CN103065800A - 喷墨印刷用电极组合物和使用其制造染料敏化太阳能电池用电极的方法 - Google Patents

喷墨印刷用电极组合物和使用其制造染料敏化太阳能电池用电极的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供用于喷墨印刷的电极组合物，和使用其制造用于染料敏化太阳能电池的电极的方法，所述电极组合物可以用于通过喷墨印刷在弯曲基板上形成具有均匀厚度的电极。具体地，本发明提供用于喷墨印刷的电极组合物，所述电极组合物包括约10～40wt％的铂纳米颗粒、约1～10wt％的聚合物表面稳定剂、和约40～89wt％的溶剂。

Description

喷墨印刷用电极组合物和使用其制造染料敏化太阳能电池用电极的方法
技术领域
本发明涉及电极组合物和使用其制造用于染料敏化太阳能电池的电极的方法。更具体地，本发明涉及用于喷墨印刷的电极组合物，其可以用于通过喷墨印刷在弯曲基板上形成具有均匀厚度的电极。
背景技术
随着对全球变暖的关注日益增加，用于提供和使用环境友好能源的技术已获得大量的公众关注。一个有吸引力的领域，具体地，是使用新的和再生能源的太阳能电池。
这种太阳能电池的例子包括硅基太阳能电池、使用无机物质例如铜铟镓硒(Cu(InGa)Se2，CIGS)的薄膜太阳能电池、染料敏化太阳能电池、有机太阳能电池、有机-无机混合太阳能电池等。
在这些各种类型的太阳能电池中，在商业水平价廉且节能的染料敏化太阳能电池在便携式电子设备领域以及在光伏建筑一体化(BIPV)领域已引起注意。
与其它太阳能电池不同，染料敏化太阳能电池设置有太阳能电池系统，其通过光电转换机制(mechanism)吸收可见光并产生电。
通常，使用构图工艺(patterning process)来形成用于染料敏化太阳能电池的对电极。具体地，构图工艺是使用铂的丝网印刷工艺。
通过将在基板上放置由网丝(mesh)制成的丝网而进行丝网印刷工艺，并且在丝网上放置糊料并通过刮板(squeegee)将其挤出丝网。如此，用通过图案化网丝的糊料来涂覆基板。
然而，该丝网印刷工艺浪费昂贵的糊料，而且仅适用于平基板。而且，控制太阳能电池中电极图案之间的间隔是重要的，因为当受光区域增大，它们的效率提高。然而，丝网印刷工艺在控制电极图案之间的间隔方面存在限制。
具体地，在具有弯曲设计的车辆玻璃例如天窗的情况中，很难通过丝网印刷工艺均匀地涂覆弯曲表面。例如，当通过现有的丝网印刷工艺在弯曲玻璃上涂覆电极时，一部分玻璃可能被浓厚地涂覆，而另一部分可能根本未被涂覆或可能被稀薄地涂覆。这很有问题。
例如，如果形成的电极厚度不均匀，这导致太阳能电池具有不均匀的电阻。而且，太阳能电池的电阻增加，其进而使整个太阳能电池的电阻增加并使太阳能电池的效率降低。
为解决现有的丝网印刷工艺的这些问题，最近已提出通过喷墨印刷形成电极的方法。该喷墨印刷可以减少材料的损失，可以控制细线的宽度，且可以以简单的方式进行。
使用喷墨印刷的构图工艺可以用于弯曲表面装置以及平板装置，因此作为直接印刷方法在例如太阳能电池等各个领域中引起大量关注。
使用具有细喷嘴的喷墨头，喷墨印刷可以在基板上直接形成期望的图案，因此与丝网印刷相比，通过简单的工艺，可以减少工艺的数目，可以减少使用的材料的量，并且可以实现期望的图案。
然而，喷墨印刷不可以使用高粘度糊料，因为图案是使用具有细喷嘴的喷墨头形成的。
发明内容
本发明提供用于喷墨印刷的电极组合物，通过喷墨印刷可以将其均匀地涂覆在基板上。具体地，在制造染料敏化太阳能电池的过程中，电极组合物在弯曲基板上形成具有均匀厚度的催化剂电极层。本发明还提供使用该电极组合物制造用于染料敏化太阳能电池的电极的方法。
一方面，本发明提供用于喷墨印刷的电极组合物，该电极组合物包括铂纳米颗粒、聚合物表面稳定剂和溶剂，具体地，约10～40wt％的铂纳米颗粒；约1～10wt％的聚合物表面稳定剂；和约40～89wt％的溶剂。
在示例性实施方式中，铂纳米颗粒可以具有约5～50nm的直径。
在另一示例性实施方式中，聚合物表面稳定剂可以包括选自聚乙烯吡咯烷酮、聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物、聚环氧乙烷-聚环氧丙烷嵌段共聚物、聚苯乙烯-聚丙烯酸嵌段共聚物、聚苯乙烯-聚乙烯基吡啶嵌段共聚物、及其混合物的至少一种。
在又一示例性实施方式中，溶剂可以包括选自乙二醇、甲醇、乙醇、丙醇、戊醇、及其混合物的至少一种。
另一方面，本发明提供用于染料敏化太阳能电池的电极，该电极包括上述电极组合物。
又一方面，本发明提供用于染料敏化太阳能电池的电极的制造方法，该方法包括：通过喷墨印刷在透明基板上将电极组合物涂覆至均匀厚度；并且对涂覆在透明基板上的电极组合物进行烧结以在透明基板上形成催化剂电极层。根据这方面，电极组合物包括铂纳米颗粒、聚合物表面稳定剂和溶剂，具体地，约10～40wt％的铂纳米颗粒、约1～10wt％的聚合物表面稳定剂、和约40～89wt％的溶剂。
在示例性实施方式中，透明基板可以是以预定曲率弯曲的弯曲基板。
在又一方面，本发明提供用于染料敏化太阳能电池的电极，该电极通过上述方法制造。
在又一方面，本发明提供染料敏化太阳能电池，其包括：包括上述电极的对电极；和与对电极连接的工作电极。
在示例性实施方式中，对电极可以涂覆在以预定曲率弯曲的弯曲基板上。
下文讨论本发明的其它方面和示例性实施方式。
附图说明
现在将参考本发明的某些示例性实施方式来详细地描述本发明的上述和其它特征，其在所附附图中说明，下文给出的这些实施方式仅仅用于示例说明，因此不是对本发明的限制，其中：
图1是显示根据本发明的示例性实施方式使用喷墨印刷用电极组合物制造弯曲对电极的工序的示意图；且
图2是显示根据本发明的示例性实施方式由喷墨印刷用电极组合物形成的染料敏化太阳能电池的结构的示意横截面视图。
附图中提到的附图标记包括对以下元件的参考，其在下面进一步讨论：
101：弯曲基板(用于对电极)
102：催化剂电极层    103：喷墨装置
104：密封剂          105：电解质
106：光电极层
107：弯曲基板(用于工作电极)
应当理解到，所附的附图并非必然是按比例的，其呈现了说明本发明基本原理的各种优选特征的一定程度上简化的表示。本文公开的本发明的具体设计特征，包括，例如，具体大小、方向、位置和形状将部分取决于具体的既定用途和使用环境。
在附图中，附图标记在附图的几张图中通篇指代本发明的相同或等同部件。
具体实施方式
下面将详细地参照本发明的各个实施方式，其实施例图示在所附附图中，并在下文加以描述。尽管将结合示例性实施方式描述本发明，但应当理解，本说明书无意于将本发明局限于这些示例性实施方式。相反，本发明不仅要涵盖这些示例性实施方式，还要涵盖由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围内的各种改变、修改、等效形式和其它实施方式。
应理解，本文使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语包括通常的机动车，例如，包括多功能运动车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商务车的客车，包括各种船只和船舶的水运工具，飞行器等等，并且包括混合动力车、电动车、插入式混合电动车、氢动力车和其它代用燃料车(例如，来源于石油以外的资源的燃料)。如本文所提到的，混合动力车是具有两种或更多种动力源的车辆，例如，具有汽油动力和电动力的车辆。
根据本发明的实施方式，通过喷墨印刷工艺形成电极。该工艺提供在弯曲基板上以及在平基板上均匀形成的电极，其在太阳能电池模块中提供均匀的电阻，从而提高整个太阳能电池模块的效率。
根据本发明的另外的实施方式，提供用于喷墨印刷的电极组合物，其可以用于喷墨印刷工艺以在弯曲基板上以及在平基板上形成具有均匀厚度的电极。
接下来，作为本发明的电极组合物，将详细地描述铂墨，其可以用于通过喷墨印刷工艺在弯曲基板上形成具有均匀厚度的电极。
根据本发明的实施方式，可以使用铂前体、聚合物表面稳定剂、和溶剂来制备铂墨。
具体地，可以通过向表面稳定剂溶液中逐滴加入铂前体溶液来制备本发明的铂墨。可以通过将铂前体溶解在溶剂中来制备铂前体溶液，并且可以通过将表面稳定剂溶解在溶剂中来制备表面稳定剂溶液。使铂前体溶液和表面稳定剂溶液的混合物反应预定时间。之后，向混合物中加入合适的添加剂(例如乙醇)，并且蒸发所得的混合物。
根据本发明的实施方式，在混合的组合物的反应过程中形成铂纳米颗粒，因此铂墨含有由此形成的铂纳米颗粒。
如此，根据本发明的实施方式，用于喷墨印刷的电极组合物是包括铂纳米颗粒、聚合物表面稳定剂、和溶剂的铂墨。
根据本发明的实施方式，铂纳米颗不是溶解于溶剂中，而是以纳米颗粒的形式包含在铂墨中。在各个实施方式中，铂墨含有均匀分散在溶剂中的铂纳米颗粒。
优选地，以上述方式制备的铂墨可以包括约10～40wt％的铂纳米颗粒、约1～10wt％的聚合物表面稳定剂、和约40～89wt％的溶剂。包含在铂墨中的铂纳米颗粒可以具有合适的直径，例如约5～50nm的直径。该铂墨使得可以通过喷墨印刷工艺容易地形成催化剂电极层。
例如，已发现，如果铂纳米颗粒具有小于5nm的直径，则通过在弯曲基板上涂覆铂墨来形成催化剂电极层的过程耗费较长时间。另一方面，如果铂纳米颗粒具有大于5nm的直径，喷墨印刷工艺中使用的喷墨头的喷嘴可能变得堵塞，这是不期望的。
此外，如果铂纳米颗粒的量少于10wt％，则包含在铂墨中的铂的量太小，因此通过在弯曲基板上涂覆铂墨来形成催化剂电极层至某个厚度的过程耗费较长时间。另一方面，如果铂纳米颗粒的量超过40wt％，则铂墨的粘度太高，且在喷墨印刷工艺中使用的喷墨头的喷嘴可能变得堵塞，这也是不期望的。
还发现，如果聚合物表面稳定剂的量少于1wt％，则铂纳米颗粒的表面稳定性降低，其使得难以控制粒径。另一方面，如果聚合物表面稳定剂的量超过10wt％，则聚合物表面稳定剂起到杂质的作用，其使得纳米颗粒团聚，这是不期望的。
而且，如果溶剂的量少于40wt％，则铂墨的粘度相对高，因此在喷墨印刷工艺中使用的喷墨头的喷嘴可能变得堵塞。另一方面，如果溶剂的量超过89wt％，则包含在铂墨中的铂的量相对小，因此通过在弯曲基板上涂覆铂墨来形成催化剂电极层至某个厚度的过程耗费较长时间，这也是不期望的。
通常，金属纳米颗粒趋向于团聚，因此防止团聚并增加可分散性是重要的。因此，在本发明中，聚合物表面稳定剂可以用于将铂墨中所包含的铂纳米颗粒的大小控制至期望的范围，例如约5～50nm的范围。
根据本发明的实施方式，聚合物表面稳定剂可以包括选自聚乙烯吡咯烷酮、聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物、聚环氧乙烷-聚环氧丙烷嵌段共聚物、聚苯乙烯-聚丙烯酸嵌段共聚物、聚苯乙烯-聚乙烯基吡啶嵌段共聚物、及其混合物的至少一种。
此外，溶剂可以包括选自乙二醇、甲醇、乙醇、丙醇、戊醇、及其混合物的至少一种。
可以通过喷墨印刷工艺在弯曲基板上涂覆由此制备的铂墨以形成具有均匀厚度的催化剂电极层。
接下来将描述使用本发明的铂墨在弯曲基板上制造用于染料敏化太阳能电池的电极(即催化剂电极层)的方法。首先，如图1所示，使用喷墨装置103在已首先涂覆有氟掺杂氧化锡(FTO)的弯曲基板101(或弯曲导电基板)的一侧将铂墨涂覆至预定厚度。然后将涂覆的铂墨在预定温度加热并在约400℃至500℃烧结，以形成用于对电极的催化剂电极层102。
可以使用弯曲基板101制造用于染料敏化太阳能电池的对电极，所述弯曲基板101涂覆有通过喷墨印刷工艺形成的催化剂电极层102。因此，例如，可以通过形成待与对电极连接的弯曲工作电极然后将工作电极与对电极连接来制造具有图2中所示结构的弯曲染料敏化太阳能电池。
具体地，弯曲基板101可以是以预定曲率弯曲的透明基板。而且，平板太阳能电池也可以使用平透明基板来制造。
如此，可以通过喷墨印刷工艺通过在基板101上涂覆铂墨来形成具有催化剂电极层102(即电极涂层)的对电极，并且可以使用该对电极来制造弯曲染料敏化太阳能电池。
在图2中，附图标记104表示用于对电极和工作电极连接的密封剂，105表示电解质，106表示光电极层，并且107表示用于工作电极的弯曲基板。
接下来将参考以下实施例描述根据本发明的使用铂墨制造染料敏化太阳能电池的方法，所述实施例用于示例说明本发明，而无意于限制本发明的范围。
实施例：使用喷墨印刷用铂墨制造染料敏化太阳能电池
通过在5ml的乙二醇中溶解0.99g的氯化铂(H2PtCl6)来制备氯化铂溶液，并且通过在10ml的乙二醇中溶解0.13g的聚乙烯吡咯烷酮来制备聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶液。然后，将氯化铂溶液在110℃逐滴加至PVP溶液。
随后，使所得的混合物反应3小时，加入50ml的乙醇并蒸发，从而制备含有铂纳米颗粒的铂墨。
由此制备的铂墨是包括17wt％的铂纳米颗粒、80wt％的乙二醇、和3wt％的PVP的组合物。
然后，通过使用喷墨装置在涂覆有氟掺杂氧化锡(FTO)的弯曲玻璃基板的一侧涂覆制得的铂墨。将涂覆的铂墨在100℃加热1小时并且在450℃烧结30分钟，从而形成具有催化剂电极层的对电极。
将在韩国专利申请公开第10-2011-0105191号中所公开的用于光电极的二氧化钛墨制备为用于形成光电极层的电极组合物。注意到在将此特别的二氧化钛墨用于形成光电极层时，任何二氧化钛墨可以与或不与另外的FTO层一起适当地使用，而染料敏化太阳能电池的性质改变最小或不改变(如表1中所提供)，所述另外的FTO层常用于形成这样的光电极层。
使用喷墨装置在弯曲玻璃基板上涂覆用于光电极的二氧化钛墨，并将其在100℃加热1小时并且在500℃烧结30分钟，从而形成具有光电极层的工作电极。
将染料(N3，Solaronix)在室温在烧结的光电极层上吸附24小时，并且将多孔膜浸入电解质(AN50，Solaronix)中12小时。
然后，在吸附了染料的光电极层(TiO2，涂层)上放置所得的多孔膜，并且在120℃使用Surlyn(Dupont)将先前形成的对电极与工作电极连接。
通过预钻孔将电解质注入对电极与工作电极之间，并且将该孔用Surlyn密封，从而制造染料敏化太阳能电池。
比较例：通过丝网印刷制造弯曲的染料敏化太阳能电池
使用丝网印刷装置在涂覆有氟掺杂氧化锡(FTO)的弯曲玻璃基板的一侧涂覆用于丝网印刷的二氧化钛糊料(Solaronix)，并且将涂覆的二氧化钛糊料在100℃加热1小时并在450℃烧结30分钟，从而形成具有催化剂电极层的对电极。
然后，使用丝网印刷装置在涂覆有氟掺杂氧化锡(FTO)的弯曲玻璃基板的一个表面上涂覆用于丝网印刷的二氧化钛糊料(Solaronix)，并且将涂覆的二氧化钛糊料在100℃加热1小时并在500℃烧结30分钟，从而形成具有光电极层的工作电极。
使染料(N3，Solaronix)在室温在形成的光电极层上吸附24小时，并且将无孔膜浸入电解质(AN50，Solaronix)中12小时。
然后，在具有吸附的染料的光电极层上放置所得的无孔膜，并且在120℃使用Surlyn(Dupont)将先前形成的对电极与工作电极连接。
通过预钻孔将电解质注入对电极与工作电极之间，并且将该孔用Surlyn密封，从而制造染料敏化太阳能电池。
由在实施例和比较例中制造的弯曲染料敏化太阳能电池所测的电化学特性显示在下表1中。
表1
  样品   电流密度(Jsc)   电压(Voc)   填充因子(FF)   能量转换效率(％)
  实施例   3.743   0.657   45.5   1.12
  比较例   3.576   0.613   22.0   0.48
如从表1中可见，相比于比较例中通过丝网印刷通过涂覆高粘度糊料所制造的染料敏化太阳能电池，根据本发明(实施例)的通过喷墨印刷通过涂覆含有铂纳米颗粒的铂墨所制造的染料敏化太阳能电池的电流密度和能量转换效率得到提高。
如上所述，可以通过喷墨印刷工艺在弯曲基板上涂覆根据本发明的用于喷墨印刷的电极组合物，以形成具有均匀厚度的催化剂电极层。因此，具有由此形成的催化剂层的弯曲染料敏化太阳能电池具有至少与通过丝网印刷在弯曲基板上涂覆现有的电极糊料所制造的染料敏化太阳能电池水平相当的性能。
结果，可以降低弯曲染料敏化太阳能电池的整体电阻并提高填充因子，从而提高太阳能电池的效率。
已经参考其示例性实施方式对本发明进行了详细描述。然而，本领域技术人员能够理解，可以在不偏离本发明的原理和精神的情况下对这些实施方式进行改变，本发明的范围由所附的权利要求及其等同方式限定。

Claims (5)

1.一种用于喷墨印刷的电极组合物，所述电极组合物包括：
约10～40wt％的铂纳米颗粒；
约1～10wt％的聚合物表面稳定剂；和
约40～89wt％的溶剂。
2.如权利要求1所述的电极组合物，其中所述铂纳米颗粒具有约5～50nm的直径。
3.如权利要求1所述的电极组合物，其中所述聚合物表面稳定剂包括选自聚乙烯吡咯烷酮、聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物、聚环氧乙烷-聚环氧丙烷嵌段共聚物、聚苯乙烯-聚丙烯酸嵌段共聚物、聚苯乙烯-聚乙烯基吡啶嵌段共聚物、及其混合物的至少一种。
4.如权利要求1所述的电极组合物，其中所述溶剂包括选自乙二醇、甲醇、乙醇、丙醇、戊醇、及其混合物的至少一种。
5.一种用于染料敏化太阳能电池的电极，所述电极包括权利要求1所述的电极组合物。
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