CN106571234B - 染料敏化光伏型电池及其模块与封装方法 - Google Patents

染料敏化光伏型电池及其模块与封装方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种染料敏化光伏型电池及其模块与封装方法，其中染料敏化光伏型电池包括工作电极及对电极。工作电极包括第一导电层及半导体层，半导体层设置于第一导电层之上。此染料敏化光伏型电池是以下列封装方法制造：设置一封装层于第一导电层之上，封装层定义一空间，空间包括一第一区域及一第二区域，第一区域及第二区域互相连通，半导体层位于该第一区域；将对电极设置于封装层之上，以封装层连接工作电极及对电极，其中对电极覆盖第一区域但未覆盖或部份覆盖第二区域；经由第二区域将一电解液注入第一区域中；以及以一封装材料封闭第二区域。

Description

染料敏化光伏型电池及其模块与封装方法
技术领域
本发明关于一种染料敏化光伏型电池，特别是指一种以特定封装方法制造的染料敏化光伏型电池及其模块。
背景技术
染料敏化光伏型电池(Dye-Sensitized Photovoltaic Cell)，又称染料敏化太阳能电池(Dye-Sensitized Solar Cell,DSSC)，是一种新型的太阳能电池，其原料及制作成本比起传统的硅太阳能电池低廉许多，故近年来引起相当多关注。DSSC的主要构造包含工作电极、对电极与电解液。工作电极上设置有用以吸附染料的纳米多孔半导体层，此半导体层浸泡于电解液中。传统DSSC的制造/封装方法中有一道电解液灌注手续，其方法是在对电极表面钻孔，通过该孔将电解液注入，最后使用UV胶封住该孔。此方法会在对电极表面留下数个孔洞，由于电解液一般具有较强的氧化性和较高的挥发性，孔洞越多将使电解液越容易挥发或泄漏。此外，封住孔洞的UV胶有可能经由孔洞渗入并污染电解液，甚至进入半导体层中，导致DSSC氧化还原的机制失效，降低产品良品率。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提出一种染料敏化光伏型电池的封装方法，通过封装层的形状设计，配合工作电极/对电极的封装位置改变电解液注入方式，不需要另外在电极表面钻孔注入电解液。这种封装方法可减少与缩小电解液的注入通道，降低电解液的泄漏速度，并避免封装层与纳米多孔半导体层直接接触。
根据本发明的一方面，提出一种染料敏化光伏型电池的封装方法。所述染料敏化光伏型电池包括一工作电极及一对电极，工作电极包括一第一导电层及一半导体层，半导体层设置于第一导电层之上。所述封装方法包括下列步骤：
(a)设置一封装层于工作电极的第一导电层之上，所述封装层定义一空间，所述空间包括一第一区域及一第二区域，第一区域及第二区域互相连通，半导体层位于该第一区域；
(b)将对电极设置于封装层之上，以封装层连接工作电极及对电极，其中对电极覆盖该第一区域但未覆盖或部份覆盖第二区域；
(c)经由该第二区域将一电解液注入该第一区域中；以及
(d)以一封装材料封闭该第二区域。
根据本发明另一方面，提供一种染料敏化光伏型电池的封装方法。染料敏化光伏型电池包括一对电极及一工作电极，对电极包括一第二导电层。封装方法包括下列步骤：
(a)设置一封装层于该对电极的该第二导电层之上，该封装层定义一空间，该空间包括一第一区域及一第二区域，该第一区域及该第二区域互相连通；
(b)将该工作电极设置于该封装层之上，以该封装层连接该对电极及该工作电极，其中该对电极覆盖该第一区域但未覆盖或部份覆盖该第二区域；
(c)经由该第二区域将一电解液注入该第一区域中；以及
(d)以一封装材料封闭该第二区域。
根据本发明的又一方面，提供一种以上述封装方法制造的染料敏化光伏型电池。
根据本发明的再一方面，提供一种以多个上述染料敏化光伏型电池串联或并联而成的电池模块。
本发明的染料敏化光伏型电池的封装方法，不需要在对电极上钻孔，有效减少与缩小了电解液的注入通道，同时可避免封装材料与半导体层距离过近或直接接触，大幅降低封装后电解液泄漏的速度，进而延长染料敏化光伏型电池的寿命。
为使本发明的上述或其他方面特征更为清楚易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明。
附图说明
图1绘示根据本发明一实施例的染料敏化光伏型电池的剖面图。
图2A至图2C绘示根据本发明一实施例的染料敏化光伏型电池的封装方式。图2A绘示在工作电极上设置封装层的示意图。图2B绘示设置对电极后的示意图。
图2C绘示以封装材料封闭电解液注入通道的示意图。
图3绘示根据本发明另一实施例的封装层的配置方式。
图4A至图4C绘示根据本发明另一实施例的染料敏化光伏型电池的封装方式。图4A绘示在工作电极上设置封装层的示意图。图4B绘示设置对电极后的示意图。图4C绘示以封装材料封闭电解液注入通道的示意图。
附图标号：
1：染料敏化光伏型电池
100：工作电极
110：第一导电层
120：半导体层
200：对电极
210：第二导电层
220：催化层
300：封装层
400：电解液
500：封装材料
S：空间
S1：第一区域
S2：第二区域
L：光线
具体实施方式
在以下说明中，“上”、“下”、“左”、“右”是用来说明元件的相对位置，而非元件的绝对位置。
本发明所称“染料敏化光伏型电池的封装方法”至少指将染料敏化光伏型电池的工作电极、对电极、及封装层组装，并灌入电解液的过程。更明确地，本发明所称“染料敏化光伏型电池的封装方法”至少指组装工作电极、对电极、及封装层，灌入电解液，再使用于灌入电解液的开口关闭的过程。
请参照图1，其绘示根据本发明的一实施例的染料敏化光伏型电池1的剖面图。染料敏化光伏型电池1包括工作电极100及对电极200，两者相对设置，并以封装层300相连接。染料敏化光伏型电池1内部形成一封闭空间，可储存电解液400。工作电极100包括第一导电层110及一半导体层120，该半导体层120设置于该第一导电层110的上方。对电极200包括一第二导电层210及一催化层220，该催化层220设置于该第二导电层210的下方，亦即半导体层120与催化层220相对。将导线或其它导电材料以焊接、黏接或其它方法分别连接对电极与工作电极，以使用染料敏化光伏型电池1。
第一导电层110及第二导电层210其中至少一个是以透明导电材料所制成，以使光线L通过，达到发电功能。在图1所示实施例，该第一导电层110是以透明导电材料所制成。所用的透明导电材料可包括铟锡氧化物(ITO)、掺氟氧化锡(FTO)、石墨烯、ZnO-Ga2O3、ZnO-Al2O3、SnO2-Sb2O3或上述物质的组合，亦可使用其他的透明导电材料，本发明并不对此限制。第一导电层110及第二导电层210其中之一可用不透明导电材料制成，此不透明导电材料包括钛板、不锈钢板、镀镍铁板、镀镍钛板、镀钛铁板、镀钛钢板及不锈钢塑料复合板，亦可使用可承受电解液腐蚀的导电材料，本发明并不对此限制。
半导体层120为一纳米多孔薄膜，其材料可包括Ti、Nb、Zn、Sn、Ta、W、Ni、Fe、Cr、V、Pm、Zr、Sr、In、Ir、La、Mo、Mg、Al、Y、Sc、Sm、Ga等金属的金属氧化物、或上述金属的混合物的金属氧化物。半导体层120吸附有光敏染料，吸收光线L后可释放电子，达成发电效果。半导体层120的厚度较佳介于0.01微米(μm)至1000微米(μm)之间。
催化层220的材料可包括Pt、Ru、Pd、Rh、Ir、Os、WO3、TiO2、石墨或上述材料的混合物。
封装层300的材料可选用热熔封装膜、紫外线固化胶、热硬化封装胶、热熔封装胶或其他具有强抗电解质腐蚀性能的封装材料。封装层300的厚度较佳介于0.1μm至1000μm之间。
电解液400为液体电解质、离子液体电解质、液态聚合物电解质其中一种。
此外，可串联或并联多个上述的染料敏化光伏型电池，形成一染料敏化光伏型电池模块，以提供更高的电压或电容量。
特别说明的是，本发明的染料敏化光伏型电池的结构并不仅限定于上述，而可为任何已知的构造。举例来说，可以在染料敏化光伏型上另外设置金属栅极及保护层。
请参照图2A至图2C，其绘示根据本发明的一实施例的染料敏化光伏型电池的封装方法。此方法可用以封装制造图1的染料敏化光伏型电池1，然并不限制于此。本发明的染料敏化光伏型电池封装方法可用以封装各种结构不同的染料敏化光伏型电池。
首先，如图2A所示，提供一工作电极100(包括第一导电层110及半导体层120)。接着于第一导电层110上设置一封装层300。封装层300可为一体成形设置，例如使用如热熔封装膜为封装材时，可以自动化定位系统一次将封装层设置定位，节省工艺时间；封装层300亦可不连续分段设置而成。封装层300围绕半导体层120，其可部份接触或不接触半导体层120，此处以不接触半导体层120为例。封装层300并在第一导电层110上定义一空间S，此空间S可在稍后介绍的工艺步骤中容纳电解液400(参照图1)。空间S分为第一区域S1及第二区域S2，两者互相连通，其中半导体层120位于第一区域S1且不接触第二区域S2。第一区域S1的形状大致符合半导体层120的形状。本实施例中，第一区域S1的面积大于半导体层120的面积，以使封装层300不接触半导体层120。第二区域S2的个数、形状及位置并无限定，在图2A中是以1个第二区域为例。
接着，如图2B所示，设置对电极200于封装层300之上，以封装层300连接工作电极100及对电极200。对电极200设置成可完全覆盖第一区域S1，但未完全覆盖第二区域S2。此处的未完全覆盖表示对电极200未覆盖第二区域S2，或对电极200部份覆盖第二区域S2。在工作电极100及对电极200以封装层300固定后，未被对电极200覆盖的第二区域S2与工作电极100、对电极200及封装层300会形成一开口/通道，可经由此开口(未被覆盖的第二区域S2)将电解液400(图1)注入工作电极100与对电极200之间。电解液的填充方法可包括真空灌注、加压灌注或毛细注入等方法，本发明并不特别限制。
电解液注入完成后，可如图2C所示，以一封装材料500将此开口封闭，封闭第二区域S2，使染料敏化光伏型电池内部的电解液不会漏出，即完成本实施例的封装方法。封装材料500可使用与封装层300相同或者不同的材料，本发明并不对此限制。
在图2A至图2C的实施例中，仅有1个第二区域S2，连接对电极200后形成一个开口/通道以填充电解液。但在实际应用时，依电解液灌注的方法不同(例如采加压灌注法时需要至少2个通道)，或要增加电解液填充的速度，可改变封装层300的形状，定义多个第二区域S2，产生多个开口/通道以注入电解液。请参照图3，此实施例中封装层300在第一导电层110上划分上下2个第二区域S2，连接对电极后可形成上下两个通道，方便电解液灌注。
本发明介绍的染料敏化光伏型电池的封装方法，设置封装层300于工作电极100上，在半导体层120的附近预留第二区域S2(图2A)，将工作电极100与对电极200通过封装层300接合固定后，未被对电极200覆盖的第二区域S2可形成一通道/开口(图2B)，电解液可通过此通道/开口注入染料敏化光伏型电池内部。最后再以封装材料500将此通道/开口密封(图2C)。如此封装方法不需要在对电极上钻孔，有效减少与缩小了电解液的注入通道，同时可避免封装材料与半导体层距离过近或直接接触，大幅降低封装后电解液泄漏的速度，进而延长染料敏化光伏型电池的寿命。
值得注意的是，在本发明的一个实施态样中，前述第一区域S1与前述第二区域S2是以被前述对电极覆盖的区域来定义。举例来说，请参照图4A，提供一工作电极100(包括第一导电层110及半导体层120)。接着于第一导电层110上设置一封装层300。封装层300围绕但不接触半导体层120，并在第一导电层110上定义一空间S。依据后续步骤中对电极200覆盖于该半导体层120上的位置(图4B)，该空间S可区分为第一区域S1及第二区域S2。
由图式所示实施例可知，该第一区域S1及该第二区域S2之间并无明显的区域分野。换言之，在该对电极200覆盖于该半导体层120上，而不完全覆盖该空间S时，该覆盖的区域即为本发明所述的第一区域S1，而未被覆盖的区域即为本发明所述的第二区域S2。接着，通过该第二区域S2与工作电极100、对电极200及封装层300形成的开口/通道，可将电解液注入工作电极100与对电极200之间。电解液注入完成后，可如图4C所示，以一封装材料500将此开口封闭，封闭第二区域S2，使染料敏化光伏型电池内部的电解液不会漏出，即完成本实施例的封装方法。
另外，虽然上述实施例的封装方法是从工作电极开始进行，但并不限于此。在本发明的其他实施态样中，工作电极跟对电极可以交换，也就是先从对电极开始封装。举例来说，首先提供对电极(包括第二导电层)。接着于第二导电层上设置一封装层，此封装层于第二导电层上定义一空间S。再来设置工作电极于该封装层之上，以封装层连接对电极与工作电极。空间S被工作电极覆盖的部份为第一区域S1，未被工作电极覆盖的部份(或未完全覆盖的部份)为第二区域S2。由第二区域S2向第一区域S1注入电解液。最后以一封装材料封闭第二区域。
虽然本发明以实施例说明如上，惟此些实施例并非用以限制本发明。本领域的相关技术人员在不脱离本发明技艺精神的范畴内，当可对此些实施例进行等效实施或变更，故本发明的保护范围应以权利要求为准。

Claims (11)

1.一种染料敏化光伏型电池的封装方法，其特征在于，该染料敏化光伏型电池包括一工作电极及一对电极，该工作电极包括一第一导电层及一半导体层，该半导体层设置于该第一导电层之上；该封装方法包括下列步骤：
(a)设置一封装层于该工作电极的该第一导电层之上，该封装层定义一空间，该空间包括一第一区域及至少一第二区域，该第一区域及该第二区域互相连通，该半导体层位于该第一区域；
(b)将该对电极设置于该封装层之上，以该封装层连接该工作电极及该对电极，其中该对电极覆盖该第一区域但未覆盖或部份覆盖该第二区域；
(c)经由未被该对电极覆盖的该第二区域将一电解液注入该第一区域中；以及
(d)以一封装材料封闭未被该对电极覆盖的该第二区域。
2.如权利要求1所述的封装方法，其特征在于，该对电极包括一第二导电层，该第一导电层及该第二导电层其中至少一者是以一透明导电材料所制成，该透明导电材料包括铟锡氧化物(ITO)、掺氟氧化锡(FTO)、石墨烯、ZnO-Ga2O3、ZnO-Al2O3、SnO2-Sb2O或其组合。
3.如权利要求2所述的封装方法，其特征在于，该第一导电层及该第二导电层其中另一者是以一不透明导电材料所制成，该不透明导电材料包括钛板、不锈钢板、镀镍铁板、镀镍钛板、镀钛铁板、镀钛钢板或不锈钢塑料复合板。
4.如权利要求1所述的封装方法，其特征在于，该封装层的厚度介于0.1μm至1000μm。
5.如权利要求1所述的封装方法，其特征在于，该封装层的材料与该封装材料不同。
6.如权利要求1所述的封装方法，其特征在于，该封装层的材料与该封装材料相同。
7.如权利要求1所述的封装方法，其特征在于，该封装层不接触该半导体层。
8.如权利要求1所述的封装方法，其特征在于，于步骤(a)中，该封装层定义该第一区域及二个该第二区域；于步骤(c)中，以加压灌注法，经由二个该第二区域将电解液注入该第一区域。
9.一种染料敏化光伏型电池的封装方法，其特征在于，该染料敏化光伏型电池包括一工作电极及一对电极，该对电极包括一第二导电层；该封装方法包括下列步骤：
设置一封装层于该对电极的该第二导电层之上，该封装层定义一空间，该空间包括一第一区域及至少一第二区域，该第一区域及该第二区域互相连通；
将该工作电极设置于该封装层之上，以该封装层连接该对电极及该工作电极，其中该工作电极覆盖该第一区域但未覆盖或部份覆盖该第二区域；
经由未被该工作电极覆盖的该第二区域将一电解液注入该第一区域中；以及
以一封装材料封闭未被该工作电极覆盖的该第二区域。
10.一种染料敏化光伏型电池，其特征在于，其是以权利要求1至9中任一项的封装方法制造而成。
11.一种染料敏化光伏型电池模块，其特征在于，其是以多个权利要求10的染料敏化光伏型电池串联或并联而成。
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