CN116941005A - 包括多个多孔层和渗透多孔层的电荷传导介质的太阳能电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种太阳能电池(1a)，该太阳能电池包括多孔层的叠层、用于支撑叠层的支撑衬底(2)以及渗透穿过多孔层的电荷传导介质(7)。叠层包括多孔光吸收层(3)、包括用于从光吸收层中提取光生电子的导电材料的多孔第一导电层(4)、包括导电材料的多孔对电极(6)、以及由多孔电绝缘材料制成并且被设置在导电层(4)和对电极(6)之间的隔离层(5)，其中导电层(4)被设置成比对电极(6)更靠近光吸收层(3)。支撑衬底(2)为多孔的，电荷传导介质(7)渗透穿过支撑衬底(2)。

Description

包括多个多孔层和渗透多孔层的电荷传导介质的太阳能电池

技术领域

本发明涉及用于将光能转化为电能的太阳能电池，其包括多个多孔层和渗透多孔层的电荷传导介质。

背景技术

包括多个多孔层的用于将光转换成电能的太阳能电池在本领域中是众所周知的。

已知包括多孔光吸收层、多孔导电层和多孔隔离层的染料敏化太阳能电池(DSSC)具有使用已建立的制造方法(如丝网印刷、喷墨印刷或狭缝涂布)进行工业规模制造的高潜力。

染料敏化太阳能电池的工业规模制造涉及太阳能电池组件的大面积薄层的处理。这些组件在制造过程中经历各种方法步骤，如印刷、热处理、真空处理、化学处理。这意味着，为了应对太阳能电池的加工，太阳能电池的结构很重要，以便能够机械地处理组件，并且在不损坏下层组件的情况下进行各种处理。太阳能电池的结构对于太阳能电池的整体性能也很重要。

制造染料敏化太阳能电池的已知步骤是通过卷对卷方法。在EnergyTrend20180614“Keys to Flexible Solar cell’s Mass Production:CellEncapsulation and Durability”中，研究人员描述了通过卷对卷制造方法生产的柔性DSSC可以商业化，因为这种生产方法的效率高。

在卷对卷方法中，太阳能电池包括固体衬底(如柔性导电箔)，其可以被放置在传送带上，并作为机械稳定的衬底用于定位太阳能电池的其他组件。US8658455描述了一种具有柔性衬底的卷对卷方法，在该柔性衬底上形成TiO₂层，烧结该TiO₂层，提供染料并负载电解质，之后在顶部添加第二柔性衬底用于密封夹层型DSSC。据说也涉及卷对卷方法的密封步骤可以提高液体电解质泄漏或蒸发的风险。

柔性导电箔是已知的，例如钛、不锈钢或其他金属箔或导电聚合物的涂覆箔或导电玻璃薄膜。

染料敏化太阳能电池的卷对卷制造的问题涉及当传送带滚动通过烤箱或化学处理箱时，必须发生一些过程(如热处理或真空处理)。这些过程需要空间和时间。

在EP2834823B1中描述了制造染料敏化太阳能电池的另一种方式，其中示出了单片染料敏化太阳能电池，其中所有的部件层都是多孔的。由织造和非织造玻璃纤维制成的多孔绝缘衬底在制造过程中充当支撑结构，并且将多孔导电金属层印刷到多孔绝缘衬底的两侧。在多孔导电层的一侧印刷TiO₂层，在多孔导电层的另一侧设置催化剂。用染料浸渍TiO₂层，并且在将电池切成合适的片用于层压保护箔时加入电解质。在包括热处理、真空处理或各种化学处理的方法步骤中，操作中的工件均是多孔的，并且在不妨碍例如将释放的气体排出的情况下，几个工件可以被钉在彼此的顶部。在制造中用作支撑衬底的多孔绝缘衬底将是最终太阳能电池中工作电极和对电极之间的绝缘层。因此，多孔绝缘衬底的厚度将在使绝缘层足够薄以降低太阳能电池中的电阻损耗和使多孔衬底足够厚以获得用作支撑结构的足够机械性能之间进行权衡。在制造过程中，必须转动支撑结构，以便在支撑结构的两侧进行印刷。

EP1708301公开了一种染料敏化太阳能电池，其结构包括设置在彼此顶部的多孔层的叠层、整体位于多孔层的孔中的电解质和用于支撑由陶瓷、金属、树脂或玻璃制成的多孔层的叠层的支撑结构。

染料敏化太阳能电池的另一个问题涉及电解质溶液的蒸发或耗尽或可能的电解质泄漏，尤其是在太阳能电池的长期使用过程中。

发明内容

本发明的目的是至少部分克服上述问题，并且提供一种改进的太阳能电池。

这个目的通过权利要求1中定义的太阳能电池来实现。

太阳能电池包括设置在彼此顶部的多孔层的叠层、渗透穿过多孔层的电荷传导介质和用于支撑多孔层的支撑衬底。多个多孔层包括光吸收层、包括用于从光吸收层提取光生电子的导电材料的第一导电层、包括导电材料的对电极和由多孔电绝缘材料制成并且设置在第一导电层和对电极之间的隔离层。将多孔层的叠层设置在支撑衬底的顶部。支撑衬底为多孔的，电荷传导介质渗透穿过多孔支撑衬底。

多孔层的叠层为活性层，这意味着它们参与发电。电荷传导介质必须能够渗透穿过活性多孔层的叠层，以使电荷在光吸收层和对电极之间传输。支撑衬底不是太阳能电池中的活性层，即它不参与发电。支撑衬底的主要作用是作为活性层的叠层的支撑物。

支撑衬底为多孔的，电荷传导介质渗透衬底的孔以及太阳能电池的多孔层的孔。由于支撑衬底的多孔性，支撑衬底的孔起到电荷传导介质的储存器的作用。从而，增加了太阳能电池中电荷传导介质的总体积。因此，如果太阳能电池中的电荷传导介质由于泄漏或蒸发而减少，则延长了太阳能电池中电荷传导介质的总含量达到最小水平且太阳能电池停止工作的时间。衬底越厚，孔隙率越高，电荷传导介质的储存器越大。因为支撑衬底不参与发电，所以支撑衬底的厚度不是关键的，并且不影响发电。

多孔衬底的另一个优点是，在太阳能电池的制造过程中，它使得在太阳能电池中实现电荷传导介质的均匀填充更容易。当制造薄且宽的太阳能电池时，这是个问题。例如，太阳能电池的面积可以为1m²，太阳能电池的厚度可以为0.2mm。电荷传导介质必须渗透较大的太阳能电池的多孔层，优选地，太阳能电池的多孔层中的所有孔都填充有电荷传导介质。由于多孔衬底在太阳能电池的底部，电荷传导介质可以从太阳能电池的底部侧引入，并通过毛细作用力用电荷传导介质填充叠层中多孔层的大部分孔。

多孔衬底的另一个优点是不需要像现有技术中那样用导电介质真空填充电池。真空填充耗时且需要额外的设备。

多孔衬底的另一个优点是，它通过毛细作用力保留导电介质，从而防止导电介质流出。因此，在太阳能电池破损的情况下，导电介质将保留在多孔衬底中且不会流出。

将多孔层堆叠在多孔支撑衬底上而不是像现有技术中那样在固体支撑衬底上的另一个优点是，它有利于制造大尺寸的太阳能电池，因为它允许在太阳能电池的真空烧结期间以及太阳能电池的空气烧结期间通过衬底排放气体，其中当空气烧结包含二氧化钛(TiO₂)的层，且来自有机物质的燃烧气体必须通过燃烧去除时，必须在后面的阶段中去除燃烧气体。因此，加快了太阳能电池的生产。

太阳能电池优选为单片电池。单片太阳能电池的特征在于所有多孔层直接或间接沉积在相同的支撑衬底上。

通过在多孔活性层的底部设置多孔支撑衬底，单片太阳能电池结构的制造可以从制造过程中装订工件的有利程序中获益。支撑衬底在活性层底部以及在其上形成活性层的另一个优点是在制造过程中不需要在操作中转动工件。

本发明的另一个优点是由多孔电绝缘材料制成的隔离层不由支撑衬底限定。在多孔导电层之间的多孔隔离层可以通过成本效益好的印刷方法形成，并且可以由多种材料制成。隔离层的厚度可以被设计成优化太阳能电池的效率。

根据一个方面，太阳能电池包括封装物，其封装多孔层、支撑衬底和导电介质，多孔层被设置在支撑衬底的一侧上，支撑衬底的相对侧面向封装物。

多孔层和支撑衬底中的每一个都具有孔。电荷传导介质渗透穿过多孔层和支撑衬底的孔。电荷传导介质整体位于多孔层的孔和支撑衬底的孔中。

根据一个方面，多个多孔层的孔的平均尺寸小于支撑衬底的孔的平均尺寸，使得多孔层的孔中的毛细作用力比支撑衬底中的毛细作用力强。由于支撑衬底顶部的多孔层中的孔径小于支撑衬底中的孔径，多孔层的毛细作用力将优先向上泵送电荷传导介质，其中毛细作用力比支撑衬底中的毛细作用力强。这种作用类似于毛细泵作用。这意味着在上层活性层中存在电荷传导介质泄漏的情况下，电荷传导介质将优先从储存器向上泵送至活性层，并且支撑衬底将充当向活性层供应电荷传导介质的储存器。

例如，可以使用扫描电子显微镜(SEM)测量衬底和多孔层中的孔的尺寸。

根据一个方面，支撑衬底中至少80％的孔大于3μm，多孔层中至少80％的孔小于3μm。优选地，支撑衬底中至少90％的孔大于3μm，多孔层中至少90％的孔小于3μm。优选地，支撑衬底中至少80％的孔为3μm至10μm，最优选地，支撑衬底中至少90％的孔为3μm至10μm。因此，多孔层中的孔通常在亚米(sub meter)范围内，即小于3μm，支撑衬底中的孔通常在微米范围内，即3-10μm。支撑衬底和多孔层之间的孔径差异实现了多孔层中的毛细作用力比支撑衬底中的毛细作用力强，因此，如果太阳能电池的活性层中的电荷传导介质的含量减少，则电荷传导介质将被向上泵送至活性层。

根据一个方面，支撑衬底的厚度为至少20μm，优选至少30μm，最优选至少50μm。衬底越厚，电荷导电介质的储存器越大。

根据一个方面，支撑衬底的厚度为20μm至200μm。

根据一个方面，支撑衬底的孔隙率为至少50％，优选至少70％，最优选至少80％。孔隙率越高，电荷传导介质的储存器越大。

根据一个方面，支撑衬底的孔隙率为50％至90％，优选为70％至90％。

根据一个方面，支撑衬底包括织造和/或非织造微纤维。微纤维为直径小于10μm且大于1μm的纤维。

根据一个方面，支撑衬底包括无机纤维。

根据一个方面，支撑衬底包括玻璃纤维、陶瓷纤维和碳纤维中的至少一种。

根据一个方面，微纤维的直径为0.2μm至10μm，优选为0.2μm至5μm，更优选为0.2μm至3μm，最优选为0.2μm至1μm。

根据一个方面，支撑衬底包括织造微纤维层。织造微纤维为柔性的，因此太阳能电池也为柔性的。

根据一个方面，支撑衬底包括设置在织造微纤维层上的非织造微纤维层。织造微纤维和非织造微纤维为柔性的，因此，太阳能电池也为柔性的。非织造微纤维起到弹簧垫的作用，有效地吸收和抑制传入机械能，并且还将传入的机械能分布在更大的区域上，从而减少局部效应。将多孔层堆叠在包括织造微纤维层和非织造层的衬底上的优点是，在太阳能电池经受例如机械弯曲或扭曲或拉伸或冲击锤击的情况下，支撑衬底具有吸震性，并因此具有更高的机械强度。当太阳能电池整合到消费产品(例如耳机、遥控器和手机)中时，这是一个优势。

根据一个方面，非织造微纤维层被设置成比织造微纤维层更靠近对电极。优选地，非织造微纤维层被连续设置于对电极。

根据另一方面，织造微纤维层被设置成比非织造微纤维层更靠近对电极。优选地，织造微纤维层被连续设置于对电极。

根据一个方面，织造微纤维层包括它们之间形成的有孔的纱线，并且至少一部分非织造微纤维聚集在纱线之间的孔中。

根据一个方面，隔离层的厚度为3μm至50μm，优选4μm至20μm。期望使隔离层尽可能薄，以减少太阳能电池中的电阻损耗，从而提高太阳能电池的效率。然而，如果隔离层太薄，则在导电层和对电极之间存在短路的风险。

根据一个方面，隔离层包括多孔电绝缘材料。优选地，电绝缘材料由电绝缘颗粒制成。这种隔离层可以通过在彼此的顶部施加几层绝缘颗粒来制造，以实现期望的隔离层的厚度。因此，可以控制隔离层的厚度，并且可以根据需要选择隔离层的厚度。

根据一个方面，电绝缘颗粒由绝缘材料组成。

根据一个方面，电绝缘颗粒包括半导体材料芯和覆盖该芯的电绝缘材料外层。

根据一个方面，绝缘颗粒的外层的绝缘材料包括氧化铝(Al₂O₃)、氧化锆(ZrO₂)、氧化硅(SiO₂)和铝硅酸盐中的一种或多种材料。铝硅酸盐为，例如，Al₂SiO₅。

根据一个方面，绝缘颗粒的外层的绝缘材料为氧化铝(Al₂O₃)、氧化锆(ZrO₂)、氧化硅(SiO₂)和铝硅酸盐中的一种或多种材料。铝硅酸盐为，例如，Al₂SiO₅。

根据一个方面，绝缘颗粒的芯中的半导体材料包括二氧化钛(TiO₂)。

根据一个方面，绝缘颗粒的芯中的半导体材料为二氧化钛(TiO₂)。

根据一个方面，绝缘颗粒的电绝缘材料包括氧化铝(Al₂O₃)、氧化锆(ZrO₂)、氧化硅(SiO₂)和铝硅酸盐中的一种或多种材料。例如，铝硅酸盐是Al₂SiO₅。根据另一方面，绝缘材料可以为玻璃。

根据一个方面，绝缘颗粒的电绝缘材料为氧化铝(Al₂O₃)、氧化锆(ZrO₂)、氧化硅(SiO₂)和铝硅酸盐中的一种或多种材料。铝硅酸盐为，例如，Al₂SiO₅。根据另一方面，绝缘材料可以为玻璃。

根据一个方面，电荷传导介质为液体电解质。

某些导电介质(如铜复合电解质和钴复合电解质)电导率可能非常低，导致电阻损耗非常大。低电导率的原因在于电解质具有低扩散速率的大离子。当液体电解质传输电荷时，电荷以布朗运动移动，即它们由于与液体中快速移动的原子或分子碰撞而随机移动。铜和钴具有相对较大的离子，这些离子移动缓慢，因此具有低电导率。通过缩短对电极和光吸收层之间的距离，大大提高使用这种电解质的效率。本发明使得可以根据电解质选择隔离层的厚度并相应地选择对电极和光吸收层之间的合适距离。

根据一个方面，导电介质包括铜络合物。使用铜络合物进行电荷传输的一个优点是导电介质是无毒的。使用铜作为导电介质已经表现出产生非常高的光电压。根据本发明的太阳能电池允许使用铜络合物，因为对电极和光吸收层之间的距离可以很短。

根据另一方面，电荷传导介质包括碘化物(I-)和三碘化物(I₃ ^-)。

本发明的另一个目的是提供一种生产太阳能电池的方法。该方法包括：

-提供多孔支撑衬底，

在多孔支撑衬底上沉积多孔对电极，

-在对电极上沉积多孔隔离层，

-在隔离层上沉积多孔导电层，

-在导电层上沉积多孔光吸收层，

-将电荷传导介质引入叠层和支撑衬底中，直到电荷传导介质渗透支撑衬底和叠层，

-密封太阳能电池。

根据一个方面，沉积多孔对电极包括沉积多孔第二导电层和在第二导电层顶部的多孔催化层。

根据一个方面，将电荷传导介质引入到支撑衬底的背对叠层的一侧中，使得支撑衬底和叠层被电荷传导介质浸渍。

多孔对电极、多孔隔离层、多孔第一导电层和多孔光吸收层的沉积例如通过喷涂或印刷技术(例如喷墨印刷或丝网印刷)来完成。

附图说明

现在将通过对本发明的不同实施方案的描述结合附图对本发明进行更详细地解释。

图1示出了本发明的太阳能电池的一个实例的横截面。

图2示出了本发明的太阳能电池的另一个实例的横截面。

图3示出了本发明一个实施方案的一个实例的横截面的SEM图像。

图4示出了本发明一个实施方案的另一个实例的横截面的SEM图像。

图5示出了制造本发明的太阳能电池的方法的一个实例的框图。

具体实施方式

下文将结合附图对本发明的各个方面进行更全面地描述。然而，太阳能电池设备可以以多种不同的形式实现，并且不应该被解释为对本文阐述的方面的限定。附图中相同的数字始终指代相同的元件。

图1示出了本发明的太阳能电池1a的一个实例的横截面。太阳能电池1a包括支撑衬底2和设置在支撑衬底2顶部的多孔层3-6的叠层12。多孔层的叠层12包括光吸收层3(作为工作电极)、由多孔导电材料制成的导电层4(作为集电器)、包括多孔电绝缘材料的隔离层5和包括多孔导电材料的对电极6。对电极6形成在多孔衬底2的一侧上。在这个实例中，对电极为多孔导电层。隔离层5设置在对电极6和导电层4之间。隔离层5起到物理和电气隔离导电层4和对电极6的作用，以避免它们之间的直接电短路。在该实例中，隔离层5形成在对电极6上，导电层4形成在隔离层5上。光吸收层3设置在导电层4的顶部。第一导电层4包括用于从光吸收层3中提取光生电子的导电材料。光吸收层3可以以不同的方式制成。例如，光吸收层可以包括吸附在半导体颗粒表面上的染料分子，或染料簇，或由半导体材料(如硅)制成的颗粒。

多孔层3-6为活性层，这意味着它们参与发电。支撑衬底2不是太阳能电池中的活性层，即它不参与发电。支撑衬底2支撑多孔层3-6的叠层12。此外，在太阳能电池的制造过程中，支撑衬底2允许将对电极6印刷在其上。多孔层3-6被设置在支撑衬底2的一侧。

在支撑衬底上形成的每个多孔层都具有大量的孔。太阳能电池还包括渗透多孔层3-6的孔的电荷传导介质7，以使得电荷能够在光吸收层3和对电极6之间传输。支撑衬底2也是多孔的且包括孔。电荷传导介质7渗透支撑衬底2的孔以及太阳能电池的多孔层3-6的孔。由于支撑衬底2的多孔性，支撑衬底的孔起到电荷传导介质的储存器的作用。

在一个方面，叠层12中多孔层3-6的孔的平均尺寸小于支撑衬底2的孔的平均尺寸，使得多孔层3-6的孔中的毛细作用力比支撑衬底2中的毛细作用力强。支撑衬底2和多孔层3-6之间的孔径差异使得多孔层中的毛细作用力比支撑衬底2中的毛细作用力强，因此，如果太阳能电池的活性层中的电荷传导介质的含量减少，电荷传导介质7将被向上泵送至活性层3-6。

优选地，支撑衬底2中至少80％的孔大于3μm，多孔层中至少80％的孔小于3μm。更优选地，支撑衬底2中至少90％的孔大于3μm，多孔层3-6中至少90％的孔小于3μm。例如，支撑衬底2中至少80％的孔为3μm至10μm。

支撑衬底2越厚，太阳能电池中电荷传导介质的储存器越大。典型地，支撑衬底2的厚度为20μm至200μm。优选地，支撑衬底的厚度为至少30μm。

支撑衬底中的孔隙率越高，电荷传导介质7的储存器越大。优选地，支撑衬底的孔隙率为至少50％，最优选至少70％。如果支撑衬底有太多孔，则衬底的机械强度将太低。优选地，支撑衬底的孔隙率为50％至90％。

太阳能电池还包括封装物10，其封装多孔层3-6、支撑衬底2和导电介质7。多孔层的叠层12设置在支撑衬底2的一侧，支撑衬底的相对侧面向封装物10。

多孔层的叠层12可以包括设置在多孔层3-6之间的其他多孔层。例如，如图1b所示，可以为在支撑衬底2和对电极6之间沉积的，或者在对电极6和隔离层5之间沉积的多孔催化层。此外，可以在导电层4和光吸收层3之间设置多孔反射层。上述关于孔径的相同条件适用于多孔层的叠层12中的所有层，与层数无关。

图2示出了本发明的太阳能电池1b的另一个实例的横截面。太阳能电池1b包括支撑衬底2和设置在支撑衬底2顶部的多孔层3-6的叠层12。太阳能电池1b与太阳能电池1a的不同之处在于，太阳能电池1b的对电极6包括第二多孔导电层6a和形成在多孔导电层6a上的多孔催化层6b。

在该实例中，支撑衬底2包括织造微纤维层2a和设置在织造微纤维层2a上的非织造微纤维层2b。对电极6沉积在非织造微纤维层2b上。在该实例中，对电极6的多孔导电层6a形成在非织造微纤维层2b上。或者，催化层6b沉积在非织造微纤维层2b上。织造微纤维层2a包括纱线，在纱线之间形成有孔，并且至少一部分非织造微纤维聚集在纱线之间的孔中。优选地，非织造微纤维层6b中的微纤维的直径为0.2μm至5μm，以获得尺寸大于1μm的孔。EP2834824B1公开了用于制造包括织造微纤维以及非织造微纤维的衬底2的方法。

太阳能电池1a和1b为单片型。这意味着所有多孔层都直接或间接地沉积在相同的支撑衬底2上。例如，太阳能电池1a和1b可以为染料敏化太阳能电池(DSC)。

图3示出了本发明的一个实施方案的一个实例的横截面的SEM图像，其示出了支撑衬底2，该支撑衬底2包括在非织造微纤维层2b顶部的织造微纤维层2a。在支撑衬底2上设置第二多孔导电层6a，之后是催化层6b，并且在催化层的顶部设置隔离层5。在隔离层5的顶部设置第一导电层4，并且在其上设置光吸收层3。

图4示出了本发明一个实施方案的另一个实例的横截面的SEM图像，其示出了支撑衬底2，该支撑衬底2包括在织造微纤维层2a顶部的非织造微纤维层2b。在支撑衬底2上设置第二多孔导电层6a，之后是催化层6b，并且在催化层的顶部设置隔离层5。在隔离层5的顶部设置第一导电层4，并且在其上设置光吸收层3。

优选地，光吸收层3的孔径等于或小于第一导电层4的孔径，第一导电层4的孔径等于或小于隔离层5的孔径，隔离层5的孔径等于或小于对电极6、6a、6b层的孔径。对电极6、6a、6b的孔径优选小于支撑衬底2、2a、2b的孔径。

在本发明的一个实施方案中，从对电极6到光吸收层3，多孔层的叠层12中的孔径减小。例如，光吸收层3的孔径小于第一导电层4的孔径，第一导电层4的孔径小于隔离层5的孔径，隔离层5的孔径小于对电极6、6a、6b的孔径。对电极6、6a、6b的孔径小于支撑衬底2、2a、2b的孔径。与支撑衬底2中的毛细作用力相比，该实施方案将加强多孔层中毛细作用力的差异。

光吸收层3面向入射光。光吸收层3可以以不同的方式制成。例如，光吸收层3可以包括沉积在第一导电层4上的多孔TiO₂层。TiO₂层可以包括含有吸附在其表面的染料分子的TiO₂颗粒。在另一个实例中，光吸收层3包括沉积在导电层4上的掺杂半导体材料(例如硅)的多个颗粒。电荷传导介质整体位于颗粒之间形成的孔中。光吸收层3的厚度可以变化，并且取决于光吸收层3的类型。

太阳能电池1a；1b的顶部应面向光，以允许光撞击光吸收层3。根据一些方面，光吸收层是吸附有有机染料或有机金属染料分子或天然染料分子的多孔TiO₂纳米颗粒层。然而，光吸收层3也可以包括掺杂半导体材料的颗粒，例如Si、CdTe、CIGS、CIS、GaAs或钙钛矿。

导电层4作为背部触点，其从光吸收层3中提取光生电荷。导电层4的孔隙率可以优选为30％至85％。这取决于用于导电层4的材料和使用的制造方法，导电层4的厚度可以在1μm和50μm之间变化。例如，导电层4由选自钛、钛合金、镍合金、石墨和无定形碳或其混合物的材料制成。最优选地，导电层由钛或钛合金或其混合物制成。在这种情况下，导电层4的厚度优选为4μm至30μm。

隔离层5作为导电层4和对电极6之间的电隔离，以避免它们之间的短路。对电极2和光吸收层3之间的距离取决于隔离层5的厚度，并且应该尽可能小，使得对电极2和光吸收层3之间的电荷传输变得尽可能快，从而降低太阳能电池中的电阻损耗。隔离层的厚度为例如3μm至50μm，优选4μm至20μm。隔离层包括多孔电绝缘材料。例如，隔离层包括电绝缘颗粒的多孔层。例如，绝缘颗粒具有半导体材料芯和电绝缘材料外层。例如，在半导体材料的表面上形成绝缘氧化物层。合适地，半导体材料为二氧化钛(TiO₂)。绝缘材料为例如氧化铝或氧化硅。或者，整个颗粒可以为绝缘材料，例如氧化铝(Al₂O₃)、氧化硅(SiO₂)或氧化锆(ZrO₂)。

对电极6包括多孔导电层6a。对电极通常还包括催化层6b。对电极6可以具有单独的多孔催化层6b或者具有在多孔导电层6a中聚集的催化颗粒。对电极6的孔隙率可以优选为30％至85％。这取决于用于对电极6的材料和制造方法，对电极6的厚度可以在1μm至50μm之间变化。例如，对电极6由选自钛、钛合金、镍合金、石墨和无定形碳或其混合物的材料制成。最优选地，对电极6由钛或钛合金或其混合物制成。在这种情况下，导电层4的厚度优选为10μm至30μm。为了实现催化效果，对电极6可以包括镀铂的导电金属氧化物颗粒，例如镀铂的ITO、ATO、PTO和FTO，或者镀铂的炭黑或石墨的颗粒。

支撑衬底2可以为微纤维基衬底，例如玻璃微纤维衬底或陶瓷微纤维衬底。支撑衬底2适合由微纤维制成。微纤维为直径小于10μm、长度大于1nm的纤维。合适地，支撑衬底2包括织造微纤维。微纤维可以由耐火和惰性材料制成，例如玻璃、SiO₂、Al₂O₃和铝硅酸盐。有机微纤维为由有机材料(例如聚合物(例如聚己内酯、PET、PEO))或纤维素(例如纳米纤维素(MFC)或木浆)制成的纤维。支撑衬底2可以包括织造微纤维和沉积在织造微纤维上的非织造微纤维。合适地，支撑衬底2包括玻璃纤维。例如，多孔支撑衬底可以由织造玻璃纤维和非织造玻璃纤维制成。支撑衬底2的厚度适当地为10μm至1mm。这种层提供了所需的机械强度。

电荷传导介质7整体位于多孔层3-6的孔和支撑衬底2的孔中，并在对电极6和光吸收层3之间传输电荷。导电介质7可以为任何合适的导电介质，例如液体、凝胶或固体材料(例如半导体)。电解质的实例为液体电解质(例如那些作为氧化还原对的基于碘化物(I-)/三碘化物(I₃ ^-)-离子或钴络合物)、或凝胶电解质、普通聚合物电解质。优选地，导电介质为液体电解质，例如离子液体基电解质、铜络合物基电解质或钴络合物基电解质。

必须将太阳能电池进行适当的密封，以避免电荷传导介质泄漏。例如，太阳能电池设置有封装太阳能电池单元的封装物10。然而，必须将封装物以某种方式渗透，以便能够获得太阳能电池产生的电能。虽然渗透是密封的，但是存在电荷传导介质从太阳能电池中缓慢泄漏的风险。封装物的密封边缘也可能发生泄漏。电荷传导介质的缓慢泄漏将导致太阳能电池效率的缓慢衰减。当太阳能电池中电荷传导介质的含量达到最低水平时，太阳能电池的光电转换能力将降低。根据封装物和密封的质量，这个过程可能需要几个月，或者甚至几年。

封装物10作为屏障，以保护太阳能电池免受周围大气的影响，并防止电荷传导介质从电池内部蒸发或泄漏。封装物10可以包括覆盖太阳能电池顶部的上板(upper sheet)和覆盖太阳能电池底部的下板(lower sheet)。太阳能电池顶部的上板覆盖光吸收层，并且需要是透明的，以允许光通过。支撑衬底2的底部侧面向封装物10的下板。光吸收层3面向封装物10的上板。上板和下板例如由聚合物材料制成。上板和下板的边缘被密封。

根据一个方面，太阳能电池1a；1b的封装物10包括多个渗透开口(图中未示出)以便能够获得太阳能电池产生的电能。渗透开口接收电线以电连接至第一导电层4和对电极6。渗透开口可以被设置连接至第一导电层4和对电极6。优选地，渗透开口被设置在支撑衬底7下方的封装物的侧面。

图5示出了制造本发明的太阳能电池的方法的一个实例的框图。图5中的方法包括以下步骤：

S1：提供多孔支撑衬底2，

S2：在多孔支撑衬底2上沉积多孔对电极6，

S3：在对电极6上沉积多孔隔离层5，

S4：在隔离层5上沉积第一多孔导电层4，

S5：在第一导电层4上沉积多孔光吸收层3，

S6：将电荷传导介质7引入叠层12和支撑衬底2中，直到电荷传导介质7渗透支撑衬底2和叠层12，

S7：密封太阳能电池。

根据一个方面，电荷传导介质7被引入到支撑衬底的背对叠层12的一侧，使得支撑衬底和叠层被电荷传导介质浸渍。

步骤S2-S5中的沉积例如通过喷涂或印刷技术(例如喷墨印刷或丝网印刷)完成。

现在将更详细地解释如何进行步骤S3的一个实例。通过将绝缘颗粒粉末与溶剂、分散剂和粘合剂混合来制备隔离物油墨。溶剂为例如水或有机溶剂。粘合剂为例如羟丙基纤维素。分散剂为例如Byk 180。搅拌混合物，直到粉末中聚集的颗粒分离成单个颗粒，并且油墨中的颗粒分散良好。通过喷涂或印刷技术将隔离物油墨沉积在对电极6上。隔离物油墨的沉积可以重复两次、三次或更多次，直到对电极上已经沉积足够厚的绝缘颗粒层。优选地，在下一层隔离物油墨沉积在前一层隔离物油墨上之前，干燥隔离物油墨层。有利的是重复沉积隔离物油墨两次或更多次，因为随后的油墨层将修复之前的绝缘颗粒层中可能的缺陷。重要的是在隔离层5中没有缺陷(例如裂缝或孔)，因为这将导致对电极6和多孔第一导电层4之间的短路。

图1中的太阳能电池1a在光吸收层3的孔中、第一导电层4的孔中、隔离层5的孔中、对电极6的孔中和支撑衬底2的孔中渗透有电荷传导介质7。电荷传导介质在导电层的孔内以及在隔离层的孔内的导电层之间形成连续层，从而能够在对电极6和包括第一导电层4和光吸收层3的工作电极之间传输电荷。第一多孔导电层4从光吸收层3中提取电子，并将电子传输至连接到对电极6的外部电路(图1中未示出)。对电极6用于将电子传输到电荷传导介质7。传导介质7将电子传输回光吸收层3，从而完成电路。

根据电荷传导介质7的性质，离子或电子和空穴可以在对电极和工作电极之间传输。

染料敏化太阳能电池中的电解质通常分为液体电解质、准固态电解质或固态电解质。电解质可以为液体、凝胶或固态的形式。文献中已知有大量任一类型的电解质，参见例如2015年1月28日，Chemicals Reviews，“Electrolytes in Dye-Sensitized SolarCells”。电解质为染料敏化太阳能电池的昂贵组成。对电极通常配备有催化物质6b，其用于促进电子向电解质转移的目的。

电荷传导介质对传输电荷表现出一定的电阻。电阻随着电荷传输距离的增加而增加。因此，当电荷在对电极和光吸收层之间传输时，在导电介质中总会有一定的电阻损耗。可以通过使多孔衬底更薄来降低电阻损耗。然而，当多孔衬底变薄时，它也变得更机械脆弱。

导电介质为例如常规的I-/I₃ ^-电解质或类似的电解质，或者Cu-/Co-复合电解质。固态过渡金属基络合物或有机聚合物空穴导体是已知的导电介质。

根据一些方面，导电介质包括铜离子络合物。具有铜络合物作为电荷导体的导电介质是无毒的导电介质。使用铜络合物作为导电介质已经表现出产生非常高的光电压。

对电极6可以例如通过用包括固体导电颗粒的油墨印刷而沉积在支撑衬底2上。导电颗粒(例如金属氢化物颗粒)可以与液体混合以形成适用于印刷方法的油墨。导电颗粒也可以被研磨或以其他方式处理，以获得合适的颗粒尺寸，并因此获得多孔对电极6的期望的孔径。固体颗粒优选为金属基，并且可以为纯金属、金属合金或金属氢化物或金属合金的氢化物或它们的混合物。

导电层4可以以与对电极6沉积在支撑衬底2上相同的方式沉积在隔离层5上。沉积物可以通过热处理步骤进行处理。在热处理期间，也将发生颗粒的烧结，从而增加导电层的导电性和机械稳定性。在热处理过程中，金属氢化物会转变成金属。通过在真空或惰性气体中加热防止颗粒的污染，并改善颗粒之间的电触点(electrical contact)。

本文中使用的术语仅仅是为了描述本发明的特定方面，而不是为了限制本发明。如本文中所使用的，单数形式“一个/种(a)”、“一个/种(an)”和“该/所述”旨在也包括复数形式，除非上下文清楚地另外指出。

术语光伏电池和太阳能电池是同义词。

除非另有定义，否则本文中使用的所有术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。

本发明不限于所公开的实施方案，而是可以在所附权利要求的范围内进行变化和修改。例如，多孔层的叠层可以包含其他多孔层，并且叠层中多孔层的顺序可以改变。

Claims (15)

1.一种太阳能电池(1a；1b)，包括多孔层(3-6)的叠层(12)、用于支撑所述叠层的支撑衬底(2)和渗透穿过所述叠层的电荷传导介质(7)，其中所述叠层(12)包括：

-多孔光吸收层(3)，

-多孔第一导电层(4)，包括用于从光吸收层中提取光生电子的导电材料，

-多孔对电极(6)，包括导电材料，和

-隔离层(5)，所述隔离层(5)由多孔电绝缘材料制成并且被设置在所述第一导电层(4)和所述对电极(6)之间，其中所述第一导电层(4)被设置成比所述对电极(6)更靠近所述光吸收层(3)，

其特征在于所述多孔层(3-6)的叠层被设置在所述支撑衬底的顶部，所述支撑衬底(2)为多孔的，所述电荷传导介质(7)渗透穿过所述支撑衬底(2)。

2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中所述电荷传导介质(7)整体位于所述多孔层(3-6)的孔和所述支撑衬底(2)的孔中，所述多孔层(3-6)的孔的平均尺寸比所述支撑衬底(2)的孔的平均尺寸小，使得所述多孔层的孔中的毛细作用力比所述支撑衬底的孔中的毛细作用力强。

3.根据权利要求1-2中任一项所述的太阳能电池，其中所述多孔层(3-6)中至少80％的孔的尺寸小于3μm。

4.根据前述权利要求中任一项所述的太阳能电池，其中所述支撑衬底(2)中至少80％的孔的尺寸大于3μm。

5.根据前述权利要求中任一项所述的太阳能电池，其中所述支撑衬底(2)的孔隙率为至少50％，优选至少70％，最优选至少80％。

6.根据前述权利要求中任一项所述的太阳能电池，其中所述支撑衬底(2)的厚度为至少20μm，优选至少30μm，最优选至少50μm。

7.根据前述权利要求中任一项所述的太阳能电池，其中所述支撑衬底(2)包括微纤维。

8.根据权利要求7所述的太阳能电池，其中所述支撑衬底(2)包括直径为0.2μm至10μm、优选0.2μm至5μm、最优选0.2μm至1μm的微纤维。

9.根据前述权利要求中任一项所述的太阳能电池，其中所述支撑衬底(2)包括织造和非织造微纤维。

10.根据权利要求9所述的太阳能电池，其中所述支撑衬底(2)包括织造微纤维层(2a)和设置在织造微纤维14层(2a)上的非织造微纤维层(2b)。

11.根据前述权利要求中任一项所述的太阳能电池，其中所述支撑衬底(2)为柔性的。

12.根据前述权利要求中任一项所述的太阳能电池，其中所述隔离层(5)的厚度为3μm至50μm，优选15μm至35μm，最优选4μm至20μm。

13.根据前述权利要求中任一项所述的太阳能电池，其中所述电荷传导介质(7)为液体电解质。

14.一种制造权利要求1所述的太阳能电池的方法，其中所述方法包括：

-(S1)提供多孔支撑衬底(2)，

-(S2)在所述多孔支撑衬底(2)上沉积多孔对电极(6)，

-(S3)在对电极(6)上沉积多孔隔离层(5)，

-(S4)在隔离层(5)上沉积多孔第一导电层(4)，

-(S5)在导电层(4)上沉积多孔光吸收层(3)，

-(S6)将电荷传导介质(7)引入叠层(12)和支撑衬底(2)中，直到所述电荷传导介质(7)渗透所述支撑衬底(2)和所述叠层(12)，

-(S7)密封太阳能电池。

15.根据权利要求14所述的方法，其中(S2)沉积多孔对电极(6)包括沉积多孔第二导电层(6a)和在所述第二导电层(6a)顶部的多孔催化层(6b)。