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HINTERGRUND
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(a) Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein farbstoffsensibilisiertes Solarzellenmodul und ein Verfahren zur Herstellung desselben. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein farbstoffsensibilisiertes Solarzellenmodul, das die Paneelleistung und den Paneelwirkungsgrad verbessert, indem die effektive Zellenfläche wie die Fläche der Photoelektroden bezogen auf die Paneelfläche eines zusammengebauten Paneels im Vergleich zum Stand der Technik vergrößert wird, und ein Verfahren zur Herstellung desselben.
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Zum Stand der Technik kann auf die
JP 2009 - 289 571 A und
JP 2002 - 94 087 A verwiesen werden.
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(b) Hintergrundtechnik
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Seit einigen Jahren entwickeln sich mit der Verschärfung des Problems der Erderwärmung Technologien zur Nutzung umweltfreundlicher Energien. Von diesen ist das umweltfreundlichste Gebiet das Gebiet der Solarzellen, das eine neue und erneuerbare Energie nutzt. Bei Solarzellen kann es sich um Silizium-Solarzellen, Dünnfilm-Solarzellen (bei denen anorganische Materialien wie CIGS, Cu(InGa)Se2 (Kupfer-Indiumgalliumselenid) und CdTe (Cadmiumtellurid) verwendet werden), farbstoffsensibilisiertes Solarzellen, organische Solarzellen und organisch-anorganische Hybrid-Solarzellen handeln.
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Von diesen Solarzellentypen werden Silizium-Solarzellen bereits in weitem Umfang kommerziell für verschiedene Anwendungen wie Häuser und Industrieanlagen genutzt, aber ihr Preis und die Installationskosten sind für eine Verwendung bei Produkten wie Fahrzeuge und Maschinen unverhältnismäßig hoch.
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Dagegen sind farbstoffsensibilisierte Solarzellen im Vergleich zu Silizium--Solarzellen niedrigpreisig und können halbtransparente oder andere verschiedene Ausführungen haben. Derartige farbstoffsensibilisierten Solarzellen können nicht nur für Häuser verwendet werden, sondern auch wie Silizium-Solarzellen für gebäudeintegrierte Photovoltaik- (building integrated photovoltaic (BIPV)) Stromerzeugungssysteme und sind in verschiedenen Bereichen, einschließlich Industrieelektronik wie Haushaltsgeräte, tragbare elektronische Geräte und Fahrzeuge einsetzbar.
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Diese farbstoffsensibilisierten Solarzellensysteme enthalten typischerweise ein System zum Erzeugen von Elektrizität durch die Nutzung eines photoelektrischen Umwandlungsmechanismus. Dieser photoelektrische Umwandlungsmechanismus ist so konfiguriert, dass sichtbares Licht von einem Pigment auf Ru-Basis absorbiert wird, das an einer TiO2-Elektrode haftet, und dann zu einem Photostrom gewandelt wird.
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1 ist eine Schnittansicht eines herkömmlichen farbstoffsensibilisierten Solarzellenmoduls. Wie dargestellt enthält das farbstoffsensibilisierte Solarzellenmodul 1 eine Arbeitselektrode 10, auf der eine Photoelektrode 12 mit einem darauf haftenden Farbstoff aufliegt, eine Gegenelektrode 20, auf der eine katalytische Elektrode 22 aufliegt, und einen Elektrolyten 30, der in einen abgedichteten Raum zwischen der Arbeitselektrode 10 und der Gegenelektrode 20 gefüllt wird.
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Das beispielhafte farbstoffsensibilisierte Solarzellenmodul 1 enthält: eine Photoelektrode 12 (d. h. ein Halbleiter-Dickfilmoxid) wie eine TiO2-Elektrode, an der ein Farbstoff auf Ru-Basis, der Licht absorbieren kann, haftet, wobei die Photoelektrode 12 auf einem transparenten leitfähigen Substrat 11 einer Arbeitselektrode 10 aufliegt; eine katalytische Elektrode 22, die unter Verwendung von Platin (Pt) ausgebildet ist und auf einem transparenten leitfähigen Substrat 21 einer Gegenelektrode 20 aufliegt, und einen Elektrolyten 30 auf I-/I3 --Basis, mit dem ein Raum zwischen der Arbeitselektrode 10 und der Gegenelektrode 20 gefüllt ist, der durch ein Dichtmittel 31 abgedichtet ist, wobei die Arbeitselektrode 10 und die Gegenelektrode 20 miteinander verbunden sind.
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Im Innern des farbstoffsensibilisierten Solarzellenmoduls kann ein Kollektor ausgebildet sein, um die erforderliche elektrische Leistung zu gewinne, wenn das farbstoffsensibilisierte Solarzellenmodul angewendet wird, wodurch der Photostrom effektiv gesammelt werden kann. Der Gesamtwirkungsgrad einer farbstoffsensibilisierten Solarzelle wird außerdem durch die Größe des Kollektors und einer Photoelektrode einer Arbeitselektrode beeinflusst, wenn Module nach dem gleichen Prozess hergestellt werden. Demnach beeinflussen Aufbau, Form und Anordnung der Kollektoren den Gesamtwirkungsgrad des Systems. Somit ist ein Kollektor, der Photostrom sammeln kann, für eine Anwendung mit einer großen Oberfläche erforderlich.
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Dieser Kollektor kann Kollektorzellen enthalten, die von einem Schutzfilm einhüllt sind, und einen Kollektorbodenabschnitt, mit dem die Kollektorzellen verbunden sind. Das heißt, bei einem üblichen farbstoffsensibilisierten Solarzellenmodul mit einem Kollektor werden im Fall der Arbeitselektrode Silber-Kollektorzellen (nicht dargestellt) umhüllt von Schutzfilmen zwischen den TiO2-Photoelektroden 12 in einer linearen Anordnung auf dem transparenten leitfähigen Substrat 11 ausgebildet. Die Kollektorzellen erstrecken sich gestapelt zum Kollektorbodenabschnitt 13 entlang dem Umfang des transparenten leitfähigen Substrats 11 und sind miteinander integral verbunden.
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Auch bei der Gegenelektrode 20 sind ebenfalls dünne Kollektorzellen (nicht dargestellt) umhüllt von einem Schutzfilm zwischen den katalytischen Elektroden 22 ausgebildet, und die Kollektorzellen erstrecken sich gestapelt zum Kollektorbodenabschnitt 23 entlang dem Umfang des transparenten leitfähigen Substrats 21 und sind miteinander integral verbunden.
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Wie 1 zeigt, liegen die Kollektorbodenabschnitte 13 und 23 zur Außenseite des Moduls 10 bei den Elektroden 10 und 20 frei und fungieren als Elektrodenabschnitte, die benachbarte Module verbinden, wenn eine Solarzellenpaneel durch Verwendung einer Mehrzahl Solarzellenmodule 1 aufgebaut wird.
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Im Fall kleiner elektronischer Haushaltsgeräte ist ein einziges farbstoffsensibilisiertes Solarzellenmodul für dessen Anwendung ausreichend. Für ein Schiebedach oder ein Panoramadach eines Fahrzeugs, eines Hauses usw. mit einer großen Fläche sollten eine Mehrzahl farbstoffsensibilisierte Solarzellenmodule in Reihe oder parallel geschaltet werden, so dass sie großflächig eingesetzt werden können. Da ein Fenster eines Hauses einen Fensterrahmen hat, kann die Rahmenstruktur genutzt werden, wenn ein farbstoffsensibilisiertes Solarzellenmodul in das Fenster eingebaut wird. Es ist jedoch unmöglich, die gleiche Rahmenstruktur wie bei einem Haus für ein Schiebedach oder ein Panoramadach eines Fahrzeugs zu verwenden. Deshalb muss ein neues Verfahren zum Befestigen eines farbstoffsensibilisierten Solarzellenmoduls entwickelt werden.
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Beim oben beschriebenen farbstoffsensibilisierten Solarzellenmodul 1 sind eine Photoelektrode 12, ein Farbstoff, ein Elektrolyt 30 und eine katalytische Elektrode 22 zwischen transparenten leitfähigen Substraten 11 und 12 einer Arbeitselektrode 10 und einer Gegenelektrode 20 angeordnet. Bei der Herstellung eines solchen farbstoffsensibilisierten Solarzellenmoduls 1 wie in 1 dargestellt werden die Arbeitselektrode 10 und die Gegenelektrode 20 zuerst mittels eines Dichtmittels 31 miteinander verbunden, der Elektrolyt 30 wird durch eine Elektrolyten-Einspritzöffnung 24 an einer Seite der Arbeitselektrode 10 injiziert, und die Elektrolyten--Einspritzöffnung 24 wird mit einem Verschlussglas dicht verschlossen, womit das farbstoffsensibilisierte Solarzellenmodul 1 fertig gestellt ist.
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Nach der Einzelanfertigung wird eine Mehrzahl solcher farbstoffsensibilisierten Solarzellenmodule 1, die auf die oben beschriebene Weise hergestellt wurden, in Form eines Paneels angeordnet und die außerhalb der Module freiliegenden Elektrodenteile werden dann miteinander verbunden, um ein Solarzellenpaneel fertig zu stellen.
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2 ist eine Schnittansicht eines Paneels, das aus herkömmlichen farbstoffsensibilisierten Solarzellenmodulen aufgebaut ist, die die Verbindung zwischen den Modulen zeigt. Wie dargestellt liegen die Kollektorbodenabschnitte 13 und 23 außerhalb der farbstoffsensibilisierten Solarzellenmodule 1 frei. Wenn zwei benachbarte Module in Form eines Paneels angeordnet werden, werden die beiden Module 1 zusammengebaut, indem die freiliegenden Elektrodenabschnitte der Arbeitselektrode 10 und der Gegenelektrode 20 senkrecht miteinander in Eingriff gebracht werden, damit die Kollektorbodenabschnitte 13 und 23 der freiliegenden Elektrodenabschnitte miteinander in Kontakt kommen.
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Zum Verbinden der Elektrodenabschnitte benachbarter Module 1 miteinander wie oben beschrieben liegen die Elektrodenabschnitte oft an der Außenoberfläche der Module frei. Ferner sollten die Elektrodenabschnitte nicht miteinander verbunden werden, wenn die Außenumfänge der Arbeitselektrode 10 und der Gegenelektrode 20 in den Modulen so ausgerichtet sind, dass sie genau deckungsgleich sind. Stattdessen sollten die Elektrodenabschnitte miteinander verbunden werden, wenn die Außenkante der Gegenelektrode 20 und die Außenkante der Arbeitselektrode 10 von den entsprechenden Kanten gegenüberliegender Elektroden weiter entfernt positioniert sind, wie in 1 dargestellt ist.
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Mit anderen Worten, die Elektrodenabschnitte werden an der Stelle miteinander verbunden, wo sich die rechte Außenkante der Arbeitselektrode 10 an einer Position befindet, die weiter außerhalb der rechten Außenkante der Gegenelektrode 20 und die linke Außenkante der Gegenelektrode 20 weiter außerhalb der linken Außenkante der Arbeitselektrode 10 liegt.
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Wenn jedoch zwei Elektroden verbunden werden, die sich nicht vollständig überlappen wie oben beschrieben, sind die freiliegenden Abschnitte der Elektroden zerbrechlich und bedeuten für die Konstruktion Einschränkungen, so dass sich die Markfähigkeit verschlechtert.
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Genauer gesagt, wenn ein Solarzellenpaneel 100 wie in den 2 und 3 dargestellt aufgebaut wird, bei dem eine Mehrzahl Solarzellenmodule 1 verwendet wird, ist die Fläche der gesamten Paneelfläche, die von den freiliegenden Abschnitten der Elektroden eingenommen wird, umso größer, je kleiner die effektive Zellenfläche ist, etwa die Fläche der Photoelektroden. Aufgrund der Einschränkungen durch die freiliegende Elektrodenfläche auf die effektive Zellenfläche wie die Fläche der Photoelektroden in der gesamten Paneelfläche ist eine Steigerung der Leistung und des Wirkungsgrades des Paneels begrenzt.
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Außerdem erfordert die Ausbildung der Elektrolyten-Einspritzöffnung 24 an der Gegenelektrode 20 zum Injizieren des Elektrolyten einen zusätzlichen Arbeitsschritt zur Ausbildung der Einspritzöffnung. Zum Verschließen der Elektrolyten--Einspritzöffnung 24 müssen ein Verschlussglas 25 und ein Klebemittel wie Surlyn verwendet werden, wodurch die Herstellungskosten höher werden. Selbst wenn das Verschlussglas 25 mittels eines Klebemittels befestigt worden ist, kann das Verschlussglas 25 danach leicht von der Elektrolyten-Einspritzöffnung 24 entfernt werden.
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Im Ergebnis ist die herkömmliche Konstruktion mit konstruktionsbedingten Sicherheitsproblemen behaftet wie Elektrolytenleckage, und das Verschlussglas 25 auf der Elektrolyten-Einspritzöffnung 24 an der Außenoberfläche der Gegenelektrode 20 kann das Erscheinungsbild beeinträchtigen, wodurch sich Leistung und Marktfähigkeit des Systems verschlechtern.
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ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
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Die vorliegende Erfindung ist durch die unabhängigen Ansprüche definiert. Die vorliegende Erfindung stellt ein farbstoffsensibilisiertes Solarzellenmodul und ein Verfahren zur Herstellung desselben bereit, bei dem kein nach außen ragender Elektrodenabschnitt vorhanden ist, um den Bruch des Elektrodenteils zu vermeiden und die Konstruktion und Marktfähigkeit des Moduls zu verbessern.
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Außerdem stellt die vorliegende Erfindung ein farbstoffsensibilisiertes Solarzellenmodul und ein Verfahren zur Herstellung desselben bereit, das die Leistung und den Wirkungsgrad des Paneels verbessert, indem die effektive Zellenfläche wie die Oberfläche der Photoelektroden relativ zur Gesamtoberfläche des Paneels eines zusammengebauten Paneels im Vergleich zum Stand der Technik vergrößert wird.
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Außerdem stellt die vorliegende Erfindung ein farbstoffsensibilisiertes Solarzellenmodul und ein Verfahren zur Herstellung desselben bereit, das eine Elektrolyten-Einspritzöffnung an einer anderen Position hat, um die Sicherheit und Qualität des Moduls gegenüber der herkömmlichen Technik, bei der die Elektrolyten-Einspritzöffnung an der Gegenelektrode ausgebildet ist, insgesamt zu verbessern, und um die Konstruktion und Marktfähigkeit des Moduls zu verbessern.
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Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines farbstoffsensibilisierte Solarzellenmoduls, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Stapeln transparenter leitfähiger Materialschichten auf einem Glassubstrat, um ein transparentes leitfähiges Substrat für eine Arbeitselektrode und ein transparentes leitfähiges Substrat für eine Gegenelektrode herzustellen; Stapeln eines Kollektors und einer Photoelektrode auf dem transparenten leitfähigen Substrat für die Arbeitselektrode, um die Arbeitselektrode fertig zu stellen, und Stapeln eines Kollektors und einer katalytischen Elektrode auf dem transparenten leitfähigen Substrat für die Gegenelektrode, um die Gegenelektrode fertig zu stellen, wobei die Kollektoren der transparenten leitfähigen Substrate zu den Seitenoberflächen der transparenten leitfähigen Substrate nach oben geführt werden, um die Arbeitselektrode und die Gegenelektrode mit an den Seitenoberflächen der transparenten leitfähigen Substrate ausgebildeten Anschlussteilen fertig zu stellen; Verbinden der Kanten der Arbeitselektrode und der Gegenelektrode miteinander mittels eines Dichtmittels mit Ausnahme der Kantenabschnitte, wo eine Elektrolyten-Einspritzöffnung auszubilden ist; und Injizieren eines Elektrolyten durch die Elektrolyten-Einspritzöffnung in einen Raum zwischen der Arbeitselektrode und der Gegenelektrode und dann Abdichten der Elektrolyten-Einspritzöffnung durch ein Dichtmittel, um das farbstoffsensibilisierte Solarzellenmodul mit den nach außen freiliegenden Anschlussteilen fertig zu stellen, wobei die senkrechte Länge der Anschlussteile von den transparenten leitfähigen Substraten, auf denen die Kollektoren ausgebildet sind, bis zu den Enden der Anschlussteile kleiner als oder gleich 80% der Dicke der transparenten leitfähigen Substrate ist.
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Bei einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält das farbstoffsensibilisierte Solarzellenmodul: eine Arbeitselektrode, die durch Stapeln eines Kollektors und einer Photoelektrode, auf der ein Farbstoff haftet, auf einem transparenten leitfähigen Substrat ausgebildet wird; eine Gegenelektrode, die durch Stapeln eines Kollektors und einer katalytischen Elektrode auf einem transparenten leitfähigen Substrat ausgebildet wird; und einen Elektrolyten, der in einem Raum zwischen der Arbeitselektrode und der Gegenelektrode gefüllt wird, der durch ein Dichtmittel abgedichtet wird. Die Kollektoren haben Anschlussteile, die sich von den Kollektoren aus erstrecken. Diese Anschlussteile werden an Seitenoberflächen der transparenten leitfähigen Substrate der Arbeitselektrode und der Gegenelektrode ausgebildet.
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Deshalb ermöglichen Anschlussteile, die an Seitenoberflächen der Module ausgebildet sind, dass ein mit einem farbstoffsensibilisierten Solarzellenmodul und einem Verfahren zur Herstellung desselben gemäß der vorliegenden Erfindung ein Paneel aufgebaut werden kann, indem die Module einfach auf einer Ebene angeordnet und dann die Seitenoberflächen der Module miteinander verbunden werden, so keine nach außen vorstehenden Elektrodenabschnitte der Module vorhanden sind, um die effektive Zellenfläche zu vergrößern. Dadurch ermöglicht das Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die Leistung des Moduls und des Paneels zu verbessern, den Wirkungsgrad zu erhöhen und die Verbindung zwischen den Modulen zu vereinfachen.
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Ferner ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, alle der herkömmlichen Technik anhaftenden Probleme bedingt durch die nach außen ragenden Elektrodenabschnitte für die Verbindung der Module, die Bruch von Elektrodenteilen, die Verschlechterung der Konstruktion und der Marktfähigkeit umfassen, zu lösen.
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Außerdem wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine Elektrolyten--Einspritzöffnung an einer günstigeren Position durch ein verbessertes Verfahren ausgebildet, um die Sicherheit zu verbessern und eine Verschlechterung der Konstruktion und der Marktfähigkeit zu vermeiden.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die obigen und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsbeispiele, die in den beiliegenden Zeichnungen nur beispielhaft dargestellt sind, nachstehend ausführlich beschrieben und schränken somit die vorliegende Erfindung nicht ein; es zeigen:
- 1 eine Schnittansicht eines herkömmlichen farbstoffsensibilisierten Solarzellenmoduls;
- 2 eine Schnittansicht eines herkömmlichen farbstoffsensibilisierten Solarzellenpaneels;
- 3 eine Draufsicht eines Paneels, das aus herkömmlichen farbstoffsensibilisierten Solarzellenmodulen aufgebaut ist;
- 4 eine Schnittansicht eines farbstoffsensibilisierten Solarzellenmoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 5 eine perspektivische Ansicht eines farbstoffsensibilisierten Solarzellenmoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 6 eine Schnittansicht entlang der Linie A-A' in 5;
- 7 eine perspektivische Ansicht des farbstoffsensibilisierten Solarzellenmoduls von 5 in dem Zustand, in dem ein Elektrolyt in das farbstoffsensibilisierte Solarzellenmodul injiziert und eine Elektrolyten-Einspritzöffnung verschlossen worden ist;
- 8 eine Schnittansicht eines Paneels, das durch Verbinden zweier farbstoffsensibilisierter Solarzellenmodule gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist; und
- 9 eine Draufsicht eines Paneels, das aus farbstoffsensibilisierten Solarzellenmodulen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen ausführlich beschrieben, so dass der Fachmann, an den sich die Erfindung richtet, die vorliegende Erfindung auf einfache Weise verwirklichen kann.
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Es versteht sich, dass der Begriff „Fahrzeug“ oder „fahrzeugtechnisch“ oder andere ähnliche hierin verwendete Begriffe allgemein Kraftfahrzeuge betreffen, wie Personenkraftwagen, einschließlich Komfort-Geländewagen (sports utility vehicle; SUV), Busse, Lastkraftwagen, verschiedene Nutzfahrzeuge, Wassermotorfahrzeuge einschließlich verschiedene Boote und Schiffe, Luftfahrzeuge und dgl. und auch Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeuge (an der Steckdose aufladbar), Fahrzeuge mit Wasserstoffantrieb und andere Fahrzeuge für alternative Kraftstoffe (z. B. Kraftstoffe, die aus anderen Ressourcen als Erdöl gewonnen werden) umfasst.
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4 ist eine Schnittansicht eines farbstoffsensibilisierten Solarzellenmoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und 5 ist eine perspektivische Ansicht eines farbstoffsensibilisierten Solarzellenmoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einem Zustand, in dem eine Elektrolyten-Einspritzöffnung offen ist.
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Ferner ist 6 eine Schnittansicht entlang der Linie A-A' in 5, die die Lage der Elektrolyten-Einspritzöffnung zeigt, und 7 ist eine perspektivische Ansicht des farbstoffsensibilisierten Solarzellenmoduls von 5 in einem Zustand, in dem der Elektrolyt in das farbstoffsensibilisierte Solarzellenmodul injiziert und die Elektrolyten-Einspritzöffnung verschlossen worden ist.
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8 ist eine Schnittansicht eines Paneels, das durch Verbinden zweier farbstoffsensibilisierter Solarzellenmodule gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, und 9 ist eine Draufsicht eines Paneels, das aus farbstoffsensibilisierten Solarzellenmodulen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist.
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Wie in 4 dargestellt unterscheiden sich die meisten Elemente eines farbstoffsensibilisierten Solarzellenmoduls 1 gemäß der vorliegenden Erfindung nicht wesentlich von denen eines herkömmlichen Moduls. Das heißt, das farbstoffsensibilisierte Solarzellenmodul 1 enthält eine Arbeitselektrode 10, auf der eine Photoelektrode 12 mit darauf haftenden Farbstoff (z. B. ein Pigment auf Ru-Basis, das bereits allgemein bekannt ist) aufliegt, eine Gegenelektrode 20, auf der eine katalytische Elektrode 22 aufliegt und einen Elektrolyten 30, der in einen abgedichteten Raum zwischen der Arbeitselektrode 10 und der Gegenelektrode 20 gefüllt wird. Allerdings unterscheiden sich Ausbildung und Struktur sowie die Lage der Elektrolyten-Einspritzöffnung und der Prozess des Abdichtens der Elektrolyten-Einspritzöffnung wesentlich.
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Im Folgenden wird ein Prozess zur Herstellung eines Solarzellenmoduls beschrieben. Zuerst werden transparente leitfähige Substrate 11 und 21, die für die Arbeitselektrode 10 und die Gegenelektrode 20 verwendet werden, durch Stapeln transparenter Elektrodenmaterialien auf transparenten Substraten wie Glassubstraten hergestellt. Dabei können IZO (Indiumzinkoxid), ITO (Indiumzinnoxid) und AZO (aluminiumdotiertes Zinkoxid) sowie FTO (fluordotiertes Zinnoxid) als transparentes Elektrodenmaterial verwendet werden.
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Danach werden die transparenten leitfähigen Substrate 11 und 12 gewaschen und getrocknet und eine Kollektorzelle (nicht dargestellt) sowie Bodenabschnitte 13 und 23 mittels Siebdruck unter Verwendung einer bekannten Silberpaste ausgebildet und erneut getrocknet. Anschließend werden die Bodenabschnitte 13 und 23 in einem Sinterofen wärmebehandelt (z. B. bei einer Temperatur zwischen 500 und 550 °C), um formbar zu werden.
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Wenn die Kollektorzelle und die Bodenabschnitte 13 und 23 wie oben beschrieben ausgebildet worden sind, werden gemäß der vorliegenden Erfindung zusätzlich Anschlussteile 13a und 23a, die sich von den Kollektor-Bodenabschnitten 13 und 23 aus erstrecken und auf den transparenten leitfähigen Substraten 11 bzw. 21 aufliegen, ausgebildet. Gleichzeitig werden die Anschlussteile 13a und 23a an allen Seiten der transparenten leitfähigen Substrate 11 und 21, d. h. an allen Seiten des Solarzellenmoduls 1 ausgebildet und mit denen eines benachbarten Moduls verbunden, um ein Paneel aufzubauen.
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Die Anschlussteile 13a und 23a sind mit den Kollektor-Bodenabschnitten 13 bzw. 23 integral verbunden und jedes der Anschlussteile 13a und 23a entspricht einem Teil des Kollektors. Wenn das Modul 1 fertig gestellt worden ist, dient jedes der Anschlussteile 13a und 23a als ein Elektrodenabschnitt, der an einer Seite des Substrats (Modulseite) nach außen freiliegt und als externe Elektrode dient, die die elektrische Verbindung mit einem benachbarten Modul eines aus Modulen 1 aufgebauten Solarzellenpaneels 100 herstellt.
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Die Anschlussteile 13a und 23a ragen aus den Kollektor-Bodenabschnitten 13 und 23 heraus, die auf den oberen Oberflächen der transparenten leitfähigen Substrate 11 und 21 der Arbeitselektrode 10 bzw. der Gegenelektrode 20 ausgebildet sind, so dass die Anschlussteile benachbarter Module miteinander verbunden werden können, wenn die Seitenoberflächen benachbarter Module miteinander verbunden werden, um ein Paneel aufzubauen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung können die Anschlussteile 13a und 23a an Ecken der Module 1 (Substrate) ausgebildet werden, wie in den 5 und 7 dargestellt ist.
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Wenn die Anschlussteile 13a und 23a über die gesamten Seiten sowie die Ecken der Module 1 ausgebildet sind, kann es bei der Verwendung eines Klebemittels zum Verbinden der Module 1 zum Aufbau des Paneels 100 Schwierigkeiten geben, wie nachstehend erläutert wird. Das heißt, zur Verbindung der Module 1 sollte ein Klebemittel auf den Rest der Fläche mit Ausnahme der Anschlussteile 13a und 23a aufgetragen werden. Wenn jedoch alle Anschlussteile 13a und 23a über die gesamte Seite des Substrats ausgebildet sind, reicht die Fläche der Seite des Moduls, auf der das Klebemittel aufgetragen werden soll, um die Module miteinander zu verbinden (die miteinander durch das Klebemittel verbundenen Flächen zum Verbinden der Module), möglicherweise nicht aus.
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Bei der vorliegenden Erfindung wird das Klebemittel zum Verbinden der Module wie oben beschrieben verwendet. Außerdem wird das Klebemittel auf der Außenoberfläche des Dichtmittels 31 aufgebracht, um die Arbeitselektrode 10 und die Gegenelektrode 20 zu verbinden, so dass es zusätzlich zum Dichtmittel dazu dient, Leckage des Elektrolyten zwischen der Arbeitselektrode und der Gegenelektrode zu verhindern. Wenn jedoch die Anschlussteile über die gesamten Seitenoberflächen der Substrate ausgebildet sind, wird das Aufbringen eines Klebemittels auf der Außenoberfläche des Dichtmittels zwischen der Arbeitselektrode und der Gegenelektrode schwierig. Bei der vorliegenden Erfindung ist es deshalb nicht empfehlenswert, die Anschlussteile 13a und 23a über die gesamten Seitenoberflächen oder auf übermäßig breiten Flächen der Seitenoberflächen der Substrate auszubilden, da dadurch die Verbindung der Module unmöglich wird und eine verbesserte Dichtfunktion nicht erwartet werden kann.
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Ferner nehmen die Anschlussteile 13a und 23a, d. h. die senkrechten Längen (senkrechte Längen in den Zeichnungen), von der oberen Oberfläche der transparenten leitfähigen Substrate, auf denen die Kollektoren ausgebildet worden sind, bis zu den Enden der Anschlussteile ca. 50% - 80% der Dicke der Substrate ein.
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Der Grund, warum die Längen der Anschlussteile 13a und 23a ca. 80% der Dicke der Substrate betragen, wird später ausführlich unter Bezugnahme auf 8 beschrieben.
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Obwohl die Längen der Anschlussteile 13a und 23a beliebig sein können, ist eine zu kurze Länge (d. h. ein Wert kleiner als 50% der Dicke des Substrats) nicht vorteilhaft, da dies die Haftkraft zwischen den Anschlussteilen benachbarter Module eines aus den Modulen aufgebauten Paneels schwächen kann.
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Ferner kann jedes der Anschlussteile 13a und 23a durch Anbringen eines leitfähigen Bandes anstelle der Silberpaste ausgebildet werden wie das oben beschriebene andere Teil des Kollektors.
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Die Dicke jedes der Anschlussteile 13a und 23a kann unter Berücksichtigung der Dicke der Klebemittelschicht, die zum Verbinden der Seiten der Module zum Aufbau des Paneels verwendet wird, geändert werden. Außerdem kann unter Berücksichtigung der Dicke der Klebemittelschicht die Dicke jedes der Anschlussteile 13a und 23a größer ausgebildet werden als die Dicke der Kollektor-Bodenabschnitte 13 und 23 oder der Kollektorzelle (d. h. im Wesentlichen wie die Ausführungsform von 4).
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Als Resultat wird durch Ausbilden der Kollektorzelle, der Kollektor-Bodenabschnitte 13 und 23 und der Anschlussteile 13a und 23a wie oben beschrieben ein Paar Substrate für eine Arbeitselektrode und eine Gegenelektrode hergestellt. Im Fall des Substrats für die Arbeitselektrode wird eine TiO2-Photoelektrode 12 auf dem transparenten leitfähigen Substrat 11 durch Siebdruck usw. ausgebildet und dann getrocknet.
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Ferner wird im Fall des Substrats für die Gegenelektrode eine katalytische Platinelektrode 22 ausgebildet, indem eine Platin-Vorläuferlösung auf einem transparenten leitfähigen Substrat 21 durch Siebdruck usw. aufgebracht und dann getrocknet wird. Dann wird ein Schutzfilm für einen Kollektor auf jedem Substrat mittels einer bekannten Glasfritte ausgebildet und dann getrocknet, wobei Siebdrucken angewendet werden kann. Danach werden die Arbeitselektrode 10 und die Gegenelektrode 20 in einem Sinterofen wärmebehandelt (z. B. bei 500 °C), um formbar zu werden, und auf die TiO2-Photoelektrode 12 der Arbeitselektrode 10 wird ein Farbstoff aufgebracht.
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In der Arbeitselektrode 10 und der Gegenelektrode 20 wird jede wie oben beschrieben fertig gestellte Kollektorzelle des Kollektors aus Silber von einem Schutzfilm umhüllt und in linearer Ausrichtung zwischen der Photoelektrode 12 (in der Arbeitselektrode) und der katalytischen Elektrode 22 (in der Gegenelektrode) angeordnet. Die Kollektorzellen sind mit den Kollektor-Bodenabschnitten 13 und 23 entlang den Umfängen der transparenten leitfähigen Substrate 11 bzw. 21 in Längsrichtung gestapelt.
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Ferner entsprechen die an der Arbeitselektrode 10 und der Gegenelektrode 20 ausgebildeten Kollektor-Bodenabschnitte 13 und 23 Abschnitten, die durch das Dichtmittel 31 mit passenden Abschnitten der gegenüberliegenden Elektroden im Modul 1 verbunden sind, und die an den Seiten der Module ausgebildeten Anschlussteile 13a und 23a entsprechen Abschnitten, die elektrisch mit benachbarten Modulen verbunden sind, wenn das Paneel zusammengebaut worden ist. Wenn sowohl die Arbeitselektrode 10 als auch die Gegenelektrode 20 fertig gestellt worden sind, werden die Arbeitselektrode 10 und die Gegenelektrode 20 mittels des Dichtmittels 31 miteinander verbunden, wobei typischerweise Surlyn oder UV-Härter als das Dichtmittel 31 verwendet werden kann.
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Der UV-Härter ist hier ein Polymermaterial, das durch Bestrahlen mit UV-Strahlen gehärtet werden kann. Durch Verwenden des UV-Härters können die Arbeitselektrode und die Gegenelektrode nur durch Bestrahlen mit UV-Strahlen miteinander verbunden werden, ohne dass eine getrennte Wärmebehandlung erforderlich ist. Der UV-Härter kann Polyacrylnitril, Polyesteracrylnitril, Polymethacrylat, Polymethylmethacrylat, Polyurethan und Polyvinylalkohol enthalten.
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Während des Verbindens wird zum Abdichten des Raums zwischen der Arbeitselektrode 10 und der Gegenelektrode 20 das Dichtmittel 31 entlang den Kanten der Elektroden aufgebracht und dann gehärtet, um die beiden Elektroden miteinander zu verbinden und aneinander zu befestigen. Bei der vorliegenden Erfindung wird die Elektrolyten-Einspritzöffnung 32 vom Dichtmittel zwischen der Arbeitselektrode 10 und der Gegenelektrode 20 ausgebildet, wie in den 5 und 6 dargestellt ist.
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Wenn die beiden Elektroden 10 und 20 durch das Dichtmittel 31 miteinander verbunden werden, wird das Dichtmittel 31 auf dem Kollektor, genauer auf den Kollektor-Bodenabschnitten 13 und 23, aufgebracht, so dass die Kollektor-Bodenabschnitte 13 und 23 an denen der gegenüberliegenden Elektroden durch das Dichtmittel 31 haften. Da der Kollektor normalerweise eine Dicke von ca. 5 µm und das Dichtmittel normalerweise eine Dicke von 20 µm - 100 µm hat, hat das Aufbringen des Dichtmittels auf dem Kollektor keinen wesentlichen Einfluss auf die Dicke des Kollektors.
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Sobald die Elektroden miteinander verbunden sind, um die Elektrolyten-Einspritzöffnung 32 am Dichtmittelabschnitt zwischen den Elektroden 10 und 20 auszubilden, wird das Dichtmittel entlang dem äußeren Kantenabschnitt mit Ausnahme des Abschnitts aufgebracht, der als die Elektrolyten-Einspritzöffnung dient, und dann werden die Arbeitselektrode 10 und die Gegenelektrode 20 miteinander verbunden. Wenn die Arbeitselektrode 10 und die Gegenelektrode 20 vollständig miteinander verbunden sind, ist der Abschnitt, auf dem kein Dichtmittel aufgebracht worden ist, d. h. der Abschnitt, der nicht vom Dichtmittel abgedichtet ist, zwischen den beiden Elektroden 10 und 20 offen. Mit anderen Worten, zwischen den beiden Elektroden wird eine Lücke ausgebildet und diese Lücke dient als die Elektrolyten-Einspritzöffnung 32, durch die Elektrolyt in den Raum zwischen den beiden Elektroden 10 und 20 injiziert werden kann.
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5 zeigt ein farbstoffsensibilisiertes Solarzellenmodul, bei dem die Arbeitselektrode 10 und die Gegenelektrode 20 über das Dichtmittel 31 miteinander verbunden sind, das auf dem äußern Kantenabschnitt mit Ausnahme der zwei Elektrolyten-Einspritzöffnungen 32 aufgebracht worden ist. Vorzugsweise werden die Elektrolyten-Einspritzöffnungen 32 an Ecken der Module 1 (Ecken der Arbeitselektrode und der Gegenelektrode) ausgebildet, wie in den 5 und 6 dargestellt ist, so dass der Elektrolyt den gesamten Innenraum zwischen den beiden Elektroden gleichmäßig füllen kann.
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Wenn die Elektrolyten-Einspritzöffnung nicht im Eckabschnitt ausgebildet wird, z. B. wenn die Elektrolyten-Einspritzöffnung in einem mittleren Abschnitt des Moduls ausgebildet wird, besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass sich im Eckabschnitt Blasen bilden, wenn der Elektrolyt injiziert wird, wodurch der Elektrolyt den gesamten Innenraum zwischen den beiden Elektroden nur schwer gleichmäßig füllen kann und es bei zunehmender Modulgröße schwieriger wird, den Elektrolyten bis zum Eckabschnitt einzufüllen.
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Wie aus den 5 und 6 ersichtlich ist, ist es beim Ausbilden von zwei Elektrolyten-Einspritzöffnungen 32 außerdem vorteilhaft, die Elektrolyten-Einspritzöffnungen 32 an einer Ecke einer Seite eines Moduls und an einer Ecke an der gegenüberliegenden Seite auszubilden, wobei die zwei Elektrolyten-Einspritzöffnungen 32 diagonal anstatt in derselben Richtung angeordnet werden. Diese Anordnung ermöglicht ein gleichmäßiges Füllen des gesamten Innenraums zwischen den beiden Elektroden mit Elektrolyt, ohne Blasen in den Eckabschnitten zu erzeugen.
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Dann wird ein Elektrolyt (z. B. 0,1 M Lithiumjodid, 0,05 M Jod, 0,6 M 1,3-Dimethylimidazoliumjodid, 0,5 M tert-Butylpyridin/3-Methoxypropionitril) durch die Elektrolyten-Einspritzöffnungen 32 injiziert, die vom Dichtmittel zwischen der Arbeitselektrode 10 und der Gegenelektrode 20 ausgebildet worden sind, und die Elektrolyten-Einspritzöffnungen 32 werden dann verschlossen, um den Innenraum der Module 1, in die Elektrolyt injiziert worden ist, vollständig abzudichten. Die Elektrolyten-Einspritzöffnungen werden dabei mittels eines typischen Dichtmittels für Solarzellen abgedichtet, das nicht mit dem Elektrolyten reagiert, wie einem UV-Härter.
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Zum Abdichten der Elektrolyten-Einspritzöffnung 32 kann das Dichtmittel nur am Elektrolyten-Einspritzöffnungsabschnitt verwendet werden. Es ist jedoch besser, den äußeren Abschnitt nochmals abzudichten, um sicherzustellen, dass das Dichtmittel kontinuierlich aufgebracht ist.
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Das heißt, es ist zu empfehlen, nochmals Dichtmittel auf der gesamten Außenoberfläche des Dichtmittels aufzubringen, um den Raum zwischen den beiden Elektroden effektiver abzudichten. Damit werden nicht nur die offenen Elektrolyten--Einspritzöffnungen 32 verschlossen und abgedichtet, sondern das zuerst aufgebracht Dichtmittel wird nochmals abgedichtet, um einen doppelten Dichteffekt zu erzielen.
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Um zu verhindern, dass das Dichtmittel die Anschlussteile 13a und 23a bedeckt, versteht es sich von selbst, dass das Dichtmittel nur auf die äußeren Abschnitte und nicht auf die Anschlussteile 13a und 23a aufgebracht wird. Mit dem Abdichten der Elektrolyten-Einspritzöffnungen 32 ist das farbstoffsensibilisierte Solarzellenmodul 1 fertig gestellt. Da bei der vorliegenden Erfindung die Arbeitselektrode 10 keine Elektrolyten-Einspritzöffnung hat, kann ein Modul hergestellt werden, dessen gegenüberliege Oberflächen die gleiche Struktur haben.
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Ferner ist der Prozess der vorliegenden Erfindung, bei dem eine Elektrolyten-Einspritzöffnung an einem Dichtmittelabschnitt ausgebildet wird, leichter und einfacher als das oben beschriebene herkömmliche Verfahren, bei dem eine Elektrolyten-Einspritzöffnung an der Gegenelektrode aus einem Glassubstrat ausgebildet wird.
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Anders als bei der herkömmlichen Technik erfordert die vorliegende Erfindung außerdem kein getrenntes Verschlussglas zum Verschließen der Elektrolyten-Einspritzöffnung, wodurch verschiedene Probleme der herkömmlichen Technik in Zusammenhang mit der Verwendung eines Verschlussglases gelöst werden, einschließlich Sicherheitsproblemen wie eine Leckage des Elektrolyten und die Verschlechterung des Erscheinungsbildes und der Marktfähigkeit.
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Obwohl dies oben nicht ausführlich beschrieben worden ist, versteht es sich von selbst, dass die Schritte des Verbindens der Arbeitselektrode und der Gegenelektrode, des Verschließens der Elektrolyten-Einspritzöffnung, des Aufbringens und Härtens eines Dichtmittels und des Bestrahlens mit UV-Strahlen bei Verwendung eines UV-Härters in der gleichen Reihenfolge ausgeführt werden sollten wie im Stand der Technik.
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Die Solarzellenmodule 1 der vorliegenden Erfindung, die nach dem oben beschriebenen Prozess hergestellt werden, haben eine Struktur, bei der die nach außen freiliegenden Elektrodenabschnitte, d. h. die Anschlussteile 13a und 23a des Kollektors, an den Seiten der Module angeordnet sind. Deshalb ist es bei der Konfiguration eines Paneels wie in den 8 und 9 dargestellt durch Verbinden mehrerer Module 1 miteinander, wobei die mehreren Module 1 in einer Ebene angeordnet und die Anschlussteile 13a und 23a benachbarter Module 1 miteinander verbunden werden, möglich, ein integriertes Solarzellenpaneel 100 herzustellen.
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Zur Verbindung der Module 1 wird ein Haftmittel (mit 102 in 8 gekennzeichnet) wie ein UV-Härter, Epoxid, Surlyn oder ein anderes Glas-Klebemittel aufgebracht und dann gehärtet. Wenn das Haftmittel 102 auf den Seitenoberflächen der Module aufgebracht und die Seitenoberflächen der Module dann miteinander verbunden werden, kann die Elektrolyten-Einspritzöffnung 32 an den Seitenoberflächen der Module durch das Haftmittel und das zum Abdichten verwendete Dichtmittel wie oben beschrieben auch doppelt abgedichtet werden. Ferner dichtet das Haftmittel den äußeren Dichtmittelabschnitt mit Ausnahme der Elektrolyten-Einspritzöffnung nochmals. Deshalb verhindert die vorliegende Erfindung wirksam eine Elektrolytenleckage.
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Ferner wird durch Ausbilden der Anschlussteile 13a und 23a an Ecken der Module 1 und Verbinden der Module miteinander durch Aufbringen des Haftmittels 102 auf den anderen Flächen mit Ausnahme der Oberflächen der Anschlussteile die Lücke oder der Abstand zwischen den Modulen durch die Verbindung zwischen den Anschlussteilen und durch das Haftmittel auf den anderen Teilen mit Ausnahme der Anschlussteile vollständig verschlossen, um die Marktfähigkeit des Paneels zu verbessern.
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Bei der oben beschriebenen Konstruktion haben die Anschlussteile 13a und 23a eine Länge entsprechend ca. 80% der Dicke des Substrats, um ein Haftmittel (siehe z. B. das Haftmittel auf den Anschlussteilen in 8) auf der Außenseite der Anschlussteile (d. h. die Außenseite der Module) selbst auf den Abschnitten aufbringen zu können, wo die Anschlussteile ausgebildet sind, wodurch der Abstand zwischen den Modulen (siehe vergrößerten Ausschnitt in 8) vollständig verschlossen wird.
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Wenn ferner die Länge der Anschlussteile 13a und 23a gleich der Dicke des Substrats ist, kann zwischen zwei benachbarten Modulen ein Kurzschluss auftreten und die Anschlussteile können je nach Umfang der aufgedruckten Elektroden von außen sichtbar werden. Bei der vorliegenden Erfindung sollte deshalb die Länge der Anschlussteile 13a und 23a vorzugsweise auf einen Wert von ca. 80% der Dicke des Substrats begrenzt sein.
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Der Konfigurierungsprozess eines Paneels durch Verbinden der Module miteinander gemäß der vorliegenden Erfindung ist vorstehend beschrieben worden. Bei der vorliegenden Erfindung, bei der Anschlussteile an den Seiten der Module ausgebildet und die Anschlussteile benachbarter Module zu einem fertigen Paneel miteinander verbunden werden, brauchen die Elektrodenabschnitte nicht nach außen herauszuragen wie im Stand der Technik (d. h. die Arbeitselektrode und die Gegenelektrode überlappen einander bei der vorliegenden Erfindung vollständig).
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Als Ergebnis verhindert die vorliegende Erfindung den Bruch von Elektrodenteilen, beseitigt Einschränkungen der Konstruktion und trägt dazu bei, dass die Marktfähigkeit nicht verschlechtert wird.
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Beim Zusammenbau einer Mehrzahl Module ist es ferner möglich, die von den Elektrodenabschnitten (entsprechend den Anschlussteilen) für die Verbindung zwischen benachbarten Modulen eingenommene Fläche der gesamten Fläche eines Paneels zu minimieren, so dass die effektive Zellenfläche der optischen Elektroden vergrößert wird, wodurch die Leistung der Module und des Paneels verbessert und der Wirkungsgrad erhöht wird (siehe 8 und 9).
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Zum Verbinden einer Mehrzahl Module miteinander können die Module bei der vorliegenden Erfindung einfach in einer Ebene angeordnet und dann miteinander an den jeweiligen Seitenoberfläche der Module miteinander verbunden werden. Im Vergleich zum herkömmlichen Verfahren (siehe 3), bei dem die Arbeitselektrode und die Gegenelektrode zweier benachbarter Module miteinander senkrecht in Eingriff gebracht werden, schafft die vorliegende Erfindung einen vereinfachten Verbindungsprozess zwischen Modulen, eine Erhöhung des Wirkungsgrades bei der Paneelherstellung und eine Verbesserung der Paneelkonstruktion.
