CN104576073A - 染料敏化太阳能电池热熔贴合封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及染料敏化太阳能电池热熔贴合封装方法，包括：在作为染料敏化太阳能电池的两极的光电极和对电极的边缘之间夹入热熔材料并相互贴合；对所述热熔材料加热以使其熔化；以及使熔化的热熔材料冷却硬化。本发明使用热熔贴合的方式代替点胶贴合固化工艺。可以大大缩短封装工艺所需的时间，并且省去了固化这一步骤以及固化所需时间和相应的设备，同时还大大降低了原材料成本。

Description

染料敏化太阳能电池热熔贴合封装方法

技术领域

本发明涉及一种染料敏化太阳能电池的新型贴合封装方法，使用热熔贴合的方式代替以前点胶贴合固化工艺。降低了原材料成本；省略固化工艺、时间缩短，提高了工作效率。

背景技术

在过去的20年里，染料敏化太阳能电池的发展迅速，凭借着其相比传统电池低廉的成本，相对简单的制作工艺，环保以及优良的转换效率，受到世界的广泛关注，成为有远大应用前景的光伏设备。

染料敏化太阳能电池的封装材料对水气和溶剂渗透率要求严格，并且需要有优异的耐腐蚀性，与基板的良好的结合力，还要经得起各种环境老化的耐久性试验。目前染料敏化太阳能电池的封装普遍运用的是点胶贴合固化的工艺，材料一般都是丙烯酸树脂或环氧树脂。而点胶贴合固化这种封装工艺，有着以下几点不足之处：1、原料成本在整片电池中占比例较高；2、固化时间久，最短也需要几十秒至几分钟的固化时间，可能还需要紫外固化和热固化结合来达到完全固化的要求；3、热固化条件可能会降低电池本身性能；4、固化设备成本上也相应提高。因此，点胶贴合固化就成了整个电池生产过程中，成本，工艺最不理想的工艺。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种简化封装工艺、缩短封装时间、降低封装材料成本的染料敏化太阳能电池封装方法。

在此，本发明提供一种染料敏化太阳能电池热熔贴合封装方法，包括：在作为染料敏化太阳能电池的两极的光电极和对电极的边缘之间夹入热熔材料并相互贴合；对所述热熔材料加热以使其熔化；以及使熔化的热熔材料冷却硬化。

本发明使用热熔贴合的方式代替点胶贴合固化工艺。可以大大缩短封装工艺所需的时间，并且省去了固化这一步骤以及固化所需时间和相应的设备，同时还大大降低了原材料成本。

较佳地，所述热熔材料是软化温度为82～128℃的热塑性和/或热固性材料。

较佳地，所述热熔材料是聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二酯、和/或聚丙烯。

较佳地，所述热熔材料的形状为膜状、片状、和/或条状。

较佳地，所述热熔材料的厚度为80微米～200微米。

较佳地，所述两极的基板分别是玻璃/玻璃、或者分别是玻璃/金属。

较佳地，所述加热是对各边缘之间的热熔材料分别加热或者同时加热。

较佳地，加热时，在所述染料敏化太阳能电池的内部加冷却系统。

较佳地，所述冷却系统是风冷或水冷。

较佳地，所述加热时间是5～60秒。

附图说明

图1是示出根据本发明的封装方法封装的染料敏化太阳能电池的结构的剖视图，其中，1工作电极基板、2工作电极、3导电栅线及其保护层、4封装材料、5对电极基板、6对电极、7电解液；

图2是分别采用现有的点胶贴合工艺和本发明的热熔贴合工艺所封装的电池的初期性能图；

图3是在本发明的热熔贴合工艺中采用两种不同软化温度的热塑性材料所封装的电池的初期性能图，图中“低温”表示软化温度为93℃的聚乙烯材料，“高温”表示软化温度为128℃的聚乙烯材料；

图4是在本发明的热熔贴合工艺中采用不同厚度(100μm和200μm)的热塑性材料所封装的电池的初期性能图；

图5是采用本发明的热熔贴合工艺对两种不同厚度基板(0.1mm基板和0.5mm基板)进行热熔贴合封装所形成的电池的初期性能图。

具体实施方式

以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

为了简化封装工艺，缩短时间，降低封装材料成本。本发明使用热熔贴合的方式代替点胶贴合固化工艺。即，使用四边热熔方式进行光电极和对电极的贴合封装。具体地，本发明的封装方法包括：在作为染料敏化太阳能电池的两极的光电极和对电极的边缘之间夹入热熔材料并相互贴合；对所述热熔材料加热以使其熔化；以及使熔化的热熔材料冷却硬化。

图1是示出根据本发明的封装方法封装的染料敏化太阳能电池的结构的剖视图。该染料敏化太阳能电池的结构包含了7层：工作电极基板1、工作电极2、导电栅线及其保护层3、封装材料4、对电极基板5、对电极6、电解液7。工作电极2位于工作电极基板1上。对电极6位于对电极基板5上。电池中充有电解液7。封装材料(即热熔材料)4设置于工作电极基板1和对电极基板5的边缘之间以对电池进行密封。

进行贴合封装的电池两极的基板可以是玻璃/玻璃、玻璃/金属、以及跟热熔材料有良好粘结性和良好导热性但是有热形变小的基板。例如，作为工作电极基板1，可以使用石英、蓝宝石以及玻璃等透明无机基板，以及聚对苯二甲酸乙二酯、聚萘二甲酸乙二酯、聚碳酸酯、聚丙烯、聚苯硫醚、聚偏氟乙烯、聚酰亚胺、聚砜、聚烯烃等透明塑料基板；它们也可作为对电极基板5使用。对电极基板5也可以是钛基板。在对电极基板5上形成有对电极6。对电极6的材料可以是是石墨、铂金或导电聚合物等不同材料。

工作电极2可以通过在工作电极基板1上的光电极侧透明导电膜形成，在光电极侧透明导电膜上有承载有敏化染料的纳米尺寸的氧化钛(TiO₂)半导体多孔膜。作为光电极侧透明导电膜，可以使用例如铟锡复合氧化物(ITO)、掺氟SnO₂(FTO)、掺锑SnO₂(ATO)和SnO₂等。构成半导体多孔膜的半导体材料，优选为在光激发下导带电子变成载流子的、生成阳极电流的n型半导体材料，优选锐钛矿(anatase)型的氧化钛TiO₂，也可以使用其他材料，例如MgO、ZnO、SnO₂、WO₃、Fe₂O₃、In₂O₃、Bi₂O₃、Nb₂O₅、SrTiO₃、BaTiO₃、ZnS、CdS、CdSe、CdTe、PbS、CuInS、InP等。作为承载在半导体微粒子上的敏化染料，可以为N3、N719、black dye、Z907、K8、K19、N945、Z910、K73、K51、Z955、花青、香豆素、卟啉、吲哚、二萘嵌苯花菁，半花菁中的一种或几种。

电解液7是通过将氧化还原系统(氧化还原对(redox couple))溶解到溶剂中得到的，其中氧化还原系统(氧化还原对)引起至少一种可逆的氧化/还原状态变化；例如，氧化还原对可以是I^-/I₃ ^-和Br^-/Br₂等卤素类、醌/氢醌、SCN^-/(SCN)₂等拟卤素类、铁(II)离子/铁(III)离子、铜(I)离子/铜(II)离子等。更具体地，作为电解质，可以使用例如碘(I₂)和金属碘化物或有机碘化物的组合，或溴(Br²)和金属溴化物或有机溴化物的组合；构成金属卤化物盐的阳离子可为Li⁺、Na⁺、K⁺、Cs⁺、Mg²⁺、Ca²⁺等，构成有机卤化物盐的阳离子，优选为四烷基铵离子类、吡啶离子类、咪唑离子类等的季铵离子。另外，作为电解质，可以使用氰亚铁酸盐和氰铁酸盐的组合、二茂铁和Fe(C₅H₅)²⁺离子的组合、多硫化钠或烷基硫醇和烷基化二硫的组合等；其中，优选组合了碘(I₂)和碘化锂(LiI)、碘化钠(NaI)或碘化咪唑等的咪唑化合物得到的电解质。作为电解液7的溶剂，例如，可以使用乙腈等腈类、碳酸亚丙酯和碳酸亚乙酯等的碳酸酯类、γ-丁内酯、吡啶、二甲基乙酰胺、其它的极性溶剂、甲基丙基碘化咪唑(MPII)等的离子性溶液或它们的混合物。另外，为了防止电解液7中的电子复合，也可以加入添加剂以提高开路电压或短路电流；作为这些添加剂，可以使用叔丁基吡啶、1-甲氧基苯并咪唑、含有长链烷基的羧酸等。

封装时，可以先将浸入有染料溶液的光阳极(包括工作电极基板1和工作电极2)浸入电解液中2～20分钟，取出后与对电极(对电极基板5和对电极6)进行封装以形成染料敏化太阳能电池。或者先将浸入有染料溶液的光阳极与对电极封装在一起，然后在它们之间注入电解液7，形成染料敏化太阳能电池。

本发明中，热熔材料4根据不同耐热温度需求可以是PE、PET、PP等所有热塑性以及热固性材料。例如，热熔材料4的软化温度可为82～128℃。热熔材料4的形状(热熔前的形状)可为膜状、片状、和/或条状。热熔材料4的厚度(热熔前的厚度)可为80～200微米。如需将热熔材料4作为骨架支撑作用，则材料厚度可根据电池内部需要在热熔前可以是微米级～毫米级。

封装时，将热熔材料4夹入工作电极基板1和对电极基板5的边缘之间，对其进行加热以熔化(热熔)。热熔时，可以是单边热熔或者四边同时热熔。可以根据不同材料设定不同热熔温度，例如热熔温度可为230～300℃。热熔时间可为5～60秒。热熔后直接冷却硬化即可实现封装。所述冷却例如可以是风冷。因此，本发明的封装工艺所需的时间缩短至几秒，并且省去了固化这一步骤以及固化所需时间和相应的设备，同时还大大降低了原材料成本。

为防止热熔时电池对内部造成影响，可以在内部区域加冷却系统。所述冷却系统可以是风冷或水冷。即，可以采用边缘加热、内部区域加冷却的方式进行封装。

封装完成后，由例如I^-和I₃ ^-的氧化还原系统溶解到腈类溶剂中得到的溶液构成的电解液7被保持在工作电极2和对电极6之间。一旦太阳光照射到工作电极2，敏化染料的基态电子被激发并迁移到激发态，激发态电子转移到二氧化钛的价带，被注入到氧化钛半导体的导带中，到达光电极。另外，失去了电子的敏化染料，通过下述的反应从电解液5中的还原剂(例如碘化物离子I^-)接受电子：

${3I}^{-}\⇒{I_3}^{-}+{2e}^{-}$

在电解液5中生成氧化剂例如三碘化物离子I₃ ^-(I₂和I^-的结合体)；生成的氧化剂通过扩散到达对电极，通过上述反应的逆反应从对电极接受电子：

${I_3}^{-}+{2e}^{-}\⇒{3I}^{-}$

被还原为原来的还原剂。

从透明导电层向外部电路送出的电子，在外部电路作电功后，返回到对电极；这样，光能转变为电能，既没有在敏化染料中留下任何的变化，也没有在电解液7中留下任何的变化；通过反复进行这样的过程，光转换为电流，并且电能被输出到外部。

染料敏化太阳能电池的光电性能测试

染料敏化太阳能电池的光电性能例如可以在AM1.5的标准光源下进行测试。

图2示出分别采用现有的点胶贴合工艺和本发明的热熔贴合工艺所封装的电池的初期性能图。如图2所示，由于点胶工艺需要较高温度(例如93℃)热固化，导致电池初期性能降低，相比之下，热熔贴合工艺的只需数秒对边框加热，效率更高。表1是两种不同封装工艺电池耐久性能明细。如表1所示，两种封装工艺制作的电池的耐久性能相似，但由于点胶初期性能较低，因此老化后绝对值低于热熔工艺的电池。

表1 两种不同封装工艺电池耐久性能明细

图3是在本发明的热熔贴合工艺中采用两种不同软化温度的热塑性材料(图中“低温”表示软化温度为93℃的聚乙烯材料，“高温”表示软化温度为128℃的聚乙烯材料)所封装的电池的初期性能图。如图3所示，针对两种不同软化温度的材料，使用了不同的加热条件。在不破坏电池内部的前提下，热量吸收较多的高温材料组装的电池，产品内部的吸收热量会较小，电流会稍高，但同时电压会稍稍降低，但初期效率与低温材料相同。虽然只是几秒的区别，但对性能影响还是很明显的，因此设计了边缘加热，内部区域加冷却的设备，降低加热对电池内部的影响。表2是采用上述两种不同软化温度的热塑性材料所封装的电池的耐久性能明细。如表2所示，两种不同软化温度的材料，对电池的耐久性能的影响没有区别。

表2 采用两种不同软化温度的热塑性材料所封装的电池的耐久性能明细

图4是在本发明的热熔贴合工艺中采用不同厚度(100μm和200μm)的热塑性材料所封装的电池的初期性能图。如图4所示，针对两种不同厚度的材料，使用同样的加热工艺，厚的吸收热量多，可以理解产品内部的受热会小于薄的材料，因此电流略高，电压略低，但整体初期性能相同。表3是采用上述两种不同厚度热熔材料进行封装所形成的电池的耐久性能明细。如表3所示，不同厚度的材料，对于电池老化性能的影响相同。

表3 采用两种不同厚度热熔材料进行封装所形成的电池的耐久性能明细

图5是采用本发明的热熔贴合工艺对两种不同基板(0.1mm基板和0.5mm基板)进行热熔贴合封装所形成的电池的初期性能图。如图5所示，针对两种不同基板使用热熔贴合工艺，由于基板导热性能不同，基板2(0.1mm基板)导热性能稍差于基板1(0.5mm基板)，因此设定的温度曲线有所不同，基板2使用的加热时间要略长，导致产品内部吸收热量多，电流低，电压高，初期性能略低。表4是上述两种不同基板的热熔贴合工艺电池耐久性能明细。如表4所示，不同基板材料，均适用于热熔贴合的封装工艺，对于电池老化性能的影响相同。

表4 两种不同基板的热熔贴合工艺电池耐久性能明细

本发明的热熔贴合的封装方式将封装工艺所需的时间缩短至几秒，并且省去了固化这一步骤以及固化所需时间和相应的设备，同时还大大降低了原材料成本。本发明中，热熔材料可以采用各种热塑性以及热固性材料，不同软化温度对电池的耐久性能的影响没有区别。不同厚度的热熔材料对于电池老化性能的影响相同。不同基板材料，均适用于热熔贴合的封装工艺，对于电池老化性能的影响相同。

下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。

对比例1

根据标准工艺准备光电极以及对电极。在对电极基板上用点胶机点环氧树脂，与光电极贴合后使用紫外固化20s，93℃热固化20min，完成封装。

实施例1

根据标准工艺准备光电极以及对电极。根据产品尺寸，自制100μm PE薄膜(软化温度为93℃)。类似三明治结构将两极中间夹薄膜贴合后，对贴膜区域加热6s，风冷完成封装。

图2为对比例1和实施例1制得的电池的初期性能图。表1是对比例1和实施例1制得的电池的耐久性能明细。

实施例2

基本同实施例1，不同之处在于使用软化温度为128℃的聚乙烯薄膜。图3为实施例1的电池和实施例2的电池的初期性能图。表2是这两种电池的耐久性能明细。

实施例3

基本同实施例1，不同之处在于使用200μm聚乙烯薄膜。图4为实施例1的电池和实施例3的电池的初期性能图。表3是这两种电池的耐久性能明细。

实施例4

基本同实施例1，不同之处在于使用两种不同金属基板：基板-1：0.1mm厚金属基板，基板-2：0.5mm厚金属基板，进行热熔贴合工艺对比。图4为分别采用基板-1和基板-2所形成的电池的初期性能图。表4是这两种电池的耐久性能明细。

Claims (10)

1.一种染料敏化太阳能电池热熔贴合封装方法，其特征在于，包括：在作为染料敏化太阳能电池的两极的光电极和对电极的边缘之间夹入热熔材料并相互贴合；对所述热熔材料加热以使其熔化；以及使熔化的热熔材料冷却硬化。

2.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池热熔贴合封装方法，其特征在于，所述热熔材料是软化温度为82～128℃的热塑性和/或热固性材料。

3.根据权利要求2所述的染料敏化太阳能电池热熔贴合封装方法，其特征在于，所述热熔材料是聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二酯、和/或聚丙烯。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的染料敏化太阳能电池热熔贴合封装方法，其特征在于，所述热熔材料的形状为膜状、片状、和/或条状。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的染料敏化太阳能电池热熔贴合封装方法，其特征在于，所述热熔材料的厚度为80微米～200微米。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的染料敏化太阳能电池热熔贴合封装方法，其特征在于，所述两极的基板分别是玻璃/玻璃、或者分别是玻璃/金属。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的染料敏化太阳能电池热熔贴合封装方法，其特征在于，所述加热是对各边缘之间的热熔材料分别加热或者同时加热。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的染料敏化太阳能电池热熔贴合封装方法，其特征在于，加热时，在所述染料敏化太阳能电池的内部加冷却系统。

9.根据权利要求8所述的染料敏化太阳能电池热熔贴合封装方法，其特征在于，所述冷却系统是风冷或水冷。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的染料敏化太阳能电池热熔贴合封装方法，其特征在于，所述加热时间是5～60秒。