重合，即导电长柄设置在所述光阳极其中一条长边侧，银栅与光阳极电连接，收集光阳极释放的电子，形成电池单元负极，而该银栅的导电长柄跟相对的所述光阴极长边侧的刻蚀区重合，由于刻蚀区的隔离作用，可以避免同一电池单元的光阳极和光阴极短路。同理，导电长柄设置在所述光阴极其中一条长边侧，银栅就可以跟光阴极电连接，接收回路中负极传输来的电子，形成电池单元正极，而该银栅的导电长柄跟相对的所述光阳极长边侧的刻蚀区重合，由于刻蚀区的隔离作用，可以避免同一电池单元的光阳极和光阴极短路。
优选的，所述光阳极采用二氧化钛薄膜，所述二氧化钛薄膜从底层起，依次包括透明层、混合层以及散射层。
优选的，所述二氧化钛薄膜透明层由粒径为20nm颗粒二氧化钛浆料制备，厚度为5～10μm；混合层由粒径为20nm与200nm混合二氧化钛浆料制备，厚度5～10μm；散射层由粒径为200nm二氧化钛浆料制备，厚度为1～5μm。
优选的，所述光阴极包括铂薄膜层。此为一种具体的光阴极的材质。
一种染料敏化太阳能电池的制备方法，包括步骤：
A：在阳极基板和阴极基板的导电玻璃上分别形成刻蚀区和至少两个电池单元；
B：清洗导电玻璃，然后在导电玻璃上分别设置连接电池单元光阳极和相邻电池单元光阴极的导电栅；
C：光阳极和光阴极的制作方法；
D：阳极基板和阴极基板对接封装，然后在光阳极和光阴极之间注入电解质。
优选的，所述步骤B中，使用高温银浆，在所述导电玻璃上丝印所述导电栅，随后做烧结处理，烧结温度为400～500℃。此为一种采用金属银的导电栅制作工艺。
优选的，所述步骤C中，光阳极的制作方法包括步骤：
C1-1：在70℃温度以内，所述阳极基板的导电玻璃在40mMTiCl4溶液中浸渍30分钟，再清洗，烘干备用；
C1-2：采用丝网印刷法印刷二氧化钛薄膜层，依次印刷透明层、混合层、散射层；
C1-3：在550℃下热处理30～60分钟处理后，使用TiCl4溶液处理所述导电玻璃，烘干后制得光阳极；
C1-4：配制N719染料，将烧结完的光阳极浸泡24小时后，取出使用酒精冲洗，烘干备用。
此为一种具体的光阳极制作工艺。
优选的，所述步骤C1-2中，所述透明层使用粒径为20nm颗粒二氧化钛浆料、混合层使用粒径为20nm与200nm颗粒二氧化钛混合浆料，两者质量比为6∶4、散射层使用粒径为200nm颗粒二氧化钛浆料，所述透明层与混合层厚度为5～10μm，散射层厚度为1～5μm。
优选的，所述步骤C中，光阴极的制作方法包括步骤：
C2-1：利用丝网印刷法丝印刷铂薄膜层；
C2-1：将阴极基板的导电玻璃在400℃下保温5～10分钟，然后冷至室温取出，制得光阴极。
本发明提供了一种染料敏化太阳能电池串联设计方案及制备方法，在阳极基板和阴极基板形成刻蚀区隔离相邻两个电池单元，然后利用阳极基板和阴极基板的银栅进行相邻两个电池电压的正、负极对接，形成电池单元之间的串联；而银栅设置在刻蚀区对应的区域，因此同一电池单元的正、负电极之间，以及不同电池单元的同一极性的电极之间都不会短路。本发明中相邻的两个电池单元通过银栅实行串联，需要增加电池单元提升电压等级的时候，只需要在扩展电池单元的同时扩展相应的银栅，就能组建大面积、不同电压等级的太阳能电池板，适用范围广，设计方案简单，易于操作，适用于DSSC产业化组件生产。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
其中：101、阳极基板导电玻璃；102、TiO2薄膜层；103、光阳极银栅线；104、光阳极刻蚀区；201、阴极基板导电玻璃；202、铂薄膜层；203、光阴极银栅线；204、光阴极刻蚀区；205、电解质注入孔。
具体实施方式
下面结合附图和较佳的实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种染料敏化太阳能电池，包括两块相互对置的阳极基板和阴极基板，所述阳极基板和阴极基板之间形成有多个电池单元(如图中所示为十个电池单元串联)，电池单元在阳极基板侧设有光阳极，在阴极基板侧设有光阴极，相邻两个电池单元之间设有隔离两个电池单元的刻蚀区，电池单元的光阳极和光阴极为矩形，刻蚀区环绕在所述光阳极和光阴极的两个长边侧和其中一个短边侧。
光阳极可以采用二氧化钛薄膜(TiO2薄膜层102)，光阴极采用铂薄膜层202。二氧化钛薄膜由透明层、混合层以及散射层组成；所述二氧化钛薄膜由粒径为20nm颗粒二氧化钛浆料制备，厚度为5～10μm；混合层由20nm与200nm混合二氧化钛浆料制备，厚度5～10μm；散射层由200nm二氧化钛浆料制备，厚度为1～5μm。此为一种具体的光阳极的材料，二氧化钛具备高反射性能，可以提高光能利用率，当然光阳极、光阴极还可以采用其他导电性能好的材料制成。
每个电池单元分别在阳极基板和阴极基板的刻蚀区对应位置设有导电栅，导电栅可以采用金、银、铜等导电率高的材料制成，本实施方式以金属银制成的银栅为例进行说明，阳极基板上的银栅跟相邻电池单元在阴极基板上的银栅电连接。
银栅包括连接端部和导电长柄，导电长柄设置在所述光阳极或光阴极的其中一条长边侧，并和光阴极或光阳极长边侧的刻蚀区重合；连接端部设置在光阳极或光阴极短边侧的刻蚀区内，光阳极的银栅的连接端部跟相邻电池单元在光阴极的银栅的连接端部电连接。相邻两个电池单元的银栅的连接端部在短边侧的刻蚀区重合，由于刻蚀区的隔离作用，避免了同一极性的不同电池单元之间短路的可能。导电长柄设置在光阳极或光阴极的其中一条长边侧，并和光阴极或光阳极长边侧的刻蚀区重合，即导电长柄设置在所述光阳极其中一条长边侧，银栅与光阳极电连接，收集光阳极释放的电子，形成电池单元负极，而该银栅的导电长柄跟相对的光阴极长边侧的刻蚀区重合，由于刻蚀区的隔离作用，可以避免同一电池单元的光阳极和光阴极短路。同理，导电长柄设置在光阴极其中一条长边侧，银栅就可以跟光阴极电连接，接收回路中负极传输来的电子，形成电池单元正极，而该银栅的导电长柄跟相对的所述光阳极长边侧的刻蚀区重合，由于刻蚀区的隔离作用，可以避免同一电池单元的光阳极和光阴极短路。
下面以十列电池单元串联、光阳极采用二氧化钛(TiO2)、光阴极采用铂(Pt)为例，阐述上述串联陈列的大面积染料敏化太阳能电池的制备方法。
一、阳极基板制备工艺
1-1 刻蚀：覆盖阳极基板导电玻璃101非刻蚀区，利用激光法或化学刻蚀法对衬底光阳极刻蚀区104刻蚀，刻蚀后衬底分为十列薄膜印刷区。化学法刻蚀具体操作为在刻蚀区铺满锌粉，与一定浓度的盐酸反应，通过反应放热对导电玻璃(FTO)进行刻蚀；
1-2 清洗：刻蚀后对阳极基板导电玻璃101清洗，烘干，用于DSSC光阳极衬底；
1-3 丝印银栅：按附图1设计，制作印刷银栅网版，使用高温银浆，丝印十列光阳极银栅线103。随后做烧结处理，烧结温度为400～500℃；
1-4 TiCl4溶液预处理：70℃下，FTO在40mMTiCl4溶液中浸渍30分钟，再清洗，烘干备用；
1-5 丝印TiO2薄膜102：采用丝网印刷法印刷十列TiO2薄膜层102，依次印刷纳米透明层(使用20nm颗粒TiO2浆料)、混合层(使用20nm与200nm颗粒TiO2混合TiO2浆料，两者质量比为6∶4)、散射层(使用200nm颗粒TiO2浆料)。其中透明层与混合层厚度相同为5～10μm，散射层厚度为1～5μm。
1-6 形成光阳极：在石英管式炉中550℃下热处理30～60分钟处理后，使用TiCl4溶液处理所述导电玻璃，烘干后制得光阳极；
1-7 光阳极敏化：配制一定浓度的N719染料，将烧结完的光阳极浸泡24小时后，取出使用酒精冲洗，烘干备用。
二、阴极基板制备工艺
2-1 刻蚀：覆盖阴极基板导电玻璃201非刻蚀区，利用激光法或化学刻蚀法对光阴极刻蚀区204进行刻蚀，分出十列Pt膜印刷区；
2-2 打孔：使用1mm钻头，分别十列Pt膜印刷区打孔，作为电解质注入孔205。
2-3 清洗：清洗阴极基板导电玻璃201，用于DSSC对电极衬底，烘干备用；
2-4 丝银栅：按附图设计，制作印刷银栅网版，使用高温银浆，丝印十列光阴极银栅线203。随后做烧结处理，烧结温度为400～500℃。
2-5 丝印铂浆：按说明书附图设计网版，利用丝网印刷法在Pt膜印刷区丝印十列铂薄膜层202；
2-6 烧结：400℃下保温5～10分钟，炉冷至室温取出，制得光阴极。
三、在光阳极和光阴极制备完成后，进行DSSC组装工序
3-1 电极对接封装：将所述铂薄膜层与所述光阳极对接，使用低玻粉或紫外固化胶进行封装；
3-2 注入电解质：在真空环境中，通过电解质注入孔205注入电解质I-1/I3 -1氧化还原对；
3-3 密封电解质注入口：以低玻粉或紫外固化胶作封装粘结剂密封电解质注入孔205，制得十列串联染料敏化太阳能电池模块。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种染料敏化太阳能电池，包括两块相互对置的阳极基板和阴极基板，所述阳极基板和阴极基板之间形成有至少两个电池单元，所述电池单元在阳极基板侧设有光阳极，在阴极基板侧设有光阴极，其特征在于，相邻两个电池单元之间设有隔离两个电池单元的刻蚀区，每个电池单元分别在阳极基板和阴极基板的刻蚀区对应位置设有导电栅，所述阳极基板上的导电栅跟相邻电池单元在阴极基板上的导电栅电连接。
2.如权利要求1所述的一种染料敏化太阳能电池，其特征在于，所述导电栅为采用金属银的银栅；所述电池单元的光阳极和光阴极为矩形，所述刻蚀区环绕在所述光阳极和光阴极的两个长边侧和其中一个短边侧，所述银栅包括连接端部和导电长柄，所述导电长柄设置在所述光阳极或光阴极的其中一条长边侧，并和所述光阴极或光阳极长边侧的刻蚀区重合；所述连接端部设置在光阳极或光阴极短边侧的刻蚀区内，所述光阳极的银栅的连接端部跟相邻电池单元光阴极的银栅的连接端部电连接。
3.如权利要求1所述的一种染料敏化太阳能电池，其特征在于，所述光阳极采用二氧化钛薄膜，所述二氧化钛薄膜从底层起，依次包括透明层、混合层以及散射层。
4.如权利要求3所述的一种染料敏化太阳能电池，其特征在于，所述二氧化钛薄膜透明层由粒径为20nm颗粒二氧化钛浆料制备，厚度为5～10μm；混合层由粒径为20nm与200nm混合二氧化钛浆料制备，厚度5～10μm；散射层由粒径为200nm二氧化钛浆料制备，厚度为1～5μm。
5.如权利要求1所述的一种染料敏化太阳能电池，其特征在于，所述光阴极包括铂薄膜层。
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