DE102011003281B4

DE102011003281B4 - Nicht ebene/gebogene Farbstoff-sensibilisierte Solarzelle und Verfahren zur Herstellung derselben

Info

Publication number: DE102011003281B4
Application number: DE102011003281.9A
Authority: DE
Inventors: Mi Yeon Song; Sang Hak Kim; Yong Jun Jang; Won Jung Kim; Yong Gu Kim; In Woo Song; Ki Chun Lee
Original assignee: Hyundai Motor Co
Current assignee: Hyundai Motor Co
Priority date: 2010-11-11
Filing date: 2011-01-27
Publication date: 2024-05-08
Anticipated expiration: 2031-01-28
Also published as: US20120118367A1; KR101144038B1; DE102011003281A1; KR20120050882A

Abstract

Verfahren zum Herstellen einer gekrümmten Farbstoffsensibilisierten Solarzelle, umfassend:Vorbereiten bzw. Bereitstellen von zwei gekrümmten Substraten (10; 20), wobei jedes eine Krümmung besitzt;Bilden eines ersten gekrümmten leitenden Substrates für eine Arbeitselektrode durch Beschichten bzw. Aufbringen eines leitenden Films (12) auf einer konkaven Oberfläche auf einem der gekrümmten Substrate (10) und einem zweiten gekrümmten leitenden Substrat für eine Gegen-elektrode durch Aufbringen eines leitenden Films (22) auf einer konvexen Oberfläche des anderen gekrümmten Substrates (20),wobei das Beschichten mit einem leitenden Film mittels Elektrosprayverfahren, Spray-Druckverfahren, TintenstrahlDruckverfahren, MOCVD-Verfahren oder CVD-Verfahren durchgeführt wird;Beschichten einer Metallelektrode (14; 24) und eines Schutzfilms (16; 26) auf jedem der ersten und zweiten gekrümmten leitenden Substrate;Bilden der Arbeitselektrode durch Beschichten eines Halbleiteroxid-Elektrodenfilms (18) auf einer konkaven Oberfläche des ersten gekrümmten leitenden Substrates unddurch Anlagern eines Farbstoffes in dem Halbleiteroxid-Elektrodenfilm (18);Bilden der Gegenelektrode durch Beschichten einer katalytischen Elektrode (28) auf einer konvexen Oberfläche des zweiten gekrümmten leitenden Substrates; undIn-Verbindung-Bringen der Arbeitselektrode mit der Gegenelektrode und Einspritzen eines Elektrolyten zwischen die Arbeitselektrode und die Gegenelektrode,wobei eine Einspannvorrichtung, welche die gleiche Krümmung besitzt wie eine Krümmung der gekrümmten Substrate (10; 20), in einer Beschichtungsmaschine für ein gekrümmtes Substrat befestigt ist, wobei der Abstand zwischen einer Quelle für die Ablagerung bzw. das Aufbringen der Beschichtungsmaschine und den gekrümmten Substraten (10; 20) in gleichmäßigen Zwischenräumen konstant beibehalten wird,um einen Elektrodenfilm zu beschichten, welcher eine gleichmäßige Dicke besitzt, wobei die gekrümmten Substrate (10; 20) durch die Einspannvorrichtung gehalten werden, wobei ein vorher festgelegter Abstand zwischen den gekrümmten Substraten (10; 20) und einer Ablagerungsquelle der Beschichtungsmaschine beibehalten wird, wobei ein Motor benutzt wird, um die Mobilität der Ablagerungsquelle zu liefern, um den vorher festgelegten Abstand aufrechtzuerhalten, wobei der Motor an der Einspannvorrichtung befestigt ist, um die gekrümmten Substrate (10; 20) zu bewegen,welches ferner aufweist:Bemustern der leitenden Filme (12; 22) der gekrümmten Substrate (10; 20), wobei eine Einspannvorrichtung in einer Laserschreibvorrichtung befestigt ist, um gleichmäßig die leitenden Filme (12; 22) zu bemustern, um den Abstand zwischen einem Laserteil und den gekrümmten leitenden Substraten in gleichmäßigen Zwischenräumen aufrechtzuerhalten.

Description

Hintergrund
(a) Technischer Bereich
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Farbstoff-sensibilisierte Solarzellen und Verfahren zur Herstellung derselben, spezieller ausgedrückt bezieht sie sich auf nicht ebene, Farbstoff-sensibilisierte Solarzellen und Verfahren, um eine derartige Solarzelle herzustellen, noch spezieller ausgedrückt bezieht sie sich auf eine gebogene Farbstoff-sensibilisierte Solarzelle und Verfahren des Herstellens einer derartigen Solarzelle, und noch weiter speziell ausgedrückt auf Verfahren zum Herstellen einer nicht ebenen/gebogenen Farbstoff-sensibilisierten Solarzelle, wobei ein Glassubstrat benutzt wird, welches eine Biegung besitzt. Zudem offenbart sind ein Sonnendach, ein Panoramadach und ein Glas für ein Fahrzeug, bei dem jeweils die gekrümmte Farbstoffsensibilisierte Solarzelle angewendet wird.
(b) Hintergrund des Standes der Technik
Das wachsende Interesse an umweltfreundlichen Energiequellen hat zum Gebrauch von photoelektrischen Wandlungselementen geführt, wie z.B. Solarzellen. Unter diesen wurden kommerziell verfügbare, siliziumbasierte Solarzellen als Sonnendächer von Fahrzeugen benutzt. Diese siliziumbasierten Solarzellen besitzen jedoch aufgrund ihrer Lichtundurchlässigkeit und hoher Kosten eine sehr begrenzte Verwendung.
Farbstoffsensibilisierte Solarzellen, welche die Vermarktung erreichen, haben die Aufmerksamkeit als eine Alternative auf sich gezogen, und dadurch hat die Forschung Fortschritte gemacht, um die Farbstoff-sensibilisierten Solarzellen in verschiedenen Bereichen, wie z.B. in Fahrzeugen oder in BIPV (Building Integrated Photovoltaics bzw. Gebäude-intergrierter Photovoltaik) anzuwenden.
Im Allgemeinen beinhaltet eine Farbstoff-sensibilisierte Solarzelle eine Arbeitselektrode und eine Gegenelektrode, welche miteinander in Verbindung stehen. Ein I^-/I₃ ^--basierter Elektrolyt wird zwischen die Arbeitselektrode und die Gegenelektrode injiziert. Die Arbeitselektrode beinhaltet ein transparentes leitendes Substrat und ein Halbleiteroxid, welches mit einem Film auf dem transparent leitenden Substrat beschichtet ist. Der Halbleiteroxidfilm ist aus TiO₂ gebildet, angelagert mit einem Ru-basierten Farbstoff. Die Gegenelektrode ist mit einer katalytischen Elektrode beschichtet, wobei Pt benutzt wird.
Durch die Vorteile, wie z.B. niedrige Herstellkosten, das Bilden von transparenten leitenden Substraten und verschiedene Designs bzw. Gestaltungen, haben die Farbstoff-sensibilisierten Solarzellen an Popularität gewonnen, und ihre Anwendungen haben sich ausgeweitet, wobei Farbstoff-sensibilisierte Solarzellen für Dächer oder Fenster von Gebäuden beinhaltet sind. Es gab auch einen Versuch, die Sonnendächer von Fahrzeugen mit Farbstoff-sensibilisierten Solarzellen zu ersetzen.
Die meisten der Farbstoff-sensibilisierten Solarzellmodule bestehen aus flachen Typen (z.B. aus ebenen), und demnach ist es schwierig, solche Flachtyp-Farbstoff-sensibilisierten Solarzellmodule bei gebogenen Oberflächen anzuwenden, wie z.B. den Sonnendächern von Fahrzeugen. Deshalb gibt es eine Notwendigkeit für das Entwickeln von gebogenen Farbstoff-sensibilisierten Solarzellmodulen, welche z.B. an gebogenen Oberflächen angewendet werden können.
Beispielsweise wird in der japanischen Patentanmeldung JP 2007- 26 883 A , welche hier als Referenz eingearbeitet ist, ein Verfahren zur Herstellung einer Farbstoff-sensibilisierten Solarzelle beschrieben, wobei ein Glassubstrat benutzt wird, welches eine dreidimensionale gebogene Form besitzt, und die Anwendung desselben für Glasdächer, Rückfenster oder Türglas. In dem beschriebenen Verfahren werden zwei Flachtyp-Glassubstrate zuerst für eine Arbeitselektrode und eine Gegenelektrode vorbereitet, und dann werden sie bei einer Temperatur so gebogen, dass sie eine gebogene Form besitzen. Die gebogenen Glassubstrate werden mit TiO₂ durch elektrolytische Abscheidung bzw. Galvanisierung beschichtet.
Das beschriebene Verfahren ist jedoch nachteilig darin, dass der transparente Elektrodenfilm beschädigt werden kann oder eine innewohnende Charakteristik des benutzten Glases verloren gehen kann, während die Glassubstrate gebogen werden.
Außerdem können die Arbeitselektrode und die Gegenelektrode, welche durch Benutzen des beschriebenen Verfahrens gebildet sind, unterschiedliche Formen zueinander besitzen. Beispielsweise kann eine der Arbeits- und Gegenelektroden eine konkave Form besitzen und die andere besitzt eine konvexe Form. Dann können die zwei Elektroden nicht vollständig zueinander in Verbindung gebracht werden.
Außerdem ist es, wenn die elektrolytische Abscheidung für das Bilden des TiO₂-Elektrodenfilm auf den gebogenen leitenden Substraten benutzt wird, schwierig, den Betrag an Galvanisierungslösung und die Bedingungen für die Galvanisierung einzustellen, wie z.B. die angewendete Spannung oder die Galvanisierungszeit.
Daher besteht weiterhin eine Notwendigkeit, eine nicht ebene oder gebogene Farbstoff-sensibilisierte Solarzelle bereitzustellen, welche für nicht ebene oder gebogene Strukturen geeignet ist, wie z.B. für Sonnendächer oder Panorama-Sonnendächer von Fahrzeugen. Es gibt auch weiterhin eine Notwendigkeit für Verfahren der Herstellung derartiger nicht ebener oder gebogener Farbstoff-sensibilisierter Solarzellen.
Die DE 10 2009 012 545 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer farbstoffsensibilisierten Solarzelle, bei dem eine Glasfrittenzusammensetzung mit einem niedrigen Schmelzpunkt und eine fotohärtbare Harzzusammensetzung verwendet wird. Die DE 35 38 986 A1 offenbart einen Solargenerator, der als gewölbter Verbund mit zumindest eindimensional gebogenen Solarzellen ausgeführt ist. Die US 6 715 415 B2 betrifft ein Siebdruckverfahren und eine Vorrichtung, die einen konstanten Angriffswinkel zwischen Rakel und Maskierungsplatte bewerkstelligen können. Die US 2010 / 0 141 729 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer permanenten Markierung in einem optischen Element, das im Wesentlichen aus einem Material besteht, das im sichtbaren Spektralbereitch transparent ist.
Die obige Information, welche in diesem Hintergrundabschnitt veröffentlicht ist, dient nur der Erhöhung des Verständnisses des Hintergrundes der Erfindung, und sie kann deshalb Information beinhalten, welche nicht den Stand der Technik bildet, welcher bereits in diesem Land für einen Fachmann bekannt ist.
Zusammenfassung der Veröffentlichung
Beschrieben ist ein Verfahren des Herstellens einer nicht ebenen Farbstoff-sensibilisierten Solarzelle dargeboten. Ein derartiges Verfahren beinhaltet das Bereitstellen eines ersten nicht ebenen Substrates und eines zweiten nicht ebenen Substrates, wobei jedes der ersten und zweiten nicht ebenen Substrate so angeordnet sind, dass sie komplementäre gegenüberliegende Oberflächen zueinander zu besitzen. Ein derartiges Verfahren beinhaltet ferner das Bilden eines nicht ebenen leitenden Substrates als eine Arbeitselektrode und das Bilden eines zweiten nicht ebenen leitenden Substrates als eine Gegenelektrode. Derartiges Bilden beinhaltet das Beschichten der gegenüberliegenden Oberflächen des ersten nicht planaren Substrates mit einem leitenden Film, um so ein nicht ebenes leitendes Substrat zu erzielen, und das Beschichten der gegenüberliegenden Oberfläche des zweiten nicht ebenen leitenden Substrates mit einem anderen leitenden Film, um so ein zweites nicht ebenes leitendes Substrat zu erzielen.
Ein derartiges Bilden beinhaltet ferner: (a) das Beschichten jedes des ersten und zweiten nicht ebenen leitenden Substrates mit einer Metallelektrode und einem Schutzfilm, (b) das Beschichten des ersten nicht ebenen leitenden Substrates mit einem Halbleiteroxid-Elektrodenfilm und Anlagern eines Farbstoffs in dem Halbleiteroxid-Elektrodenfilm und (c) das Beschichten des zweiten nicht ebenen leitenden Substrates mit einer katalytischen Elektrode.
Ein derartiges Verfahren beinhaltet ferner das In-Verbindung-Bringen der Arbeitselektrode mit der Gegenelektrode; und das Injizieren bzw. Einspritzen eines Elektrolyten zwischen der Arbeitselektrode und der Gegenelektrode.
Die nicht ebenen Substrate können präpariert sein, indem eine aus einer Anzahl von Fachleuten bekannten Techniken benutzt wird, welche andererseits für die vorliegende Erfindung geeignet ist. Jedes der nicht ebenen Substrate kann präpariert sein, wobei Spritzgießen benutzt wird, so dass die sich gegenüberliegenden Oberflächen eine gewünschte, vorher festgelegte Form oder Konfiguration besitzen, wie z.B. eine gebogene Form, welche eine vorher festgelegte Krümmungsrate bzw. ein vorher festgelegtes Krümmungsmaß besitzt.
Jedes der nicht ebenen Substrate kann eine erste Oberflächenkonfiguration besitzen, welche einer gegenüberliegenden horizontalen Oberflächenkonfiguration eines Teiles eines Fahrzeugs entspricht, an welchem die Solarzelle anzuwenden ist, und eine zweite Oberflächenkonfiguration entsprechend einer gegenüberliegenden vertikalen Oberflächenkonfiguration des Bereiches des Fahrzeugs. Die gegenüberliegenden Oberflächen können gebogen bzw. gekrümmt sein, so dass jedes der gekrümmten Substrate eine erste Krümmung besitzt, welche gleich einer horizontalen Krümmung des Bereichs des Fahrzeugs ist, und eine zweite Krümmung, welche gleich zu einer vertikalen Krümmung des Bereichs des Fahrzeugs ist. Jedes der nicht ebenen oder gekrümmten Substrate kann die gleiche Krümmung oder Oberflächenkonfiguration wie die eines Sonnendaches oder eines Panoramafenster des Fahrzeugs besitzen.
Derartige Verfahren können außerdem das Liefern einer Einspannvorrichtung, welche die gleiche Konfiguration oder Krümmung besitzt wie die der nicht ebenen oder gekrümmten Substrate und welche in einer Beschichtungsmaschine für die nicht ebenen oder gekrümmten Substrate befestigt ist, beinhalten. Die Einspannvorrichtung ist ferner so angeordnet, dass der Abstand zwischen einer Quelle für das Aufbringen der Beschichtungsmaschine und der gegenüberliegenden Oberfläche der nicht ebenen oder gekrümmten Substrate bei regelmäßigen Intervallen bzw. Abständen konstant beibehalten wird, um einen Elektrodenfilm zu beschichten, welcher eine gleichmäßige Dicke aufweist, wobei die gekrümmten Substrate durch die Einspannvorrichtung gehalten werden.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren dargestellt, wobei ein derartiges Verfahren für das Herstellen einer gekrümmten Farbstoff-sensibilisierten Solarzelle ist, welches das Präparieren/Vorbereiten bzw. Bereitstellen von zwei gekrümmten Substraten, wobei jedes eine Krümmung besitzt, und das Bilden eines ersten gekrümmten leitenden Substrates für eine Arbeitselektrode durch das Beschichten eines leitenden Films auf einer konkaven Oberfläche auf einem der gekrümmten Substrate und eines zweiten gekrümmten leitenden Substrates für eine Gegenelektrode durch das Beschichten eines leitenden Films auf einer konvexen Oberfläche des anderen gekrümmten Substrates aufweist, wobei das Beschichten mit einem leitenden Film mittels Elektrosprayverfahren, Spray-Druckverfahren, TintenstrahlDruckverfahren, MOCVD-Verfahren oder CVD-Verfahren durchgeführt wird. Derartige Verfahren beinhalten das Beschichten einer Metallelektrode und eines Schutzfilms auf jedem der ersten und zweiten gekrümmten leitenden Substrate, wobei die Arbeitselektrode durch Beschichten eines Halbleiteroxid-Elektrodenfilms auf einer konkaven Oberfläche des ersten gekrümmten leitenden Substrates und durch das Anlagern eines Farbstoffs in dem Halbleiteroxid-Elektrodenfilm gebildet wird, und das Bilden der Gegenelektrode durch das Beschichten einer katalytischen Elektrode auf einer konvexen Oberfläche des zweiten leitenden Substrates gebildet wird. Derartige Verfahren beinhalten ferner das In-Verbindung-Bringen der Arbeitselektrode mit der Gegenelektrode und das Injizieren eines Elektrolyten zwischen der Arbeitselektrode und der Gegenelektrode. Erfindungsgemäß ist eine Einspannvorrichtung, welche die gleiche Krümmung besitzt wie eine Krümmung der gekrümmten Substrate, in einer Beschichtungsmaschine für ein gekrümmtes Substrat befestigt, wobei der Abstand zwischen einer Quelle für die Ablagerung bzw. das Aufbringen der Beschichtungsmaschine und den gekrümmten Substraten in gleichmäßigen Zwischenräumen konstant beibehalten wird, um einen Elektrodenfilm zu beschichten, welcher eine gleichmäßige Dicke besitzt, wobei die gekrümmten Substrate durch die Einspannvorrichtung gehalten werden, wobei ein vorher festgelegter Abstand zwischen den gekrümmten Substraten und einer Ablagerungsquelle der Beschichtungsmaschine beibehalten wird, wobei ein Motor benutzt wird, um die Mobilität der Ablagerungsquelle zu liefern, um den vorher festgelegten Abstand aufrechtzuerhalten, wobei der Motor an der Einspannvorrichtung befestigt ist, um die gekrümmten Substrate zu bewegen.
In weiteren Ausführungsformen beinhaltet das derartige Liefern das Vorbereiten jeder der gekrümmten Substrate, wobei irgendeine Anzahl von Techniken benutzt wird, welche Fachleuten bekannt ist. In einer beispielhaften Ausführungsform wird jedes der gekrümmten Substrate durch Spritzgießen präpariert, um so einen vorher festgelegten Krümmungsgrad zu besitzen.
In noch weiteren Ausführungsformen besitzt jedes der gekrümmten Substrate eine erste Krümmung gleich einer horizontalen Krümmung eines Bereiches eines Fahrzeugs, an welchem die Solarzelle angewendet wird, und eine zweite Krümmung gleich zu einer vertikalen Krümmung des Bereiches des Fahrzeugs.
In noch weiteren Ausführungsformen ist jedes der gekrümmten Substrate konfiguriert, um so die gleiche Krümmung wie die eines Sonnendaches oder eines Panoramafensters eines Fahrzeugs zu besitzen.
In noch weiteren Ausführungsformen beinhalten derartige Verfahren der vorliegenden Erfindung das Liefern einer Einspannvorrichtung, welche die gleiche Konfiguration oder Krümmung besitzt wie die der gekrümmten Substrate, welche in einer Beschichtungsmaschine für ein gekrümmtes Substrat montiert ist. Eine derartige Einspannvorrichtung ist erfindungsgemäß in der ersten Alternative so konfiguriert, dass der Abstand zwischen einer Quelle für das Aufbringen bzw. die Beschichtung der Beschichtungsmaschine und der gegenüberliegenden Oberfläche der gekrümmten Substrate konstant in gleichmäßigen Intervallen bzw. Abständen beibehalten wird, um einen Elektrodenfilm aufzutragen, welcher eine gleichmäßige Dicke besitzt, wobei die gekrümmten Substrate durch die Einspannvorrichtung gehalten werden.
In noch weiteren Ausführungsformen beinhalten derartige Verfahren außerdem das Liefern einer Pressformmaschine, welche die gleiche Krümmung besitzt wie eine Krümmung der gekrümmten Substrate oder die Oberflächenanordnung für nicht ebene Substrate. Erfindungsgemäß ist die Pressformmaschine in der zweiten Alternative in einem Siebdrucker für ein gekrümmtes Substrat befestigt, um einen Elektrodenfilm, welcher eine gleichmäßige Dicke besitzt, auf den nicht ebenen/gekrümmten Substraten aufzutragen, wobei die Beschichtung bzw. das Auftragen durchgeführt wird, während eine Spannung einer Platte für das Siebdrucken eingestellt wird.
In weiteren Ausführungsformen beinhalten derartige Verfahren einen Vorbehandlungsschritt, welcher an dem Halbleiteroxid-Elektrodenfilm des ersten leitenden Substrates durchgeführt wird, wobei eine Titan-Tetrachlorid-basierte Komponente einer Titan-Alkalioxid-basierten Komponente benutzt wird.
In noch weiteren Ausführungsformen sind die leitenden Filme, die Metallelektroden, die Schutzfilme, der Halbleiteroxid-Elektrodenfilm und der katalytische Film so beschichtet bzw. aufgetragen, dass sie eine gleichmäßige Dicke besitzen, wobei ein Verfahren verwendet wird, welches aus der Gruppe ausgewählt wird, welche aus Bildschirmdruckverfahren, Elektrosprayverfahren, Spray-Druckverfahren, TintenstrahlDruckverfahren, MOCVD-Verfahren und CVD-Verfahren besteht.
In noch weiteren Ausführungsformen kann ein Farbglas und ein durchsichtiger Farbfilm an einer konvexen Oberflächen des ersten gekrümmten leitenden Substrates und einer konkaven Oberfläche des zweiten gekrümmten leitenden Substrates befestigt werden, um die ausführende Wirkung zu erhöhen. Im Falle von nicht ebenen Substraten kann entweder ein Farbglas oder ein durchsichtiger Farbfilm an einer gegenüberliegenden Oberfläche des ersten leitenden Substrats und an einer gegenüberliegenden Oberfläche des zweiten leitenden Substrates befestigt werden, um die verzierende Wirkung zu erhöhen.
In noch weiteren Ausführungsformen ist ein Reflexionsfilm an einer konkaven Oberfläche der zweiten gekrümmten leitenden Oberfläche befestigt, um den Wirkungsgrad zu erhöhen. In ähnlicher Weise kann ein derartiger Reflexionsfilm an einer gegenüberliegenden Oberfläche des ersten leitenden Substrates und einer gegenüberliegenden Oberfläche des zweiten leitenden Substrates befestigt werden.
In noch weiteren Ausführungsformen ist eine Kondensorlinse auf einer konvexen Oberfläche des ersten gekrümmten Substrates oder an einer Außenoberfläche des ersten leitenden nicht ebenen Substrates befestigt, um den Wirkungsgrad zu erhöhen.
Entsprechend zu den oben beschriebenen Gesichtspunkten und/oder Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann eine Farbstoff-sensibilisierte Solarzelle hergestellt werden, welche geringe Herstellkosten besitzt und welche für gekrümmte oder nicht ebene Strukturen geeignet ist, wie z.B. für allgemeine Sonnendächer oder Panorama-Sonnendächer von Fahrzeugen. Eine derartige Farbstoff-sensibilisierte Solarzelle der vorliegenden Erfindung ist auch für verschiedene Zwecke anwendbar, wie z.B. bei BIPC, Fahrzeugen oder elektronischen Anwendungen.
Es ist davon auszugehen, dass der Term „Fahrzeug“ oder „fahrzeugartig“ oder andere ähnliche Terme, wie sie hier benutzt werden, Motorfahrzeuge im Allgemeinen einschließt, wie z.B. Fahrgastautomobile, wobei Fahrzeuge für die Sportanwendung (SUV), Omnibusse, Lastwagen, verschiedene kommerzielle Fahrzeuge, Wasserkraftfahrzeuge, welche eine Vielzahl von Booten und Schiffen und Ähnliches beinhalten, und Hybridfahrzeuge, elektrische Fahrzeuge, Stecker-Hybridfahrzeuge, Wasserstoffangetriebene Fahrzeuge und andere Fahrzeuge mit alternativem Kraftstoff (z.B. Kraftstoffen, welche von anderen Quellen als Öl abgeleitet sind) beinhalten.
Es ist davon auszugehen, dass der Term „nicht ebenes Substrat“ eine Substratkonfiguration beschreibt, bei welcher das Substrat eine dreidimensionale Form besitzt. Ein gekrümmtes Substrat beschreibt im Allgemeinen ein nicht ebenes Substrat, welches in wenigstens einer Richtung gebogen bzw. gekrümmt ist (z.B. gekrümmt um die lange Achse des Substrates), jedoch kann ein derartiges gekrümmtes Substrat sowohl um die lange als auch die kurze Achse gekrümmt sein.
Andere Gesichtspunkte und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden hier beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die obigen und anderen Merkmale der vorliegenden Erfindung werden nun im Detail mit Bezug auf die folgende detaillierte Beschreibung beschrieben, welche in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gegeben wird, welche hier nachfolgend nur anhand der Erläuterung gegeben werden, und welche damit nicht eingrenzend für die vorliegende Erfindung sind, wobei ähnliche Referenzzeichen entsprechende Teile in den jeweiligen Ansichten bezeichnen und wobei:

1 eine schematische Ansicht ist, welche schematisch eine allgemeine Farbstoff-sensibilisierte Solarzelle darstellt;
2 eine erläuternde Ansicht ist, welche den Ablauf und die diesbezügliche Struktur eines Verfahrens des Herstellens einer nicht ebenen/gekrümmten Farbstoff-sensibilisierten Solarzelle entsprechend der vorliegenden Erfindung darstellt;
3(a) eine erläuternde Ansicht ist, welche eine Oberfläche eines flachen leitenden Substrates darstellt, welches einen FTO-(SnO₂:F-)transparenten leitenden Film besitzt, welcher kommerziell von Pilkington Corporation erhältlich ist;
3(b) eine erläuternde Ansicht ist, welche ein SEM-Bild eines gekrümmten leitenden Substrates darstellt, welches entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt ist;
4 eine erläuternde Ansicht ist, welche das Platzieren einer nicht ebenen/gekrümmten Farbstoff-sensibilisierten Solarzelle entsprechend der vorliegenden Erfindung über einem Sonnendach zeigt, wobei das nicht ebene/gekrümmte Substrat mit einem TiO₂-Muster gedruckt ist, welches eine vorher festgelegte Dicke besitzt, entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 eine erläuternde Ansicht ist, welche einen TiO₂-Elektrodenfilm zeigt, welcher auf einem nicht ebenen/gekrümmten leitenden Substrat beschichtet bzw. aufgebracht ist, entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 eine erläuternde Ansicht ist, welche ein nicht ebenes/gekrümmtes Farbstoff-sensibilisiertes Solarzellenmodul zeigt, welches entsprechend der vorliegenden Erfindung hergestellt ist;
7(a), (b) verschiedene erläuternde Ansichten einer beispielhaften gekrümmten Farbstoff-sensibilisierten Solarzelle sind, welche entsprechend der vorliegenden Erfindung hergestellt ist;
8(a), (b) verschiedene Querschnittsansichten sind, welche eine nicht ebene/gekrümmte Farbstoff-sensibilisierte Solarzelle entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt; und
9 eine Querschnittsansicht ist, welche eine andere nicht ebene/gekrümmte Farbstoff-sensibilisierte Solarzelle entsprechend der vorliegenden Erfindung darstellt.

Detaillierte Beschreibung
In Gesichtspunkten/Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden Verfahren dargestellt/bereitgestellt, um eine nicht ebene Farbstoff-sensibilisierte Solarzelle herzustellen. Beschrieben ist das Liefern eines ersten nicht ebenen Substrates und eines zweiten nicht ebenen Substrates, wobei jedes der ersten und zweiten nicht ebenen Substrate so angeordnet ist, um komplementäre gegenüberliegende Oberflächen zueinander zu besitzen. Erfindungsgemäß sind derartige nicht ebene Substrate gekrümmte Substrate. Derartige Verfahren beinhalten das Bilden eines nicht ebenen leitenden Substrates als eine Arbeitselektrode und das Bilden eines zweiten nicht ebenen leitenden Substrates als eine Gegenelektrode. Derartiges Bilden beinhaltet das Beschichten der gegenüberliegenden Oberfläche des ersten nicht ebenen Substrates mit einem leitenden Film, um so ein erstes nicht ebenes leitendes Substrat zu erzielen, und das Beschichten der gegenüberliegenden Oberfläche des zweiten nicht ebenen leitenden Substrates mit einem anderen leitenden Film, um so ein zweites nicht ebenes leitendes Substrat zu erzielen.
Derartiges Bilden beinhaltet ferner: (a) Beschichten jedes der ersten und zweiten nicht ebenen leitenden Substrate mit einer Metallelektrode und einem Schutzfilm, (b) Beschichten des ersten nicht ebenen leitenden Substrates mit einem Halbleiteroxid-Elektrodenfilm und Anlagern eines Farbstoffes in dem Halbleiteroxid-Elektrodenfilm und (c) Beschichten des zweiten nicht ebenen leitenden Substrates mit einer katalytischen Elektrode.
Derartige Verfahren beinhalten das In-Verbindung-Bringen der Arbeitselektrode mit der Gegenelektrode; und Injizieren bzw. Einspritzen eines Elektrolyten zwischen der Arbeitselektrode und der Gegenelektrode.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die nicht ebenen Substrate präpariert, wobei eine beliebige Anzahl von Techniken benutzt wird, welche Fachleuten bekannt ist und anderenfalls für die vorliegende Erfindung geeignet ist. In einer beispielhaften Ausführungsform ist jedes der nicht ebenen Substrate präpariert, wobei Spritzgießen benutzt wird, so dass die gegenüberliegenden Oberflächen eine vorher festgelegte gewünschte Form oder Konfiguration besitzen, wie beispielsweise eine gekrümmte Form, welche einen vorher festgelegten Krümmungsgrad besitzt.
In weiteren Ausführungsformen besitzt jedes der nicht ebenen Substrate eine erste Oberflächenkonfiguration, welche einer gegenüberliegenden horizontalen Oberflächenkonfiguration eines Bereichs eines Fahrzeugs entspricht, auf welchem die Solarzelle anzuwenden ist, und eine zweite Oberflächenkonfiguration, welche einer gegenüberliegenden vertikalen Oberflächenkonfiguration des Bereiches des Fahrzeugs entspricht. In beispielhaften Ausführungsformen sind die gegenüberliegenden Oberflächen des Fahrzeugs gekrümmt, und so besitzt jedes der gekrümmten Substrate eine erste Krümmung gleich einer horizontalen Krümmung des Bereiches des Fahrzeuges und eine zweite Krümmung gleich einer vertikalen Krümmung des Bereiches des Fahrzeuges.
In noch weiteren Ausführungsformen besitzt jedes der nicht ebenen/gekrümmten Substrate die gleiche Krümmung oder Oberflächenkonfiguration wie die eines Sonnendaches oder eines Panoramadaches des Fahrzeugs.
In noch weiteren Ausführungsformen beinhalten derartige Verfahren außerdem das Liefern einer Einspannvorrichtung, welche die gleiche Konfiguration oder Krümmung besitzt wie die der nicht ebenen oder gekrümmten Substrate. Erfindungsgemäß ist diese in einer Beschichtungsmaschine für die nicht ebenen oder gekrümmten Substrate befestigt. Die Einspannvorrichtung ist außerdem so angeordnet, dass der Abstand zwischen einer Quelle für das Ablagern bzw. Aufbringen der Beschichtungsmaschine und die gegenüberliegende Oberfläche der nicht ebenen oder gekrümmten Substrate konstant in regelmäßigen Intervallen bzw. Abständen beibehalten wird, um einen Elektrodenfilm zu beschichten bzw. aufzubringen, welcher eine gleichmäßige Dicke besitzt, wobei die gekrümmten Substrate durch die Einspannvorrichtung gehalten werden.
Die Gesichtspunkte/Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung liefern ein Verfahren des Herstellens eines nicht ebenen/gekrümmten Farbstoff-sensibilisierten Solarzellen-Moduls, welches für die Anwendung an gekrümmten Strukturen geeignet ist, wie z.B. allgemeinen Sonnendächern oder Panorama-Sonnendächern.
Derartige nicht ebene/gekrümmte Glassubstrate werden so hergestellt, dass sie die gleiche Krümmung der Oberflächenkonfiguration besitzen wie die einer Struktur, auf welche das Solarzellenmodul angewendet wird, wie beispielsweise auf einem allgemeinen oder Panorama-Sonnendach, und eine Arbeitselektrode und eine Gegenelektrode sind gebildet, wobei die gekrümmten Glassubstrate genutzt werden. Die Arbeits- und Gegenelektroden werden zueinander in Verbindung gebracht, um so eine gekrümmte Farbstoff-sensibilisierte Solarzelle zu vollenden.
Ein Sonnendach besitzt typischerweise unterschiedliche Krümmungen R1 und R2 in lateraler und longitudinaler Richtung. Ein nicht ebenes gekrümmtes Substrat wird hergestellt, so dass es unterschiedliche Krümmungen R1 und R2 in lateraler und longitudinaler Richtung besitzt, und dann wird das gekrümmte Substrat mit einem leitenden Film beschichtet, indem ein Elektrosprayverfahren, Spray-Druckverfahren, TintenstrahlDruckverfahren, MOCVD-Verfahren oder CVD-Verfahren durchgeführt wird.
Eine Arbeitselektrode wird durch Ausbilden eines TiO₂-Elektrodenfilms gebildet, welcher mit einem Farbstoff auf dem nicht ebenen/gekrümmten leitenden Substrat angelagert ist, und eine Gegenelektrode wird durch Beschichten einer katalytischen Platinelektrode auf dem nicht ebenen/gekrümmten leitenden Substrat hergestellt. Die Arbeitselektrode und die Gegenelektrode werden miteinander in Verbindung gebracht, so dass damit ein nicht ebenes/gekrümmtes Farbstoff-sensibilisiertes Solarzellenmodul vollendet wird.
Ein Verfahren des Herstellens des nicht ebenen/gekrümmten Farbstoff-sensibilisierten Solarzellenmoduls wird in größerem Detail nachfolgend beschrieben. Um gekrümmte Substrate 10 und 20 herzustellen, welche zwei Krümmungen R1 und R2 besitzen, wird zuerst eine Einspannvorrichtung hergestellt, welche die gleichen Krümmungen oder ein Oberflächenprofil oder eine Konfiguration besitzt, wie jene einer Struktur, wie z.B. eines allgemeinen oder Panorama-Sonnendaches für Fahrzeuge, auf welchem das Solarzellenmodul angewendet wird (hier nachfolgend als eine „Zielstruktur“ bezeichnet). Dann werden die gekrümmten Substrate, welche zwei Krümmungen R1 und R2 besitzen, durch das Anwenden der Einspannvorrichtung an einem Glasmaterial gebildet. Entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die gekrümmten Substrate durch Biegen eines flachen Substrates hergestellt werden, so dass dies schließlich zu den zwei Krümmungen führt.
Ein FTO-leitender Film 12, welcher eine gleichmäßige Dicke besitzt, wird auf einer konkaven Oberfläche auf einem der gekrümmten Substrate 10 und 20 aufgebracht, z.B. dem gekrümmten Substrat 10, um eine gekrümmte leitende Oberfläche für eine Arbeitselektrode herzustellen, und ein leitender Film 22 wird auf einer konvexen Oberfläche des anderen gekrümmten Substrates, z.B. dem gekrümmten Substrat 20, aufgebracht, um ein gekrümmtes leitendes Substrat für eine Gegenelektrode herzustellen.
Entsprechend dem Material der gekrümmten Substrate 10 und 20 wird in weiteren Ausführungsformen ein Barrierefilm aus Siliciumdioxid auf dem gekrümmten Substrat 10 und 20 gebildet, bevor das FTO beschichtet wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die gekrümmten leitenden Substrate nach dem Bilden der leitenden Filme 12 und 22 auf den gekrümmten Substraten 10 und 20 der Bemusterung der leitenden Filme 12 und 22 unterzogen, indem ein Laserschreibgerät benutzt wird.
Für das gleichmäßige Bemustern der leitenden Filme 12 und 22 besitzt das Laserschreibgerät eine Einspannvorrichtung, welche einen vorher festgelegten Zwischenraum bzw. Abstand zwischen einem Laserteil und den gekrümmten leitenden Substraten beibehält.
In weiteren Ausführungsformen stützt die Einspannvorrichtung die Unterstützung der gekrümmten leitenden Substrate, so dass diese ohne Schwimmen bzw. Gleiten aufsitzen, da sie die gleichen Krümmungen wie die gekrümmten Substrate 10 und 20 besitzen.
Die gekrümmten leitenden Substrate bewegen sich entlang der X- und Y-Achsen, während sie in der Einspannvorrichtung bemustert werden, und das Laserteil bewegt sich entlang der X-, Y- und Z-Achsen (d.h. dreidimensional), wobei ein Laserstrahl emittiert wird, so dass die leitenden Filme 12 und 22, welche ein gleichförmiges Muster besitzen, auf den gekrümmten Substraten 10 und 20 gebildet werden, wodurch die gekrümmten leitenden Substrate hergestellt werden, welche ein gleichmäßiges Muster besitzen.
In weiteren Ausführungsformen wird das gekrümmte leitende Substrat für eine Arbeitselektrode einer Vorbehandlung unterworfen, wobei eine auf Titaniumtetrachlorid basierte oder eine auf Titan-Alkoxide-basierte Komponente, wie z.B. Titan-Isopropoxid, Titan-Propoxid, Titan (IV)-Butoxid, etc. benutzt wird. Entsprechend einer Ausführungsform kann ein Tauchverfahren oder Sprühbeschichten angewendet werden, um einen gleichmäßigen Film zu erzeugen.
Als Nächstes wird Siebdrucken oder Tintenstrahldrucken benutzt, um die Metallelektroden 14 und 24 (z.B. Silberelektroden) zu bilden. Berücksichtigt man die Krümmungen der gekrümmten leitenden Substrate, wird ein Werkzeug für das Druckverfahren benutzt, welches das Drucken auf einer gekrümmten Oberfläche durchführen kann, und demnach können die Metallelektroden hergestellt werden, welche die gleiche Gleichförmigkeit wie die besitzen, welche im Falle des Bildens von Metallelektroden auf flachen Substraten erreichbar ist.
Das Werkzeug, welches das Drucken auf gekrümmten Oberflächen durchführen kann, bezieht sich auf Werkzeuge oder Maschinen, wie sie entsprechend dem Stand der Technik bekannt sind oder hiernachfolgend entwickelt sind, welche einen Beschichtungsprozess auf einer gekrümmten Oberfläche durchführen können, während sie sich entlang der gekrümmten Oberfläche bewegen, und können beliebige Beschichtungsglieder beinhalten, welche einen Beschichtungsprozess entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durchführen können, wie z.B., jedoch nicht begrenzt darauf, einen Siebdrucker für gekrümmte Substrate, eine Tintenstrahldrucker für gekrümmte Substrate oder einen Sprühbeschichter für gekrümmte Oberflächen.
In weiteren Ausführungsformen werden die Metallelektroden 14 und 24 getrocknet und gesintert, und Glasfritte bzw. Glasurmasse wird auf die gesinterten Metallelektroden beschichtet bzw. aufgetragen, um damit Metallelektroden-Schutzfilme 16 und 26 zu bilden. Die Glasurmasse kann die Metallelektroden 14 und 24 ausreichend bedecken. Die Glasurmasse kann auf das gekrümmte leitende Substrat gedruckt werden, wobei das gleiche Verfahren (z.B. Siebdruckverfahren oder Tintenstrahldruckverfahren) benutzt wird wie das für die Metallelektroden 14 und 24.
Die Schutzfilme 16 und 26 zum Schutz der Metallelektroden 14 und 24 können gebildet werden, indem ein UV-Aushärtungsmittel anstatt der Glasurmasse benutzt wird.
In weiteren Ausführungsformen und innerhalb der gekrümmten Substrate 10 und 22, welche mit den Metallelektroden-Schutzfilmen 16 und 26 beschichtet sind, wird das gekrümmte Substrat 10 einer Vorbehandlung für einen Halbleiteroxid-Elektrodenfilm 18 unterzogen und wird dann mit dem Halbleiteroxid-Elektrodenfilm 18 beschichtet, wobei TiO₂ benutzt wird.
In weiteren Ausführungsformen wird ein Siebdruckverfahren benutzt, um den Halbleiteroxid-Elektrodenfilm 18 zu bilden. Nach dem Maskieren der Metallelektrode 14 und des Metallelektroden-Schutzfilmes 16 wird ein Aufsprühprozess durchgeführt, um einen TiO₂-Halbleiteroxid-Elektrodenfilm 18 zu bilden. Die TiO₂-Partikel, welche jeweils einen Durchmesser von 10 bis 20 nm besitzen, werden im Allgemeinen benutzt, um eine durchsichtige Farbstoff-sensibilisierte Solarzelle herzustellen. Entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform, für die TiO₂-Partikel für eine streuende Schicht, besitzt jedes Partikel einen Durchmesser, welcher von 400 nm bis 500 nm reicht und kann auch benutzt werden, um einen erhöhten Wirkungsgrad und bessere Ausgestaltung zu erhalten.
Der Halbleiteroxid-Elektrodenfilm 18 (z.B. TiO₂-Elektrodenfilm) kann eine Dicke von 10 bis 20 um besitzen. Die Dicke des Halbleiteroxid-Elektrodenfilms 18 kann abhängig von der Viskosität der TiO₂-Paste, der Dicke einer Platte, welche für das Siebdrucken benutzt wird, oder der wiederholten Anzahl von mehrmaligen Beschichtungen variiert werden.
Während des Bildens der leitenden Filme 12 und 22, der Metallelektroden 14 und 24, der Metallelektroden-Schutzfilme 16 und 26, des Halbleiteroxid-Elektrodenfilms 18 und der katalytischen Elektrode 28 auf den gekrümmten Substraten, wobei beispielsweise ein Beschichter für flache Substrate benutzt wird, kann ein Unterschied in der Dicke zwischen einem Randbereich und einem Zentralbereich aufgrund der Krümmung der gekrümmten Substrate 10 und 20 auftreten, so dass dadurch die Filmgleichmäßigkeit erniedrigt wird. Um gleichmäßig die Filme zu bilden, wird ein Beschichtungsprozess durch einen Beschichtgerät durchgeführt, welches mit einer Einspannvorrichtung befestigt ist, welche die gleiche Krümmung wie die der gekrümmten Substrate 10 und 20 aufweist. Ein vorher festgelegter Abstand zwischen den gekrümmten Substraten und einer Ablagerungsquelle eines Beschichtgerätes für gekrümmte Substrate (welche Einrichtungen sind, um ein Beschichtungsmaterial auf einer Beschichtungsoberfläche abzulagern, wie z.B. eine Spritzpistole oder ein Zerstäubungs-Target bzw. -Kathode) beibehalten, wobei die gekrümmten Substrate 10 und 20 durch die Einspannvorrichtung gehalten werden.
Ein Motor wird benutzt, um die Mobilität bzw. Beweglichkeit der Ablagerungsquelle zu liefern, um den vorher festgelegten Abstand aufrechtzuerhalten. Der Motor ist an der Einspannvorrichtung befestigt (welche die gleiche Krümmung wie die der gekrümmten Substrate besitzt, wie oben beschrieben), um die gekrümmten Substrate zu bewegen. Es sollte erkannt werden, dass eine beliebige Anzahl von Techniken und/oder Einrichtungen oder Geräten, welche Fachleuten bekannt sind oder hier nachfolgend entwickelt sind, welche die Bewegung der Ablagerungsquelle steuern können oder welche für eine derartige Anwendung geeignet sind, für den Gebrauch in der vorliegenden Erfindung in Betracht gezogen werden können.
Ein Einspritzloch für das Injizieren eines Elektrolyten wird in dem leitenden Substrat für die Gegenelektrode gebildet, wobei ein Lasergerät benutzt wird, wie z.B. ein Laserschreibgerät, bevor eine katalytische Elektrode 28 (z.B. eine Platinelektrode) beschichtet wird. Als Nächstes wird das leitende Substrat für die Gegenelektrode einem Siebdruck oder einem Sprühprozess unterzogen, um die katalytische Elektrode 28 zu bilden, und wird dann einer thermischen Behandlung unterzogen.
Nach dem Präparieren der Arbeitselektrode und der Gegenelektrode wird der Halbleiteroxid-Elektrodenfilm 18 für die Arbeitselektrode in N719-Farbstoff für ungefähr 24 Stunden imprägniert bzw. eingetaucht, so dass sich der Farbstoff an dem Halbleiteroxid-Elektrodenfilm 18 anlagern kann. Obwohl der N719-Farbstoff benutzt wurde, um Violett darzustellen, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt, und andere Farbstoffe, welche für die beabsichtigte Verwendung geeignet sind, können in der vorliegenden Erfindung benutzt werden. Entsprechend einer Ausführungsform können verschiedene Arten von Farbstoffen, wie z.B. ein organisches Pigment, und organische Farbstoffe, wie z.B. Schwarz, benutzt werden.
Danach wird der Halbleiteroxid-Elektrodenfilm 18, an welchen sich der Farbstoff angelagert hat, mit einer Waschlösung, wie z.B. Ethanol, gewaschen. Dann werden die Arbeitselektrode und die Gegenelektrode miteinander in Verbindung gebracht, wobei ein UV-Aushärtemittel bzw. -Vernetzungsmittel oder ein SURLYN™-Band benutzt wird. Danach wird ein Elektrolyt in das Modul eingespritzt.
Der Elektrolyt wird durch das Einspritzloch mit einer Injektionsspritze eingespritzt, und dann wird das Einspritzloch versiegelt, um zu verhindern, dass der Elektrolyt austritt, wie dies in den 2 und 6 gezeigt wird. Das Material, welches das Loch versiegelt, ist irgendeines aus der Anzahl von Materialien, welche Fachleuten bekannt ist und welches anderenfalls für die beabsichtigte Verwendung geeignet ist.
In weiteren Ausführungsformen können verschiedene farbige organische Farbstoffe, wie z.B. auf Ru-basierende organische Farbstoffe, in Bezug auf die ausschmückende bzw. verzierende Gestaltung benutzt werden. In noch weiteren Ausführungsformen können verschiedene Arten von Farbglas oder durchsichtigen Farbfilmen benutzt werden, um diese der Farbe eines Fahrzeugs anzupassen, an welchem die Solarzelle angewendet wird.
Wie in 8 gezeigt wird, kann Farbglas oder ein durchlässiger Farbfilm an einer konvexen Oberfläche des gekrümmten Substrates 10 für die Arbeitselektrode und eine konkave Oberfläche des gekrümmten Substrates 20 für die Gegenelektrode befestigt werden, um eine zusätzliche Farbe zu liefern, um damit Farbstoff-sensibilisierte Solarzellen verschiedener Farben zu gestatten.
Entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist Farbglas oder ein durchsichtiger Farbfilm nur an einer einer konvexen Oberfläche des gekrümmten Substrates 10 für die Arbeitselektrode und an einer konkaven Oberfläche des gekrümmten Substrates 20 für die Gegenelektrode befestigt.
8(a) stellt ein Beispiel dar, wo das Farbglas auf einer Außenoberfläche eines Fahrzeugs befestigt ist. In diesem Fall, wenn man den Wirkungsgrad der Farbstoff-sensibilisierten Solarzelle betrachtet, werden die Farbe und die Helligkeit des Farbglases ausgesucht, um nicht das einfallende Licht zu blockieren.
8(b) stellt ein Beispiel dar, wo das Farbglas auf einer Innenoberfläche eines Fahrzeugs befestigt ist. In diesem Fall kann externes Licht in das Fahrzeug eindringen, ungeachtet des Vorhandenseins des Farbglases, und demnach kann ein Benutzer Farbglas einer gewünschten Farbe auswählen, ohne auf ein Farbglas begrenzt zu sein, welches eine spezielle Farbe oder Helligkeit besitzt.
9 ist eine erläuternde Ansicht, welche eine weitere Ausführungsform darstellt, in welcher die Kondensorlinsen an einem gekrümmten Farbstoff-sensibilisierten Solarzellenmodul angewendet werden. Mit Bezug auf 9 sind die Kondensorlinsen auf einer konvexen Oberfläche des gekrümmten Substrates 10 für die Arbeitselektrode befestigt, so dass damit der Wirkungsgrad des Moduls erhöht wird.
In weiteren Ausführungsformen kann das Schutzglas das Schützen des gekrümmten Substrates 10 für die Arbeitselektrode zuerst an der konvexen Oberfläche des gekrümmten Substrates 10 für die Arbeitselektrode befestigt werden, bevor die Kondensorlinsen befestigt werden.
In weiteren Ausführungsformen sind die gekrümmten Substrate auf einem allgemeinen, auf Kalknatron basierten Glasmaterial hergestellt oder durch Einfügen eines Glassubstrates zwischen den getemperten Glasplatten hergestellt, um die Altersbeständigkeit zu erhöhen. In beispielhaften Ausführungsformen sind die gekrümmten Substrate aus dünnem Filmglas oder getempertem Glas hergestellt, entsprechend der gewünschten Anwendung.
In noch weiteren Ausführungsformen kann ein durchlässiger dünner Film, welche aus Silber- oder Gold-Nanopartikeln gebildet ist, deren Durchmesser von 1 nm bis 10 nm reicht, benutzt werden, indem ein Tintenstrahldruck- oder Tampondruckverfahren für die Metallelektroden benutzt werden kann, um zu verhindern, dass die vorhandene Erfindung auf ein spezielles Design begrenzt ist.
In beispielhaften Ausführungsformen können die leitenden Filme 12 und 22 aus einem leitenden hochmolekularen Material hergestellt sein, wie z.B. CNT (Carbon-Nanotube), Graphen, PEDOT (Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)poly(styrene sulfonate).
In weiteren Ausführungsformen kann auch eine ionische Flüssigkeit oder ein Polymerelektrolyt in die Solarzelle eingespritzt werden, um die Alterungsbeständigkeit der Solarzelle zu erhöhen.
In noch weiteren Ausführungsformen kann das Farbstoffsensibilisierte Solarzellenmodul an der Zielstruktur über ein Abdichtungsmittel befestigt werden, und dann kann das Abdichtungsmittel ferner entlang der äußeren Peripherie des Zellenmoduls angewendet werden, um damit die Alterungsbeständigkeit zu erhöhen.
In noch weiteren Ausführungsformen wird ein reflektierender Film, wie er Fachleuten bekannt ist und für die beabsichtigte Verwendung geeignet ist, an der Gegenelektrode angewendet werden, um den Wirkungsgrad der gekrümmten Farbstoff-sensibilisierten Solarzelle zu erhöhen.
In weiteren Ausführungsformen kann der reflektierende Film an einer konkaven Oberfläche des gekrümmten Substrates befestigt sein, welches auf der Innenseite des Fahrzeugs positioniert ist, d.h. das gekrümmte Substrat 20 für die Gegenelektrode. Der reflektierende Film kann auch so ausgewählt werden, dass er Licht reflektiert, welches sequenziell durch die Arbeitselektrode und die Gegenelektrode in Richtung der Innenseite des Fahrzeugs läuft, so dass damit der Wirkungsgrad erhöht wird.
In weiteren Ausführungsformen kann Funktionsglas, z.B. Glas zum Blocken von UV-Strahlen, um zu verhindern, dass die Temperatur im Fahrzeug ansteigt, reflektierendes Glas oder Glas zur Verhinderung von Geräuschen, an einer Elektrode, z.B. der Gegenelektrode, angewendet werden, welche innerhalb des Fahrzeugs positioniert ist oder welches nicht direkt externes Licht empfängt, innerhalb eines Bereiches des Nicht-Erniedrigens des Wirkungsgrades der Solarzelle.
In weiteren Ausführungsformen können verschiedene Funktionsglassubstrate (z.B. ein Glassubstrat, welches eine Wasserabperlfunktion besitzt) zusätzlich an einer Elektrode befestigt werden, welche außerhalb des Fahrzeugs positioniert ist oder direkt externes Licht empfängt, wie z.B. die Arbeitselektrode, oder das gekrümmte Substrat kann aus einem funktionellen Glassubstrat gebildet sein.
In noch weiteren Ausführungsformen wird eine gekrümmte Farbstoff-sensibilisierte Solarzelle zuerst hergestellt und dann zwischen getemperte Glassubstrate in Schichten gelegt und kann dann beispielsweise für ein Sonnendach oder ein Panoramadach eines Fahrzeugs angewendet werden.
Die gekrümmte Farbstoff-sensibilisierte Solarzelle entsprechend der vorliegenden Erfindung kann an einem Sonnendach oder einem Panoramadach für ein Fahrzeug angewendet werden, um Elektrizität aus Sonnenlicht herzustellen oder um eine verzierende Wirkung zu liefern.
Ein erläuternder Prozess des Herstellens eines gekrümmten Farbstoff-sensibilisierten Solarzellenmoduls entsprechend den Beispielen der vorliegenden Erfindung wird nun beschrieben.
Beispiele
Um ein gekrümmtes Substrat herzustellen, wurde eine Form für Spritzgießen präpariert, welche die gleiche Krümmung besitzt, wie die eines Sonnendaches eines ausgewählten Fahrzeugs. Zwei gekrümmte Substrate, welche die gleiche Krümmung wie die des Sonnendaches und eine Abmessung von 300 × 300 mm² besitzen, wurden unter Benutzung der Gussform hergestellt. Dann wurde unerwünschtes Material durch einen Waschprozess entfernt. Ein FTO-leitender Film wurde auf je einer konkaven Oberfläche der gekrümmten Substrate und einer konvexen Oberfläche des anderen gekrümmten Substrates beschichtet, wobei SPD (Spray Pyrolysis Deposition bzw. Sprüh-Pyrolyse-Ablagerung) benutzt wurde, unter Beachtung, dass ein Halbleiteroxid-Elektrodenfilm später mit einer katalytischen Elektrode in Verbindung gebracht würde (siehe 2(a)).
3(b) zeigt ein SEM-Bild (Partikelgröße von 70 bis 400 nm) eines gekrümmten leitenden Substrates, welches durch Beschichten eines FTO-Films auf dem gekrümmten Substrat erhalten wird, und, als ein Arbeitsmuster zum Vergleich, zeigt 3(a) ein in breitem Maße benutztes, flaches leitendes Substrat (Partikelgröße von 70 bis 500 nm, welches kommerziell von Pilkington Corporation erhältlich ist), welches auf einem FTO-leitenden Film gebildet ist.
Eine mit einem Farbstoff sensibilisierte Solarzellen-Einheitszelle, welche eine Abmessung von 25 mm² besitzt, wurde hergestellt, indem das gekrümmte leitende Substrat, welches so gebildet ist, benutzt wird, und dann wurde ein Leistungstest durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass eine optische Spannung 0,73 V betrug, ein optischer Strom 14,3 mA/cm² betrug, der FF (Füllfaktor) 59,5 war und ein photoelektrischer Wandlungswirkungsgrad 6,2% war.
Diese Ergebnisse sind nahezu gleich zu jenen, welche durch eine Farbstoff-sensibilisierte Solarzellen-Einheitszelle erhalten werden, welche ein flaches leitendes Substrat benutzt, beispielsweise eine optische Spannung von 0,72 V, einen optischen Strom von 13,8 mA/cm², einen FF von 62,8 und einen photoelektrischen Wandlungswirkungsgrad von 6,3%. Es wurde evaluiert, dass die Leistungsfähigkeit des gekrümmten leitenden Substrats, wie z.B. die Durchlässigkeit, die Milchigkeit oder die Leitfähigkeit, für das Herstellen einer Farbstoff-sensibilisierten Solarzelle geeignet ist.
Das gekrümmte leitende Substrat, welches eine konkave Oberfläche besitzt, welche mit dem leitenden Film beschichtet ist, wurde für eine Arbeitselektrode benutzt. Eine Vorbehandlung wurde auf dem gekrümmten leitenden Substrat durchgeführt, indem TiCl₄ benutzt wurde, um damit einen dünnen TiO₂-Film zu erzeugen. Als Nächstes wurde eine Silberelektrode auf jedem der zwei gekrümmten leitenden Substrate (2(b)) beschichtet, bzw. aufgebracht und dann wurde eine Silberelektroden-Schutzschicht auf der Silberelektrode unter Benutzung einer Glasur (2(c)) beschichtet bzw. aufgebracht.
Danach wurde TiO₂ auf dem gekrümmten leitenden Substrat aufgebracht, welches durch das Beschichten des leitenden Films auf dem konkaven Film erhalten wurde, um dadurch einen TiO₂-Elektrodenfilm zu bilden, welcher eine Dicke von 15 um hat, und eine Platinelektrode wurde auf dem gekrümmten leitenden Substrat aufgebracht, welche durch Beschichten des leitenden Films auf der konvexen Oberfläche erhalten wurde (siehe 2(d)).
Vor dem Beschichten der Platinelektrode wurde ein Einspritzloch in dem gekrümmten leitenden Substrat gebildet, welches durch Beschichten des leitenden Substrats auf der konvexen Oberfläche erhalten wurde.
Ein Siebdruckverfahren für gekrümmte Oberflächen und ein Siebdruckgerät für gekrümmte Substrate wurden benutzt, um die Silberelektrode, den Silberelektroden-Schutzfilm (Glasur), den TiO₂-Elektrodenfilm und die Platinelektrode zu bilden. Um einen Film gleichmäßig zu beschichten bzw. aufzubringen, wobei das Siebdruckverfahren benutzt wird, wurde eine Einspannvorrichtung präpariert, welche die gleiche Krümmung wie die der gekrümmten Substrate besitzt. Während die Spannung der Platte für das Silbersiebdrucken eingestellt wurde, wurden die Elektrodenfilme, welche die Silberelektrode beinhalten, der Silberelektroden-Schutzfilm, der TiO₂-Elektrodenfilm und die Platinelektrode auf dem gekrümmten Substrat beschichtet, um so eine gleichmäßige Dicke durch ein Siebdruckgerät für gekrümmte Substrate zu besitzen, welche eine Pressformmaschine mit der gleichen Krümmung wie die des gekrümmten Substrates besitzt, wobei das gekrümmte Substrat durch die Einspannvorrichtung gehalten wurde.

Die TiO₂-Paste wurde auf ein gekrümmtes Substrat aufgebracht, welches eine Abmessung von 300 × 300 mm² besitzt. Ein Ergebnis zeigte, dass ein TiO₂-Muster von einer gleichmäßigen Dicke gedruckt wurde. 4 stellt dar, dass das gekrümmte Substrat, welches mit der TiO₂-Paste gedruckt wurde, welche die gleichmäßige Dicke besitzt, auf einem Sonnendach angeordnet ist. Es kann daraus ersehen werden, dass das gekrümmte Substrat für das Sonnendach passt. [Tabelle 1]

Dicke des TiO₂-Elektrodenfilms	(a)	(b)	(c)	Variation in der Dicke
Gemessen durch herkömmliches Siebdruckverfahren	12 um	15 um	12 um	Konkaves Teil ist um ungefähr 3 um bezüglich zur konkaven Oberfläche dicker als die Seitenberei che
Gemessen durch Siebdruckverfahren für gekrümmtes Beschichten (gleiches Sprühdruckverfahren)	10 um	10 um	10 um	Herstellen der Elektroden mit gleicher Dicke

Tabelle 1 zeigt die Dicken des TiO₂-Elektrodenfilms bei verschiedenen Positionen auf einer konkaven Oberfläche des gekrümmten leitenden Substrats, welches in 5 gezeigt wird.
Im Falle des Benutzens eines herkömmlichen Siebdruckgerätes für das Beschichten des flachen Substrates trat eine Dickendifferenz von ungefähr 3 um oder mehr zwischen einem mittleren Bereich und einem Seitenbereich aufgrund der Krümmung des gekrümmten Substrates auf. Jedoch in dem Fall des Benutzens des Siebdruckgerätes für das Beschichten des gekrümmten Substrates entsprechend den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung könnte der TiO₂-Elektrodenfilm so beschichtet werden, dass er eine konstante Dicke besitzt.
Ein Farbstoff wurde in dem erzeugten TiO₂-Elektrodenfilm durch einen bestehenden Prozess (siehe 2(e)) angelagert, und dann wurden die Arbeitselektrode und die Gegenelektrode miteinander in Verbindung gebracht, indem SURLYN™ benutzt wurde (siehe 2(f)).
Ein Elektrolyt wurde in das Modul durch die Einspritzöffnung injiziert, welche in dem gekrümmten Substrat der Gegenelektrode gebildet ist (siehe 2(g)), und dann wurde das Einspritzloch versiegelt, so dass damit ein gekrümmter Farbstoff-sensibilisierter Solarzellenmodul vollendet war (2(h)).
Durch die damit hergestellte gekrümmte Farbstoff-sensibilisierte Solarzelle wurden im Falle der Aperturfläche eine offene Spannung (Voc) von 0,65 V, eine Kurzschlussspannung (Jsc) von 6,6 mA, ein FF von 53,5 und ein photoelektrischer Wandlungswirkungsgrad von 2,30% in einem Modul erhalten, welches eine Abmessung von 100 cm² hatte. Diese Ergebnisse zeigten, dass die gekrümmte Farbstoff-sensibilisierte Solarzelle als eine Farbstoff-sensibilisierte Solarzelle nützlich ist.
Das Bilden eines Filmes, welcher eine gleichmäßige Dicke auf dem gekrümmten Substrat besitzt, kann auch durch Verändern der Form der Pressformmaschine erreicht werden, so dass sie den gleichen Radius wie die Krümmung des gekrümmten Substrates besitzt, oder durch Verändern der Spannung der Platte zum Siebdrucken, ebenso wie durch geeignetes Bewegen der Einspannvorrichtung, welche in dem Siebdruckgerät befestigt ist, für das Beschichten des gekrümmten Substrates.
Beim Verbinden der Arbeitselektrode und der Gegenelektrode können die Arbeitselektrode und die Gegenelektrode zueinander anders als durch ein SURLYN-Band während des Erwärmens in Verbindung der Arbeits- und Gegenelektroden gebracht werden, oder durch eine UV-Aushärtemaschine, wobei die Arbeits- und Gegenelektroden, welche durch die Einspannvorrichtung gehalten werden, welche die gleiche Krümmung besitzt, wie die des gekrümmten Substrates und welches aus einem Material hergestellt sein kann, welches exzellente thermische Übertragungscharakteristika besitzt.
Ein Aushärtemittel kann gleichmäßig an den gekrümmten Elektrodenmodulen (Arbeitselektrode und Gegenelektrode) durch die UV-Aushärtemaschine angewendet werden und gleichmäßig dem Licht offengelegt werden, indem die Elektrodenmodule bewegt werden, wobei eine Einspannvorrichtung benutzt wird, welche die gleiche Krümmung wie die des gekrümmten Substrates besitzt, oder durch Bewegen der Einspannvorrichtung entlang der gekrümmten Oberfläche der Elektrodenmodule.
7 zeigt Ansichten, welche Beispiele einer gekrümmten Farbstoff-sensibilisierten Solarzelle darstellen, welche unter Benutzen eines gekrümmten Substrates entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, wobei 7A darstellt, dass die gekrümmte Farbstoff-sensibilisierte Solarzelle auf einer gekrümmten Glasplatte platziert ist (beispielsweise der gleichen gekrümmten Glasplatte wie die, welche in 4 gezeigt wird), und 7B ist eine andere Darstellung der gekrümmten Farbstoff-sensibilisierten Solarzelle.
Wie oben beschrieben wurde, werden in der vorliegenden Erfindung die nicht ebenen und/oder gekrümmten Substrate zuerst hergestellt, und dann wird eine gekrümmte Farbstoff-sensibilisierte Solarzelle hergestellt, indem die nicht ebenen/gekrümmten Substrate benutzt werden. Die nicht ebene/gekrümmte Farbstoff-sensibilisierte Solarzelle, welche so hergestellt wurde, zeigt ähnliche photoelektrische Wandlungseffekte gegenüber jenen, welche durch eine flache Farbstoff-sensibilisierte Solarzelle erreicht werden.
Die nicht ebene/gekrümmte Farbstoff-sensibilisierte Solarzelle der vorliegenden Erfindung kann an einem Sonnendach oder einem Panoramafenster für Fahrzeuge angewendet werden, ohne die ausschmückende bzw. verzierende Wirkung zu stören. Entsprechend einer Ausführungsform kann die nicht ebene/gekrümmte Farbstoff-sensibilisierte Solarzelle auch an gekrümmtem Glas für Fahrzeuge angewendet werden, z.B. Türglas oder einem Windabweiser bzw. -schutzschild.
Die Beschichtungsfilme, wie z.B. die leitenden Filme 12 und 22, die Metallelektroden 14 und 24, die Metallelektroden-Schutzfilme 16 und 26, der Halbleiteroxid-Elektrodenfilm 18 und die katalytische Elektrode 28 können auf den nicht ebenen/gekrümmten Substraten 10 und 20 aufgebracht werden, wobei ein Siebdruckverfahren, ein Elektrosprühverfahren, ein Sprühdruckverfahren, ein Tintenstrahldruckverfahren, MOCVD oder CVD benutzt werden.
Um eine gleichmäßige Dicke für jeden der Filme sicherzustellen, kann eine Einspannvorrichtung, welche die gleiche Krümmung besitzt wie die des gekrümmten Substrates, an jeder der Beschichtungsmaschinen befestigt werden. Es wird ein Motor in der Beschichtungsmaschine montiert, um die Einspannvorrichtung geringfügig in X-, Y- und Z-Richtung zu bewegen, um einen konstanten Abstand zwischen den Elektroden aufrechtzuerhalten, wobei der Motor an der Einspannvorrichtung befestigt ist, um die gekrümmten Substrate zu bewegen.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer gekrümmten Farbstoffsensibilisierten Solarzelle, umfassend: Vorbereiten bzw. Bereitstellen von zwei gekrümmten Substraten (10; 20), wobei jedes eine Krümmung besitzt; Bilden eines ersten gekrümmten leitenden Substrates für eine Arbeitselektrode durch Beschichten bzw. Aufbringen eines leitenden Films (12) auf einer konkaven Oberfläche auf einem der gekrümmten Substrate (10) und einem zweiten gekrümmten leitenden Substrat für eine Gegen-elektrode durch Aufbringen eines leitenden Films (22) auf einer konvexen Oberfläche des anderen gekrümmten Substrates (20), wobei das Beschichten mit einem leitenden Film mittels Elektrosprayverfahren, Spray-Druckverfahren, TintenstrahlDruckverfahren, MOCVD-Verfahren oder CVD-Verfahren durchgeführt wird; Beschichten einer Metallelektrode (14; 24) und eines Schutzfilms (16; 26) auf jedem der ersten und zweiten gekrümmten leitenden Substrate; Bilden der Arbeitselektrode durch Beschichten eines Halbleiteroxid-Elektrodenfilms (18) auf einer konkaven Oberfläche des ersten gekrümmten leitenden Substrates und durch Anlagern eines Farbstoffes in dem Halbleiteroxid-Elektrodenfilm (18); Bilden der Gegenelektrode durch Beschichten einer katalytischen Elektrode (28) auf einer konvexen Oberfläche des zweiten gekrümmten leitenden Substrates; und In-Verbindung-Bringen der Arbeitselektrode mit der Gegenelektrode und Einspritzen eines Elektrolyten zwischen die Arbeitselektrode und die Gegenelektrode, wobei eine Einspannvorrichtung, welche die gleiche Krümmung besitzt wie eine Krümmung der gekrümmten Substrate (10; 20), in einer Beschichtungsmaschine für ein gekrümmtes Substrat befestigt ist, wobei der Abstand zwischen einer Quelle für die Ablagerung bzw. das Aufbringen der Beschichtungsmaschine und den gekrümmten Substraten (10; 20) in gleichmäßigen Zwischenräumen konstant beibehalten wird, um einen Elektrodenfilm zu beschichten, welcher eine gleichmäßige Dicke besitzt, wobei die gekrümmten Substrate (10; 20) durch die Einspannvorrichtung gehalten werden, wobei ein vorher festgelegter Abstand zwischen den gekrümmten Substraten (10; 20) und einer Ablagerungsquelle der Beschichtungsmaschine beibehalten wird, wobei ein Motor benutzt wird, um die Mobilität der Ablagerungsquelle zu liefern, um den vorher festgelegten Abstand aufrechtzuerhalten, wobei der Motor an der Einspannvorrichtung befestigt ist, um die gekrümmten Substrate (10; 20) zu bewegen, welches ferner aufweist: Bemustern der leitenden Filme (12; 22) der gekrümmten Substrate (10; 20), wobei eine Einspannvorrichtung in einer Laserschreibvorrichtung befestigt ist, um gleichmäßig die leitenden Filme (12; 22) zu bemustern, um den Abstand zwischen einem Laserteil und den gekrümmten leitenden Substraten in gleichmäßigen Zwischenräumen aufrechtzuerhalten.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei jedes der gekrümmten Substrate (10; 20) mit Hilfe von Spritzgießen präpariert bzw. vorbereitet ist, um einen vorher festgelegten Krümmungsgrad zu besitzen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei jedes der gekrümmten Substrate (10; 20) eine erste Krümmung, welche gleich zu einer horizontalen Krümmung eines Bereichs eines Fahrzeugs ist, auf welchem die Solarzelle angewendet wird, und eine zweite Krümmung, welche gleich zu einer vertikalen Krümmung des Bereiches des Fahrzeugs ist, besitzt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei jedes der gekrümmten Substrate (10; 20) die gleiche Krümmung besitzt wie eine Krümmung eines Sonnendaches oder eines Panoramafensters eines Fahrzeuges.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Vorbehandlung auf dem Halbleiteroxid-Elektrodenfilm (18) des ersten leitenden Substrates durchgeführt wird, wobei eine auf Titantetrachlorid basierte Verbindung oder eine auf Titanalkoxid basierte Verbindung benutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die leitenden Filme (12; 22), die Metallelektroden (14; 24), die Schutzfilme (16; 26), der Halbleiteroxid-Elektrodenfilm (18) und der katalytische Film beschichtet werden, so dass sie eine gleichmäßige Dicke besitzen, wobei ein Verfahren benutzt wird, welches aus der Gruppe gewählt wird, welche aus einem Siebdruckverfahren, einem Elektrosprühverfahren, einem Sprühdruckverfahren, einem Tintenstrahldruckverfahren, einem MOCVD-Verfahren und einem CVD-Verfahren besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei entweder ein Farbglas oder ein durchlässiger Farbfilm auf einer konvexen Oberfläche des ersten gekrümmten leitenden Substrates und einer konkaven Oberfläche des zweiten gekrümmten leitenden Substrates befestigt ist, um die ausschmückende Gestaltung zu erhöhen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Reflexionsfilm auf einer konkaven Oberfläche der zweiten gekrümmten leitenden Oberfläche befestigt ist, um den Wirkungsgrad zu erhöhen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Kondensorlinse auf einer konvexen Oberfläche des ersten gekrümmten Substrates befestigt ist, um den Wirkungsgrad zu erhöhen.
Gekrümmte Farbstoff-sensibilisierte Solarzelle, welche durch ein Verfahren eines der Ansprüche 1 bis 9 hergestellt ist.
Sonnendach für ein Fahrzeug, bei welchem die gekrümmte Farbstoff-sensibilisierte Solarzelle nach Anspruch 10 angewendet wird.
Panoramadach für ein Fahrzeug, wobei die gekrümmte Farbstoff-sensibilisierte Solarzelle nach Anspruch 10 angewendet wird.
Glas für ein Fahrzeug, wobei die gekrümmte Farbstoffsensibilisierte Solarzelle des Anspruchs 10 angewendet wird.