CN102983004A - 染料敏化太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种染料敏化太阳能电池，包括：工作电极，其包括涂覆在透明基板的表面上的透明导电层，吸收光并发射电子的染料所吸附到的氧化物半导体厚膜，和金属电极；以及对电极，其包括涂覆在透明基板的表面上的透明导电层，金属电极，和催化电极；其中金属线形成在工作电极的透明基板中或者工作电极的透明导电层中，并且金属线导电地连接至集电极。

Description

染料敏化太阳能电池
技术领域
本发明涉及一种包含有网式金属线的染料敏化太阳能电池。
背景技术
近来，随着对生态友好型能源的兴趣的增长，已经对诸如太阳能电池之类的光电转换元件进行了积极研究。在这些光电转换元件当中有染料敏化太阳能电池(DSSC)，其适用于包括建筑工业和汽车工业在内的各种工业领域。
如图8所示，典型的单元染料敏化太阳能电池包括工作电极、对电极、以及填充在工作电极和对电极之间的电解质170。工作电极和对电极堆叠在一起并且通过粘接材料160相互粘接。
工作电极包括透明导电层110、氧化物半导体厚膜120、金属电极130以及金属电极保护层140。例如氟掺杂氧化锡(FTO)透明导电层可以用作透明导电层110。透明导电层110涂覆在透明基板100的表面上，使得光电子能够流过透明导电层110。氧化物半导体厚膜120由多孔纳米颗粒形成。染料分子被吸附在氧化物半导体厚膜120上。染料分子用于吸收光并发射电子。发射的电子被移动到外部电极。金属电极130形成为金属网格结构并且充当集电极(collector electrode)。金属电极保护层140(例如玻璃粉)通过防止金属电极130的腐蚀来保护金属电极130。
对电极包括透明导电层110、金属电极130、金属电极保护层140、以及催化电极150。对电极的透明导电层110、金属电极130和金属电极保护层140具有与工作电极相同或相似的结构。催化电极150包含诸如铂之类的催化剂。电解质170会在染料敏化太阳能电池工作期间被氧化。对电极用于在氧化发生的情况下适当地减少电解质170。
如果染料敏化太阳能电池具有一定尺寸或更大尺寸，则染料敏化太阳能电池的效率可能会由于透明导电层110相对高的电阻而下降。设置金属电极130来使效率的降低最小化。同时，如果金属电极130的面积较大，则其效率可以被较少地降低，但是氧化物半导体厚膜120(光电极膜)的有效面积可能会被减少，从而降低染料敏化太阳能电池的总输出。
本背景技术部分中公开的上述信息只是为了增强对本发明的背景的理解，并且因此可能包含不构成在该国对本领域普通技术人员而言已知的现有技术的信息。
发明内容
在一个方面中，本发明提供了一种染料敏化太阳能电池，包括：工作电极，其包括涂覆在透明基板的表面上的透明导电层，吸收光并发射电子的染料所吸附到的氧化物半导体厚膜，和充当集电极的金属电极；以及对电极，其包括涂覆在透明基板的表面上的透明导电层，充当集电极的金属电极，和催化电极；其中金属线以等间隔形成在透明基板的内表面上或者工作电极的透明导电层的内表面上，并且金属线导电地连接至集电极。
在示例性实施例中，以等间隔形成在工作电极的透明导电层的内表面上的金属电极由形成在透明导电层的表面上的氧化物半导体厚膜覆盖，并且以等间隔形成在对电极的透明导电层的内表面上的金属电极由催化电极覆盖。
在另一示例性实施例中，工作电极的金属电极和对电极的金属电极嵌入并布置在透明基板的内表面中。
在又一示例性实施例中，工作电极的金属电极和对电极的金属电极嵌入并布置在透明导电层的内表面中。
特别地，金属线形成以下结构中的一种结构：金属线沿纵向或横向以等间隔呈直线布置的结构，金属线倾斜地以等间隔呈直线布置的结构，金属线沿纵向和横向交叉的网式结构，金属线沿纵向呈直线布置并且沿横向倾斜地布置的网式结构，以及金属线彼此倾斜地交叉的网式结构。
优选地，金属线被布置成具有0.001至2000微米的宽度，保持0.001至20000微米的间隔，并且具有0.001至20微米的高度。
更优选地，金属线被布置成具有0.001至1000微米的宽度，保持0.01至10000微米的间隔，并且具有0.001至10微米的高度。
根据本发明，可以通过利用诸如丝网印刷、喷墨印刷、凹版涂覆、棒式涂覆和喷涂之类的公知涂覆方法把包含金属的诸如墨水或浆料之类的液体涂覆在透明导电层的表面上来形成各金属线。可选地，可以通过溅射，通过直接贴附具有特定形状的固体金属线，或者通过用于形成金属线的任何方法，来形成各金属线。
根据本发明的染料敏化太阳能电池具有有利效果。例如，光电极(photo electrode)的有效面积可以得到增大，同时染料敏化太阳能电池的透明度不会降低。染料敏化太阳能电池可以采用更简单的步骤和更低的成本来制造。
附图说明
现在将参考通过附图示出的本发明的某些示例性实施例来详细描述本发明的上述及其它特征，其中附图将在下文中仅通过例证的方式给出，并且因此并非对本发明进行限制，其中：
图1A和1B是示出根据本发明第一实施例的染料敏化太阳能电池的截面视图；
图2A和2B是示出根据本发明第二实施例的染料敏化太阳能电池的截面视图；
图3A和3B是示出根据本发明第三实施例的染料敏化太阳能电池的截面视图；
图4A至4C是示出根据本发明第四实施例的染料敏化太阳能电池的截面视图；
图5A至5C是示出根据本发明第五实施例的染料敏化太阳能电池的截面视图；
图6A至6I是示出根据本发明第六实施例的染料敏化太阳能电池的截面视图；
图7是示意性地示出可在根据本发明的染料敏化太阳能电池中使用的金属线的结构的实例的视图；并且
图8是示出常规染料敏化太阳能电池的截面视图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本发明的示例性实施例使得本领域技术人员能够容易地实施本发明。
第一实施例
如图1A所示，根据本发明第一实施例的染料敏化太阳能电池包括工作电极、对电极以及填充在工作电极和对电极之间的电解质170。工作电极和对电极堆叠在一起并且通过粘接材料160相互粘接。
工作电极包括透明导电层110、氧化物半导体厚膜120、金属电极130和金属电极保护层140。例如氟掺杂氧化锡(FTO)透明导电层可以用作透明导电层110。透明导电层110涂覆在透明基板100的表面上，使得光电子能够流过透明导电层110。氧化物半导体厚膜120由多孔纳米颗粒形成。染料分子被吸附在氧化物半导体厚膜120上。染料分子用于吸收光并发射电子。发射的电子被移动到外部电极。金属电极130形成为金属网格结构并且充当集电极。设置金属电极保护层140(例如玻璃粉(glass frit))以通过防止金属电极130的腐蚀来保护金属电极130。氧化膜半导体厚膜120布置在相邻的金属电极保护层140之间。
对电极包括透明导电层110、金属电极130、金属电极保护层140和催化电极150。对电极的透明导电层110、金属电极130和金属电极保护层140具有与工作电极相同或相似的结构。催化电极150包含有诸如铂之类的催化剂，并且布置在相邻的金属电极保护层140之间。
多个薄金属线180形成在工作电极的透明导电层110中(优选地形成在透明导电层的内表面上)。
特别地，每个金属线180为直线状或网状。可以调节金属线180的宽度以便获得染料敏化太阳能电池的足够的透明度和集电性能。如果金属线180的宽度过小，则染料敏化太阳能电池的集电性能可能会不令人满意。另一方面，如果金属线180的宽度过大，则染料敏化太阳能电池的透明度可能会不令人满意。优选地，金属线180可以具有0.001至2000微米的宽度。更优选地，金属线180可以具有0.001至1000微米的宽度。
可以调节金属线180的高度以便获得透明导电层110和/或染料敏化太阳能电池的适当厚度。优选地，金属线180的高度可以处于0.001至10微米的范围内。
同时，如图1B所示，金属线180形成在工作电极的透明导电层110的内表面上。金属线180可以以各种方式形成。例如，可以通过利用诸如丝网印刷、喷墨印刷、凹版涂覆、棒式涂覆(bar coating)和喷涂之类的已知涂覆方法、利用溅射把包含金属的气体、液体或固体(例如溶胶、墨水和浆料)涂覆在透明导电层110的表面部分上，或者通过直接贴附具有特定形状的固体金属线，来形成金属线180。
金属线180可以以预定间隔并且以预定形状形成。例如，金属线180可以以等间隔形成。金属线180也可以以不同的间隔形成。此外，金属线180可以彼此平行地形成。另外，金属线180可以是两个或更多不同的线在一个或更多点上重叠的网式。如图1B所示，金属线180可以直接连接至金属电极130和金属集电极130-1。
如上所述，金属线180被布置成不降低透明导电层110的透明度，并且与金属电极130一起充当集电极以提高集电效率。结果，金属线180提高了集电效率，同时保持了氧化物半导体厚膜120和金属电极130的有效面积。
第二实施例
根据本发明第二实施例的染料敏化太阳能电池除了以下区别以外具有与本发明第一实施例相同的配置：如图2A所示，工作电极的氧化物半导体厚膜120(即，包含多孔纳米颗粒的光电极层)被堆叠以覆盖工作电极的金属电极保护层140，并且对电极的氧化物半导体厚膜120被堆叠以覆盖对电极的金属电极保护层140，从而增大氧化物半导体厚膜120的有效面积。
如图2B所示，根据本发明的第二实施例，金属线180可以形成为网式结构，其中金属线180对角地相互交叉，从而提高集电效率。
同时，在该实施例中，氧化物半导体厚膜120的厚度可以引起染料敏化太阳能电池的总厚度的增加。然而，该总厚度可以通过使金属电极130和/或金属电极保护层140变得更薄来控制。
第三实施例
根据本发明第三实施例的染料敏化太阳能电池除了金属电极130的位置以外具有与本发明第二实施例相同的配置。
如图3A所示，根据第三实施例，工作电极的金属电极130和对电极的金属电极130布置在各个透明导电层110的外表面上的各个透明导电层110内部，所述各个透明导电层110的外表面分别面对各个透明基板100的内表面。因此，氧化物半导体厚膜120(以及所得到的染料敏化太阳能电池)的均匀厚度能够得到确保。
如第一和第二实施例中所示的那样，金属线180可以适当地布置在相邻金属电极130之间的透明导电层110的外表面上的透明导电层110内部，从而提高集电效率。
由于金属电极130布置在透明导电层110内部，所以单独的金属电极保护层140不是必需的，这可以减少制造步骤和成本。
在一些改进的实施例中，如图3B所示，工作电极可以具有上述的配置，同时对电极可以具有与第二实施例中所述的配置相同的配置。
第四实施例
根据本发明第四实施例的染料敏化太阳能电池除了金属电极130的位置以外具有与本发明第三实施例相同的工作电极。
如图4A至4C所示，根据第四实施例，工作电极的透明基板100在其内表面上设置有凹槽，并且工作电极的金属电极130布置在凹槽内部。
如图4A和4B所示，对电极可以具有与其它实施例中所述结构(例如图2A和图3A)相同的结构。此外，如图4C所示，对电极可以具有与图4B所述结构相同的结构，除了金属线布置在透明基板100上所设置的凹槽内部以外。
出于与关于第三实施例所述的原因相同或相似的原因，制造步骤/成本可以得到减少，并且染料敏化太阳能电池的均匀厚度可以得到确保。
第五实施例
根据本发明第五实施例的染料敏化太阳能电池具有与本发明第三实施例相同的工作电极，除了以下区别以外：第五实施例的工作电极不具有金属电极130，并且其具有更密集的金属线180，如图5A所示。
对电极可以具有与其它实施例中所述结构(例如图2A)相同的结构。在一些改进的实施例中，对电极也可以按照与工作电极相同的方式设置有金属线180。此外，在另一些改进的实施例中，对电极的金属电极可以由金属线180形成。
优选地，如从图5A至5C可以看出的那样，金属线180可以相互交叉从而关于彼此倾斜，或者充当金属电极的金属带条可以仅在金属线180的外围部分形成得较宽，从而提高集电效率。
如上所述，根据本发明的第五实施例，太阳能电池的性能能够得到增强，太阳能电池的厚度能够得到降低，并且通过增大氧化物半导体厚膜120的有效面积并将金属电极130替换为金属线180而使太阳能电池的制造能够得到简化。
第六实施例
根据本发明第六实施例的染料敏化太阳能电池具有与本发明第五实施例相同的工作电极，除了以下区别以外：第六实施例的工作电极具有位于透明基板100内部(或者位于其内表面上)的金属线180，如图6A至6H所示。在一些改进的实施例中，工作电极可以在透明基板100的内表面中所形成的凹槽中具有金属电极130，并且其在相邻的金属电极130之间具有金属线180，如图6I所示。
如图6A至6C所示，对电极可以具有与其它实施例中所述的结构(例如图4A至图4C)相同的结构。此外，对电极可以具有如图6D至6I中所示的改进的结构，其详细描述将予以省略，因为其相应配置可根据上述配置而明显地得到。
如此，金属线180可以充当工作电极和/或对电极的集电极，从而提高集电效率。图7示出金属线180的结构的非限制性实例，其中金属线可以沿纵向或横向以等间隔呈直线布置；金属线可以倾斜地以等间隔呈直线布置，金属线可以沿纵向和横向交叉；金属线可以沿纵向呈直线布置并且沿横向倾斜地布置；金属线可以彼此倾斜地交叉；并且金属线可以具有外围边缘。
已经参考本发明的优选实施例对本发明进行了详细描述。然而，本领域技术人员应理解的是，可以在这些实施例中做出变更而不脱离本发明的原理和精神(例如，通过将一个实施例的一部分或全部与说明书中描述的另一实施例的一部分或全部进行组合来构成染料敏化太阳能电池；改变金属线的位置，等等)，本发明的范围应由所附权利要求及其等效形式限定。

Claims (11)

1.一种染料敏化太阳能电池，包括：
工作电极，其包括涂覆在透明基板的表面上的透明导电层，吸收光并发射电子的染料所吸附到的氧化物半导体厚膜，和金属电极；以及
对电极，其包括涂覆在透明基板的表面上的透明导电层，金属电极，和催化电极，
其中金属线形成在所述工作电极的所述透明基板中或者所述工作电极的所述透明导电层中，并且所述金属线导电地连接至集电极。
2.如权利要求1所述的染料敏化太阳能电池，其中所述金属电极由形成在所述透明导电层的表面上的所述氧化物半导体厚膜覆盖，并且所述金属电极由所述催化电极覆盖。
3.如权利要求1所述的染料敏化太阳能电池，其中所述工作电极的金属电极和所述对电极的金属电极布置在各个透明基板上所设置的凹槽内部。
4.如权利要求1所述的染料敏化太阳能电池，其中所述工作电极的金属电极和所述对电极的金属电极布置在各个透明导电层的内表面上。
5.如权利要求1所述的染料敏化太阳能电池，其中所述工作电极的金属电极布置在所述透明基板的内表面上，并且所述对电极的金属电极布置在所述透明导电层的内表面上；或者所述工作电极的金属电极布置在所述透明导电层的内表面上，并且所述对电极的金属电极布置在所述透明基板的内表面上。
6.如权利要求1所述的染料敏化太阳能电池，其中所述金属线布置在所述工作电极和所述对电极的透明基板的内表面与所述透明导电层的外表面之间，所述金属线充当金属电极。
7.如权利要求1所述的染料敏化太阳能电池，其中所述金属线与所述金属电极一起布置在所述工作电极和所述对电极的所述透明基板的内表面中，所述金属线充当金属电极。
8.如权利要求1所述的染料敏化太阳能电池，其中所述金属线形成以下结构中的一种结构：金属线沿纵向或横向以等间隔呈直线布置的结构，金属线倾斜地以等间隔呈直线布置的结构，金属线沿纵向和横向交叉的网式结构，金属线沿纵向呈直线布置并且沿横向倾斜地布置的网式结构，以及金属线彼此倾斜地交叉的网式结构。
9.如权利要求1所述的染料敏化太阳能电池，其中每个金属线具有0.001至2000微米的宽度以及0.001至20微米的高度。
10.如权利要求1所述的染料敏化太阳能电池，其中每个金属线具有0.001至1000微米的宽度以及0.001至10微米的高度。
11.如权利要求1所述的染料敏化太阳能电池，其中通过利用丝网印刷、喷墨印刷、凹版涂覆、棒式涂覆、喷涂和溅射中的一种方法把包含金属的液体、气体或固体涂覆在所述透明基板或所述透明导电层的表面部分上，或者通过在所述表面部分上直接形成一定形状的金属线，来形成所述金属线。
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