CN1755948A - 染料敏化太阳能电池模块 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高性能的染料敏化太阳能电池模块，其中多个单元电池以简化的方式同时形成在基片上，提高了光吸收效率。该染料敏化太阳能电池模块包括相互面对的具有多个单元电池区域的第一和第二导电基片。第一和第二电极形成在该第一或第二基片上，从而该第一和第二电极在各个单元电池相互面对。染料吸附在第一电极上。电解质填充在各个单元电池第一和第二基片之间的空间。绝缘区域形成在一对彼此相邻的单元电池之间第一和第二基片中的至少一个上。在一个或两个基片上的绝缘区域图形，导致单元电池以串联、并联或混合的方式耦合。

Description

染料敏化太阳能电池模块
技术领域
本发明涉及染料敏化太阳能电池模块，尤其涉及具有简单结构，并且包括简化的处理步骤和增强的性能的染料敏化太阳能电池模块。
背景技术
通常，染料敏化太阳能电池模块包括具有基于染料吸附的金属氧化物的第一电极的第一基片、面对第一基片同时与其间隔开的具有第二电极的第二基片。电解质注入到第一和第二基片之间。
根据染料敏化太阳能电池的基本原理，当太阳光入射到染料敏化太阳能电池上时，光子被吸收到染料中并使染料进入激发态。随后，电子从激发的染料转移到第一电极的过渡金属氧化物的导带。电子随后流动到外部电路为那里提供电能，并且转化为较低的能量状态，其能量状态根据外电路的能量消耗量被降低。电子随后转移到第二电极。
一旦染料从电解质溶液接收到与提供给过渡金属氧化物的数目相同的电子，染料将回到其初始状态。电解质从对电极接收电子，并且通过氧化作用和还原作用将它们传送给染料。
与传统的硅太阳能电池相比，染料敏化太阳能电池可以以环保的方式以相对低的生产成本灵活生产。然而，这样的染料敏化太阳能电池光电转换效率低，在实际应用中受到限制。
韩国专利No.0384893公开了一种制造具有多个单元电池的染料敏化太阳能电池模块的方法。单元电池分别制造，随后，通过导电带、导电双面带或绝缘双面带相互电连接。
然而，上述方法包括复杂的单元电池处理和重排步骤，而且提高了制造成本。
此外，由于导电带的导电率，染料敏化太阳能电池的性能恶化，并且模块的活性区域减小。
发明内容
根据本发明，提供一种具有简化的处理步骤和低制造成本的染料敏化太阳能电池模块。
此外，根据本发明，还提供一种具有扩大的活性区域，并且避免由于带造成的电池性能恶化而具有良好光电转换效率的染料敏化太阳能电池模块。
染料敏化太阳能电池模块包括具有用于多个单元电池的区域的相互面对的第一和第二导电基片。第一和第二电极形成在该第一或第二基片上，从而该第一和第二电极在各个单元电池相互面对。染料吸附在第一电极上。电解质填充在各个单元电池的该第一基片和第二基片之间的空间。
绝缘区域可以形成在一对相邻单元电池之间该第一和第二基片中的至少一个上。
绝缘区域形成在至少一对单元电池之间该第一和第二基片中的一个上，并且该对单元电池以串联方式相互电耦合。第一和第二电极可以交替形成在相互串联耦合的该对单元电池的第一和第二基片上。换言之，如果在一个单元电池中第一电极形成在该第一基片上，相邻的单元电池中第一电极则形成在该第二基片上。然后，如果例如在第二基片上在单元电池之间没有绝缘区域，则一个单元电池的形成在第二基片上的第一电极与相邻单元电池的同样形成在第二基片上的第二电极相耦合。将相反的电极连接在一起产生了如此连接的单元电池之间的串联连接。
可以提供连接器或耦合器以相互电连接或耦合单元电池。
绝缘区域可以形成在至少一对单元电池之间第一和第二基片上，并且该对单元电池可以利用连接器相互并联电耦合。对于相互并联耦合的这对单元电池，第一电极在第一和第二基片中的一个上相互分离，并且第二电极在另一基片上相互分离。
第一和第二基片分别具有透明塑料或玻璃基片、以及在塑料或玻璃基片上形成的导电膜。绝缘区域通过隔开与各个导电单元相应的导电膜来形成。
塑料基片包括从聚乙烯对苯二甲酸酯(PET)、聚萘二甲酸乙二酯(PEN)、聚碳酸酯(PC)、聚丙烯(PP)、聚酰亚胺(PI)和三乙酸纤维素(TAC)中选择的聚合物，并且导电膜包括从铟锡氧化物(ITO)、氟锡氧化物(FTO)、ZnO-Ga2O3、ZnO-Al2O3、SnO2-Sb2O3中选择的化合物。
第一电极可以包括选自含有Ti氧化物、Nb氧化物、Zn氧化物、Sn氧化物、Ta氧化物、W氧化物、Ni氧化物、Fe氧化物、Cr氧化物、V氧化物、Pm氧化物、Zr氧化物、Sr氧化物、In氧化物、Ir氧化物、La氧化物、Mo氧化物、Mg氧化物、Al氧化物、Y氧化物、Sc氧化物、Sm氧化物、Ga氧化物、In氧化物和SrTi氧化物的组中的一种或多种氧化物。
第二电极可以由从Pt、Ru、Pd、Rh、Ir、Os、WO3、TiO2、石墨和它们的混合物中选择的材料形成。第二电极具有半透明性或透明性。
电解质可以从液体电解质、离子液体电解质、类固体电解质、聚合物电解质和固体电解质中选择。
反射板可以从外面安装于第一和第二基片中的一个。反射板由从金属、氧化物、氮化物、碳质化合物和聚合物薄膜中选择的材料形成。反射板的反射率在5-100％的范围。
附图说明
图1是根据本发明的第一实施例的染料敏化太阳能电池模决的透视图。
图2是图1中的染料敏化太阳能电池模块沿I-I线截取的局部剖面图。
图3是图1中示出的染料敏化太阳能电池模块的局部分解透视图，表示非装配形式的染料敏化太阳能电池模块，其中第一和第二基片相互分离，同时暴露各个基片的接合点。
图4是根据本发明第二实施例的染料敏化太阳能电池模块的局部分解透视图，表示其中第一和第二基片相互分离的状态。
图5是根据本发明的第三实施例的染料敏化太阳能电池模块的局部剖面图。
图6是根据例1的染料敏化太阳能电池模块和其单元电池的电流-电压特性曲线图。
图7是根据比较例的染料敏化太阳能电池模块和其单元电池的电流-电压特性曲线图。
具体实施方式
现在参照图1和图2，第一和第二基片10、20相互分开预定的距离同时相互面对，并且在第一和第二基片10、20上划分出多个电池区域从而在划分出的电池区域中可以形成多个单元电池40。单元电池40可以作为具有第一和第二电极31、32，染料34和电解质36的染料敏化太阳能电池起作用。
本实施例中，密封剂30设置在第一和第二基片10、20之间，同时围绕各个单元电池40，从而将第一和第二基片10、20彼此密封，并且划分出用于各个单元电池40的区域。在不同的实施例中密封剂30可以具有不同形态。
密封剂30可以由不同的材料形成，例如热塑性聚合物膜，例如surlynTM。热塑性聚合物膜设置在两基片之间，并且通过真空密闭的方式热压。环氧树脂或者紫外线(UV)硬化剂可以用于该目的。
首先对单元电池40进行更详细地说明，然后对多个单元电池40的电互连进行说明。
如图2所示，第一和第二基片10、20包括塑料或玻璃基片11、21，并且导电膜12、22分别形成在塑料或玻璃基片11、21上。因此，第一和第二基片10、20可以同时具有光传输和电传导的特性。
第一和第二基片10、20可以由塑料材料形成，例如聚乙烯对苯二甲酸酯(PET)、聚萘二甲酸乙二酯(PEN)、聚碳酸酯(PC)、聚丙烯(PP)、聚酰亚胺(PI)、三乙酸纤维素(TAC)或其混合物。
导电膜12、22可以由铟锡氧化物(ITO)、氟锡氧化物(FTO)、ZnO-Ga2O3、ZnO-Al2O3、SnO2-Sb2O3或其混合物形成。
第一和第二电极31、32形成在第一和第二基片10、20上，同时相互面对。或者第一电极31可以形成在第一基片10上，同时第二电极32形成在第二基片20上，或者第二电极32可以形成在第一基片10上，同时第一电极31形成在第二基片20上。这可以根据单元电池40的电互连改变。可能的变化将在后面说明。
第一电极31可以由基于Ti、Nb、Zn、Sn、Ta、W、Ni、Fe、Cr、V、Pm、Zr、Sr、In、Ir、La、Mo、Mg、Al、Y、Sc、Sm、Ga、In、SrTi或其混合物的金属氧化物形成。第一电极31可以形成为厚度1-40μm。
第一电极31具有纳米级颗粒直径的均匀扩散的纳米氧化物颗粒，从而它可以具有多孔性和合理的表面粗糙度。
纳米颗粒的平均颗粒直径在3-100nm的范围，其也可以在10-40nm的范围。第一电极31的表面粗糙程度可以是20nm或更大。
TiO2被认为是第一电极31的典型材料。对于颗粒直径为10nm或更小的情况，在电极形成之后的热处理期间TiO2在基片上的附着恶化，从而TiO2可能和基片分离。相反，如果TiO2的微粒直径超过40nm，染料吸附点由于表面积的缩小而降低，并且可以避免分离。然而，具有更大颗粒直径时，光电转化效率也会恶化。因此，将第一电极31的颗粒直径维持在10-40nm的范围可以避免TiO2从基片上分离，同时保持高的光电转化效率。
基于铟锡氧化物的导电颗粒可以添加到第一电极31中使电子易于传输。此外，光学散射颗粒可以添加到第一电极31中来扩展光路并提高效率。光学散射颗粒可以由与第一电极31相同的材料形成，并且可以具有150nm或更大的平均颗粒直径从而高效地散射光线。
作为选择，平均颗粒直径为100nm或更小的纳米金属氧化物颗微粒的糊可以涂在第一和第二基片10、20上预定区域处。该糊可以被热处理和干燥从而形成第一电极31。
根据将糊涂覆在第一和第二基片10、20上的方法，糊的物理特性略有不同。通常使用刮板或丝网印刷技术来将糊涂覆在基片上。作为选择，旋涂或喷雾技术可以用来增强光传输。此外，包括挤压技术的通常的湿涂技术可以用于该目的。
当粘合剂添加到糊中时，糊在450-600℃热处理30分钟。没有这样的粘合剂时，可以在200℃热处理糊。
为了维持第一电极31的多孔性，可以将聚合物添加到糊中，并且在400-600℃热处理。在这种情况下，聚合物可以从热处理后没有有机质含量残留的材料中选择，该材料例如为聚乙烯乙二醇酯(PEG)、聚乙烯氧化物(PEO)、聚乙烯醇(PVA)或聚乙烯吡咯烷酮(PVP)。考虑到涂覆条件包括相关的涂覆技术，选择具有适当分子量的聚合物，并且添加到糊中。当聚合物添加到糊中时，多孔性、扩散性、薄膜结构和薄膜附着力都提高了。
第二电极32可以由从Pt、Ru、Pd、Rh、Ir、Os、WO3、TiO2、石墨和它们的混合物中选择的材料形成。在一些实施例中，第二电极32可以由具有高反射率的Pt形成。
第二电极32可以具有1-300nm的厚度和10-100％的光传输率。也就是说，第二电极32可以是半透明或透明的。由于第一和第二电极31、32可以形成在相同基片10或20上，因此入射光线可以通过第二电极32。
第二电极32可以通过真空沉积、电化学沉积或化学沉积技术形成。
染料34吸附在第一电极31的纳米颗粒表面。染料34可以包括能吸收可见光的材料，例如钌(Ru)合成物。Ru属于铂族，是可以形成多种有机金属化合物的元素。
染料34可以由Ru((COOEt)2bpy)2(NCS)2·2CH3CN或Ru((COOH)2bpy)2(NCS)2·2CH3CN形成。除了(COOEt)2或(COOH)2，染料可以包括可以和多孔电极表面结合的原子团，多孔电极可以是例如基于TiO2的。随着原子团相关的改进，电子和空穴的复合被避免了，从而增强了能量转化效率。此外，可以引入提高对长波长可见光的吸收从而提高能量转化效率的染料和可易于发射电子的新染料。
节约成本的、丰富的多色有机色素可以用于染料。有机色素，例如香豆素(coumarine)、脱镁叶绿酸或卟啉可以单独的或和Ru合成物结合着使用。有机色素提高了对长波长可见光的吸收，并且提高了电池的能量转换效率。
包括第一电极31的第一或第二基片10、20在溶解有染料的酒精溶液中浸泡大约12小时，从而染料自然吸附在第一电极31的纳米颗粒上。
对应于每个单元电池40，电解质36形成在第一和第二电极31、32之间。电解质36可以是液体电解质、离子液体电解质、类固体电解质、聚合物电解质或固体电解质。
电解质36均匀扩散到第一和第二基片10、20之间的第一电极31的纳米颗粒中。
电解质36包括碘化物-三碘化物对，具有通过氧化作用和还原作用从对电极接收电子，并将它们传输给染料34的作用。开路电压根据第一电极31的费米能级和电解质36的氧化及还原作用程度(oxidation and reduction level)之间的差别而决定。
所示的实施例中，绝缘区域14、24和连接器38一起用来以串联、并联或混合的形式将多个单元电池40彼此电连接。
第一绝缘区域14形成在第一基片10上，第二绝缘区域24形成在第二基片20上。
第一和第二基片10、20的导电膜部分12、22被部分除去来形成绝缘区域14、24，从而截断电子流动。绝缘区域14、24可以通过用湿刻或干刻在适当区域除去导电膜12、22的一部分来形成。可选择的，叠压以绝缘区域14、24为轮廓的导电膜12、22，以形成绝缘区域14、24和导电膜12，22。
也就是说，对应单元电池40的导电膜部分12、22可以相互分开从而形成绝缘区域14、24。结果，在绝缘区域14、24处没有电流可以通过第一和第二基片10、20。在一实施例中，绝缘区域14、24可以通过部分地除去导电膜12、22来形成，但是绝缘区域14、24的结构不限于此。
例如，对于行方向上(图3中x轴所示的方向)的一对相邻单元电池40，第一绝缘体14形成在单元电池40之间的第一基片10上，而第二绝缘体24没有形成在单元电池40之间的第二基片20上。对于一对单元电池40，第一和第二电极31、32可以分别交替地形成在第一和第二基片10、20上。
因此，在没有绝缘体24时，对于一对单元电池40，第一电极31和第二电极32通过第二基片20的导电膜部分22相互串联电耦合。
对于列方向上(图3中y轴所示的方向)的一对相邻的单元电池40，第一和第二绝缘区域14、24形成在第一和第二基片10、20上。从而，对于列方向(图中y轴的方向)上的彼此相邻的单元电池40，没有电流通过第一和第二基片10、20。这种情况下，单元电池40可以利用连接器38相互并联电耦合。连接器可以由导线形成。
对应该对单元电池40的第一和第二电极31、32通过第一和第二绝缘区域14、24相互绝缘，同时通过连接器38相互并联耦合。
如图3所示，形成连接器38的导线安装到第一基片10上，并且目互连接多个单元电池40。但是，本发明不局限于图示的结构，并且多个单元电池40可以通过多种其他方式相互连接。
例如，在已说明的实施例中，在行方向上绝缘区域仅形成在一个基片上，从而单元电池相互串联耦合，或者在列方向上绝缘区域形成在两个基片上，从而单元电池相互并联耦合。然而，本发明并不局限于这种结构。多个单元电池40可以仅利用绝缘区域相互并联或串联耦合，而不需要以单独的形式形成任何连接器。此外，可以以各种方式形成电连接。
如上所述，在该实施例中，只提供了绝缘区域14、24和连接器38来使多个单元电池40电互连，而没有使用导电带、导电双面带或绝缘双面带。
因此，电池容量不会由于带的导电率而恶化，并且由于良好的填充因数，短路电流的损失也降到最小。此外，消除了带区域从而增加了活性区域。
此外，在本发明的某些实施例中，多个单元电池40形成在基片10、20上，并且绝缘区域14、24形成在各个单元电池40之间从而将单元电池40彼此电连接或者相互绝缘，从而制成染料敏化太阳能电池模块。因此，染料敏化太阳能电池模块的处理步骤简化了，同时生产成本降低。
下面将说明根据本发明的第二和第三实施例的染料敏化太阳能电池模块。
图4是根据本发明的第二实施例的染料敏化太阳能电池模块的局部分解透视图。如虚线箭头45所示，利用形成在第一或第二基片10、20上的绝缘区域42、44，多个单元电池40相互串联耦合。也就是说，绝缘区域42、44只形成在将被串联耦合的单元电池40之间第一或第二基片10、20中的一个上，并且单元电池40通过另一基片相互串联耦合。在该实施例中，由于不需要并联连接，因此不需要单独的连接器，并且仅仅需要在串联耦合的单元电池40的两端47、49处得到电压。
图5是根据本发明的第三实施例的染料敏化太阳能电池模块的局部剖面图。
在该实施例中，单个反射板46从外面安装于第一或第二基片10、20。在一个示例性实施例中，反射板46可以放置在阳光入射侧的对面。
反射板46可以由金属材料、氧化物、氮化物、碳质化合物或聚合物膜形成，并且它的反射率可设定在5-100％范围内。
如图5所示，在反射板46安装在第一基片10的外面的情况下，太阳光，入射到第二基片20上并且经过第一基片10的太阳光被反射板46反射，并且重新进入第二基片20。因此，与没有反射板46的情况相比，可以吸收更大量的阳光，从而提高能量转换效率。
制造根据本发明的示例性染料敏化太阳能电池模块，其被称为发明示例模块。还通过单独生产单元电池并将它们用导电带相互连接来制造另一染料敏化太阳能电池模块，其被称为比较示例模块。两个模块——也就是发明示例模块和比较示例模块——的电流电压特性，用100mW/cm2的氙灯作为光源进行分析。
图6是发明示例模块和其单元电池的电流-电压特性图。图7是表明比较示例模块和其单元电池的电流-电压特性的图。
在图6中，线条(a)表示光线从第一电极或者电子发射电极一侧入射的单元电池的电流-电压特性，线条(b)表示光线从第二电极一侧入射的单元电池的电流-电压特性，线条(c)表示这些单元电池形成的发明示例模块的电流-电压特性。
如图6中的线条(a)所示，光线从第一电极一侧入射的单元电池具有7.42mA的短路电流、0.67V的开路电压和0.37的填充因数。如同一图中的线条(b)所示，光线从第二电极一侧入射的单元电池具有5.4mA的短路电流、0.65V的开路电压和0.43的填充因数。如线条(c)所示，发明示例模块具有20.5mA的短路电流、1.1V的开路电压和0.52的填充因数。
在图7中，线条(a)表示单元电池的电流-电压特性，并且线条(b)表示由这些单元电池形成的比较示例模块的电流-电压特性。
如图7中的线条(a)所示，对比示例的单元电池具有9.8mA的短路电流、0.72V的开路电压和0.53的填充因数。如同一图中的线条(b)所示，对比示例模块具有21mA的短路电流、1.25V的开路电压和0.33的填充因数。
对图6和图7的比较表明，与对比示例模块的单元电池相比较，用来生产发明示例的染料每化太阳能电池模块的单元电池具有明显更小的短路电流、开路电压和填充因数。但是，两种模块——发明示例模块和比较示例模块——的短路电流、开路电压的总体值是相似的。此外，发明示例模块的填充因数比对比示例模块的更大。简言之，根据本发明的生产的示例性染料敏化太阳能电池模块具有降低短路电流损耗和填充因数高的优点。
描述染料敏化太阳能电池模块的图中仅示出包括两列三行单元电池的示例性实施例。然而，本发明不局限于所示的实施例并且发明结构的实施例可以包括具有多个单元电池的多种情况。
本发明的示例性实施例已经在上面详细说明，但是应该清楚明白的是，对本领域技术人员可能出现的这里所教的基本发明概念的许多变化和/或修改仍将落入后附权利要求书所定义的本发明思想和范围之内。

Claims (16)

1.一种染料敏化太阳能电池模块，包括：
相互面对的第一和第二导电基片，该第一和第二基片包括多个单元电池区域；
第一和第二电极，其分别形成在该第一或第二基片上，从而该第一和第二电极在单元电池区域相互面对；
吸附在该第一电极上的染料；
填充该单元电池区域该第一和第二基片之间的空间从而形成单元电池的电解质；以及
形成在一对相邻单元电池之间该第一和第二基片中至少一个上的绝缘区域。
2.如权利要求1所述的染料敏化太阳能电池模块，其中该绝缘区域形成在至少一对单元电池之间该第一和第二基片中至少一个上，并且该对单元电池以串联的形式相互电耦合从而形成串联耦合单元电池。
3.如权利要求2所述的染料敏化太阳能电池模块，其中该第一和第二电极交替地形成在该串联耦合单元电池处第一和第二基片上。
4.如权利要求1所述的染料敏化太阳能电池模块，还包括用于电互连该单元电池的连接器。
5.如权利要求4所述的染料敏化太阳能电池模块，其中绝缘区域形成在至少一对单元电池之间该第一和第二基片上，并且该对单元电池用连接器相互并联电耦合以形成并联耦合单元电池。
6.如权利要求5所述的染料敏化太阳能电池模块，其中对于该并联耦合单元电池，该第一电极在该第一和第二基片中的一个上相互分离，并且该第二电极在另一基片上相互分离。
7.如权利要求1所述的染料敏化太阳能电池模块，其中第一和第二基片每个包括透明塑料或玻璃基片、以及形成在该塑料或玻璃基片上的导电膜。
8.如权利要求7所述的染料敏化太阳能电池模块，其中绝缘区域通过分隔对应各个单元电池的该导电膜形成。
9.如权利要求7所述的染料敏化太阳能电池模块，其中塑料基片包括选自含有聚乙烯对苯二甲酸酯(PET)、聚萘二甲酸乙二酯(PEN)、聚碳酸酯(PC)、聚丙烯(PP)、聚酰亚胺(PI)和三乙酸纤维素(TAC)的组的聚合物，并且导电膜包括选自含有铟锡氧化物(ITO)、氟锡氧化物(FTO)、ZnO-Ga2O3、ZnO-Al2O3、SnO2-Sb2O3的组的化合物。
10.如权利要求1所述的染料敏化太阳能电池模块，其中该第一电极包括选自含有Ti氧化物、Nb氧化物、Zn氧化物、Sn氧化物、Ta氧化物、W氧化物、Ni氧化物、Fe氧化物、Cr氧化物、V氧化物、Pm氧化物、Zr氧化物、Sr氧化物、In氧化物、Ir氧化物、La氧化物、Mo氧化物、Mg氧化物、Al氧化物、Y氧化物、Sc氧化物、Sm氧化物、Ga氧化物、In氧化物和SrTi氧化物的组的一种或多种氧化物。
11.如权利要求1所述的染料敏化太阳能电池模块，其中该第二电极由选自含有Pt、Ru、Pd、Rh、Ir、Os、WO3、TiO2、石墨和它们的混合物的组的材料形成。
12.如权利要求11所述的染料敏化太阳能电池模块，其中该第二电极为半透明或透明。
13.如权利要求1所述的染料敏化太阳能电池模块，其中该电解质选自含有液体电解质、离子液体电解质、类固体电解质、聚合物电解质和固体电解质的组。
14.如权利要求1所述的染料敏化太阳能电池模块，还包括外安装于该第一和第二基片中一个的反射板。
15.如权利要求14所述的染料敏化太阳能电池模块，其中该反射板由选自含有金属、氧化物、氮化物、碳质化合物和聚合物膜的组的材料形成。
16.如权利要求14所述的染料敏化太阳能电池模块，其中该反射板的反射率在5-100％的范围。
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