EA046404B1 - SOLAR BATTERY ELEMENT CONTAINING POROUS LAYERS AND A CHARGE CONDUCTING MEDIUM PENETRATING THROUGH THE POROUS LAYERS - Google Patents
SOLAR BATTERY ELEMENT CONTAINING POROUS LAYERS AND A CHARGE CONDUCTING MEDIUM PENETRATING THROUGH THE POROUS LAYERS Download PDFInfo
- Publication number
- EA046404B1 EA046404B1 EA202391801 EA046404B1 EA 046404 B1 EA046404 B1 EA 046404B1 EA 202391801 EA202391801 EA 202391801 EA 046404 B1 EA046404 B1 EA 046404B1
- Authority
- EA
- Eurasian Patent Office
- Prior art keywords
- porous
- support substrate
- layer
- solar cell
- charge
- Prior art date
Links
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 title claims description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 159
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims description 78
- 229920001410 Microfiber Polymers 0.000 claims description 51
- 239000003658 microfiber Substances 0.000 claims description 51
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 27
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 16
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 claims description 11
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 9
- 239000012777 electrically insulating material Substances 0.000 claims description 9
- 239000011244 liquid electrolyte Substances 0.000 claims description 7
- 238000007789 sealing Methods 0.000 claims description 6
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 111
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 33
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 22
- 239000000463 material Substances 0.000 description 18
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 11
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 10
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 229910000323 aluminium silicate Inorganic materials 0.000 description 9
- HNPSIPDUKPIQMN-UHFFFAOYSA-N dioxosilane;oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Si]=O.O=[Al]O[Al]=O HNPSIPDUKPIQMN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 9
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 description 7
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 239000003973 paint Substances 0.000 description 7
- 238000007639 printing Methods 0.000 description 7
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000000975 dye Substances 0.000 description 6
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 6
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 6
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 6
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 6
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 6
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 6
- 229910001928 zirconium oxide Inorganic materials 0.000 description 6
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 5
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 5
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 150000001879 copper Chemical class 0.000 description 5
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 5
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 5
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 5
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 5
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 4
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 4
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 4
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 4
- 239000003365 glass fiber Substances 0.000 description 4
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 4
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 4
- -1 platinized ITO Chemical class 0.000 description 4
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 4
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 3
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 3
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 3
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 3
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000007641 inkjet printing Methods 0.000 description 3
- 229910052987 metal hydride Inorganic materials 0.000 description 3
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 3
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 3
- 238000007650 screen-printing Methods 0.000 description 3
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 3
- 239000004408 titanium dioxide Substances 0.000 description 3
- 238000011282 treatment Methods 0.000 description 3
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000990 Ni alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 235000012211 aluminium silicate Nutrition 0.000 description 2
- 229910003481 amorphous carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052849 andalusite Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 2
- 229910001598 chiastolite Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000004700 cobalt complex Chemical class 0.000 description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000004699 copper complex Chemical class 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 2
- 239000002270 dispersing agent Substances 0.000 description 2
- 238000005538 encapsulation Methods 0.000 description 2
- 239000000284 extract Substances 0.000 description 2
- 239000003546 flue gas Substances 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 239000000499 gel Substances 0.000 description 2
- 150000004678 hydrides Chemical class 0.000 description 2
- XMBWDFGMSWQBCA-UHFFFAOYSA-N hydrogen iodide Chemical compound I XMBWDFGMSWQBCA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052850 kyanite Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910001092 metal group alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000004681 metal hydrides Chemical class 0.000 description 2
- 231100000252 nontoxic Toxicity 0.000 description 2
- 230000003000 nontoxic effect Effects 0.000 description 2
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 2
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N silicon monoxide Chemical compound [Si-]#[O+] LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052851 sillimanite Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910001251 solid state electrolyte alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 2
- WRTMQOHKMFDUKX-UHFFFAOYSA-N triiodide Chemical compound I[I-]I WRTMQOHKMFDUKX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000009489 vacuum treatment Methods 0.000 description 2
- 230000005653 Brownian motion process Effects 0.000 description 1
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 1
- 229910004613 CdTe Inorganic materials 0.000 description 1
- JPVYNHNXODAKFH-UHFFFAOYSA-N Cu2+ Chemical compound [Cu+2] JPVYNHNXODAKFH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920002153 Hydroxypropyl cellulose Polymers 0.000 description 1
- 229920001046 Nanocellulose Polymers 0.000 description 1
- 229930182559 Natural dye Natural products 0.000 description 1
- 229920001131 Pulp (paper) Polymers 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 238000005537 brownian motion Methods 0.000 description 1
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 1
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 1
- 210000003850 cellular structure Anatomy 0.000 description 1
- 229920002678 cellulose Polymers 0.000 description 1
- 235000010980 cellulose Nutrition 0.000 description 1
- 150000001868 cobalt Chemical class 0.000 description 1
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 1
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 1
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 1
- 229910001431 copper ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004132 cross linking Methods 0.000 description 1
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 description 1
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 description 1
- 239000011245 gel electrolyte Substances 0.000 description 1
- 235000010977 hydroxypropyl cellulose Nutrition 0.000 description 1
- 239000001863 hydroxypropyl cellulose Substances 0.000 description 1
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 1
- 239000012784 inorganic fiber Substances 0.000 description 1
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 1
- 239000002608 ionic liquid Substances 0.000 description 1
- 238000003475 lamination Methods 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 239000000978 natural dye Substances 0.000 description 1
- 239000011368 organic material Substances 0.000 description 1
- 229920000620 organic polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 1
- 125000002524 organometallic group Chemical group 0.000 description 1
- 229920001610 polycaprolactone Polymers 0.000 description 1
- 239000004632 polycaprolactone Substances 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000005518 polymer electrolyte Substances 0.000 description 1
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 1
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
- 239000011343 solid material Substances 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Description
Область техникиField of technology
Настоящее изобретение относится к элементам солнечной батареи (далее солнечным элементам) для преобразования энергии света в электрическую энергию, содержащим пористые слои и проводящую заряд среду, проникающую через пористые слои.The present invention relates to solar cell cells (hereinafter referred to as solar cells) for converting light energy into electrical energy, containing porous layers and a charge-conducting medium penetrating through the porous layers.
Предпосылки изобретенияBACKGROUND OF THE INVENTION
Элементы солнечной батареи (солнечные элементы) для преобразования света в электрическую энергию, содержащие пористые слои, хорошо известны в технике.Solar cells (solar cells) for converting light into electrical energy containing porous layers are well known in the art.
Известно, что сенсибилизированные красителем солнечные элементы (DSSC), содержащие пористый светопоглощающий слой, пористые проводящие слои и пористый изолирующий слой, обладают высоким потенциалом для производства в промышленных масштабах с использованием известных производственных способов, таких как трафаретная печать, струйная печать или нанесение с использованием щелевой экструзионной головки.Dye-sensitized solar cells (DSSCs) comprising a porous light-absorbing layer, porous conductive layers and a porous insulating layer are known to have high potential for industrial scale production using known manufacturing methods such as screen printing, inkjet printing or slit deposition. extrusion head.
Производство в промышленных масштабах сенсибилизированных красителем солнечных элементов включает обработку больших площадей тонких слоев компонентов солнечных элементов. Эти компоненты во время производства проходят различные технологические этапы, такие как печать, термообработка, вакуумная обработка, химическая обработка. Это означает, что для обработки солнечного элемента важна его архитектура, чтобы иметь возможность механически обрабатывать компоненты и выполнять различные обработки, не повреждая основные компоненты. Архитектура солнечного элемента также важна для общей производительности этого элемента.Industrial-scale production of dye-sensitized solar cells involves processing large areas of thin layers of solar cell components. These components undergo various technological steps during production, such as printing, heat treatment, vacuum treatment, chemical treatment. This means that for the processing of a solar cell, its architecture is important to be able to machine the components and perform various processing without damaging the main components. The architecture of a solar cell is also important to the overall performance of that cell.
Известная процедура изготовления сенсибилизированных красителем солнечных элементов представляет собой процесс непрерывного проката (рулонной технологии). В публикации EnergyTrend 20180614 Ключи к массовому производству гибких солнечных элементов: инкапсуляция элементов и долговечность исследователи описывают, что гибкие сенсибилизированные красителем солнечные элементы, произведенные в процессе непрерывного проката, могут быть коммерциализированы благодаря эффективности способа производства.A known procedure for manufacturing dye-sensitized solar cells is a continuous rolling process (roll-to-roll technology). In EnergyTrend 20180614 Keys to Mass Production of Flexible Solar Cells: Cell Encapsulation and Durability, researchers describe that flexible dye-sensitized solar cells produced through a continuous rolling process can be commercialized due to the efficiency of the production method.
В процессе непрерывного проката солнечный элемент содержит твердую подложку, такую как гибкая проводящая фольга, которую можно поместить на конвейерную ленту и которая действует как механически устойчивая подложка для размещения других компонентов солнечного элемента. Патент США № 8658455 описывает процесс непрерывного проката, в котором используют гибкую подложку, на которой формируют слой TiO2, при этом слой TiO2 спекают, снабжают красителем и наполняют электролитом, после чего для герметизации DSSC сэндвич-типа сверху добавляют вторую гибкую подложку. Утверждается, что этап герметизации, также включающий процесс непрерывного проката, снижает риск утечки или испарения жидкого электролита.In the continuous rolling process, the solar cell contains a solid substrate, such as a flexible conductive foil, that can be placed on a conveyor belt and which acts as a mechanically stable substrate for placing other components of the solar cell. US Patent No. 8,658,455 describes a continuous rolling process that uses a flexible substrate on which a layer of TiO 2 is formed, the TiO 2 layer is sintered, dyed and filled with an electrolyte, and then a second flexible substrate is added on top to seal the sandwich type DSSC. The sealing step, which also includes a continuous rolling process, is said to reduce the risk of leakage or evaporation of the liquid electrolyte.
Известна гибкая проводящая фольга, такая как фольга из титана, нержавеющей стали или других металлов, или фольга с покрытием из проводящих полимеров, или тонкие пленки из проводящего стекла.Flexible conductive foils are known, such as foils made of titanium, stainless steel or other metals, or foils coated with conductive polymers, or thin films of conductive glass.
Проблема с производством сенсибилизированных красителем солнечных элементов с использованием процесса непрерывного проката связана с тем, что некоторые процессы, такие как термообработка или вакуумная обработка, должны происходить по мере того, как конвейерная лента проходит через печи или ящики для химической обработки. Это требует места и времени для этих процессов.The problem with producing dye-sensitized solar cells using a continuous rolling process is that certain processes, such as heat treating or vacuum processing, must occur as the conveyor belt passes through ovens or chemical treatment boxes. It requires space and time for these processes.
Другой способ изготовления сенсибилизированного красителем солнечного элемента описан в европейском патенте № 2834823 В1, в котором показан монолитный сенсибилизированный красителем солнечный элемент, в котором все слои компонентов являются пористыми. Пористая изолирующая подложка из тканых и нетканых стеклянных волокон во время изготовления действует как опорная конструкция, а пористые проводящие металлические слои печатаются на обеих сторонах пористой изолирующей подложки. На одной стороне пористого проводящего слоя печатается слой TiO2, а на другой стороне на пористый проводящий слой наносится катализатор. Слой TiO2 погружается в краситель и добавляется электролит по мере того, как ячейки разрезаются на подходящие куски для ламинирования защитной фольги. Во время этапов процесса, включающих термическую обработку, вакуумную обработку или различные химические обработки, обрабатываемая заготовка является полностью пористой, при этом несколько заготовок могут быть скреплены скобами друг над другом, не препятствуя, например, отводу выделяющихся газов. Пористая изолирующая подложка, используемая при производстве в качестве опорной подложки, будет выполнять функцию изолирующего слоя между рабочим электродом и противоэлектродом в готовом солнечном элементе. Толщина пористой изолирующей подложки, таким образом, будет компромиссом между достаточно тонким изолирующим слоем, чтобы уменьшить резистивные потери в солнечном элементе, и достаточной толщиной пористой подложки, чтобы обеспечить достаточные механические свойства для использования в качестве опорной конструкции. Во время изготовления опорная конструкция должна быть повернута, чтобы печатать на обеих ее сторонах.Another method for making a dye-sensitized solar cell is described in European Patent No. 2834823 B1, which shows a monolithic dye-sensitized solar cell in which all component layers are porous. The porous insulating substrate of woven and non-woven glass fibers acts as a support structure during fabrication, and porous conductive metal layers are printed on both sides of the porous insulating substrate. A TiO2 layer is printed on one side of the porous conductive layer, and a catalyst is deposited on the other side of the porous conductive layer. The TiO2 layer is immersed in dye and electrolyte is added as the cells are cut into suitable pieces for lamination of the protective foil. During process steps involving heat treatment, vacuum treatment or various chemical treatments, the workpiece being processed is completely porous, and multiple workpieces can be stapled on top of each other without, for example, interfering with the escape of evolved gases. The porous insulating substrate, used during production as a support substrate, will act as an insulating layer between the working electrode and the counter electrode in the finished solar cell. The thickness of the porous insulating substrate will therefore be a compromise between having a thin enough insulating layer to reduce resistive losses in the solar cell and having a sufficiently thick porous substrate to provide sufficient mechanical properties for use as a support structure. During production, the support structure must be rotated to print on both sides of it.
В европейском патенте № 1708301 описан сенсибилизированный красителем солнечный элемент с архитектурой, включающей набор пористых слоев, расположенных друг над другом, электролит, встроенный в поры пористых слоев, и опорную конструкцию для поддержки стопки пористых слоев из керамики, металла, смолы или стекла.European Patent No. 1,708,301 describes a dye-sensitized solar cell with an architecture comprising a stack of porous layers stacked on top of each other, an electrolyte embedded in the pores of the porous layers, and a support structure to support a stack of ceramic, metal, resin, or glass porous layers.
Другая проблема с сенсибилизированными красителем элементами солнечной батареи связана сAnother problem with dye-sensitized solar cell cells is
- 1 046404 испарением или истощением раствора электролита или возможной утечкой электролита особенно при длительном использовании элемента.- 1 046404 evaporation or depletion of the electrolyte solution or possible leakage of the electrolyte, especially when using the cell for a long time.
Сущность изобретенияThe essence of the invention
Целью настоящего изобретения является по меньшей мере частичное преодоление вышеуказанной проблемы и создание усовершенствованного солнечного элемента.The object of the present invention is to at least partially overcome the above problem and provide an improved solar cell.
Эта цель достигается с помощью солнечного элемента, заявленного в п.1 формулы изобретения.This goal is achieved using the solar cell stated in claim 1 of the claims.
Солнечный элемент содержит стопку пористых слоев, расположенных друг над другом, проводящую заряд среду, проникающую через пористые слои, и опорную подложку для поддержки пористых слоев. Пористые слои содержат светопоглощающий слой, первый проводящий слой, содержащий проводящий материал для извлечения фотогенерированных электронов из светопоглощающего слоя, противоэлектрод, содержащий проводящий материал, и разделительный слой, выполненный из пористого электроизолирующего материала и расположенный между первым проводящим слоем и противоэлектродом. Стопка пористых слоев расположена поверх опорной подложки, причем опорная подложка является пористой, а проводящая заряд среда проникает через пористую опорную подложку.The solar cell includes a stack of porous layers stacked on top of each other, a charge-conducting medium that penetrates the porous layers, and a support substrate for supporting the porous layers. The porous layers comprise a light-absorbing layer, a first conductive layer containing a conductive material for extracting photogenerated electrons from the light-absorbing layer, a counter electrode containing a conductive material, and a separating layer made of a porous electrically insulating material and located between the first conductive layer and the counter electrode. A stack of porous layers is disposed on top of a support substrate, wherein the support substrate is porous and a charge-conducting medium penetrates the porous support substrate.
Стопка пористых слоев представляет собой активные слои, а это означает, что они участвуют в производстве энергии. Необходимо, чтобы проводящая заряд среда могла проникать через стопку активных пористых слоев, чтобы обеспечивать перенос зарядов между светопоглощающим слоем и противоэлектродом. Опорная подложка не является активным слоем в солнечном элементе, т.е. не участвует в выработке энергии. Основная функция опорной подложки - служить опорой для стопки активных слоев.The stack of porous layers are active layers, meaning they are involved in energy production. It is necessary that a charge-conducting medium be able to penetrate the stack of active porous layers to allow charge transfer between the light-absorbing layer and the counter electrode. The support substrate is not the active layer in the solar cell, i.e. does not participate in energy production. The main function of the support substrate is to serve as a support for the stack of active layers.
Подложка является пористой, и проводящая заряд среда проникает в поры подложки, а также в поры пористых слоев солнечного элемента. Из-за пористости подложки поры подложки функционируют как резервуар проводящей заряд среды. Таким образом, общий объем проводящей заряд среды в солнечном элементе увеличивается. Следовательно, если количество проводящей заряд среды в солнечном элементе уменьшается из-за утечки или испарения, время, пока общее содержание проводящей заряд среды в солнечном элементе не достигнет минимального уровня и элемент перестанет работать, продлевается. Чем толще подложка и выше пористость, тем больше резервуар для проводящей заряд среды. Поскольку опорная подложка не участвует в выработке электроэнергии, толщина опорной подложки не является критической и не влияет на выработку электроэнергии.The substrate is porous, and a charge-conducting medium penetrates into the pores of the substrate as well as into the pores of the porous layers of the solar cell. Due to the porosity of the substrate, the pores of the substrate function as a reservoir of charge-conducting media. Thus, the total volume of charge-conducting medium in the solar cell increases. Therefore, if the amount of charge-conducting media in a solar cell decreases due to leakage or evaporation, the time until the total charge-conducting media in the solar cell reaches a minimum level and the cell stops operating is prolonged. The thicker the substrate and the higher the porosity, the larger the reservoir for the charge-conducting medium. Since the support substrate is not involved in power generation, the thickness of the support substrate is not critical and does not affect power generation.
Другое преимущество пористой подложки заключается в том, что она упрощает достижение равномерного заполнения проводящей заряд среды в солнечном элементе во время изготовления элемента. Это является проблемой при производстве тонких и широких солнечных элементов. Например, площадь солнечного элемента может быть 1 м2, а его толщина может быть 0,2 мм. Проводящая заряд среда должна проникать в пористые слои большого солнечного элемента, и предпочтительно все поры в пористых слоях солнечного элемента должны быть заполнены проводящей заряд средой. Благодаря пористой подложке в нижней части солнечного элемента проводящая заряд среда может быть введена с нижней стороны солнечного элемента и за счет капиллярных сил заполнить проводящей заряд средой большую часть пор в пористых слоях в стопке.Another advantage of the porous substrate is that it makes it easier to achieve uniform filling of the charge-conducting medium in the solar cell during cell manufacture. This is a problem when producing thin and wide solar cells. For example, the area of a solar cell may be 1 m 2 and its thickness may be 0.2 mm. The charge-conducting medium must penetrate into the porous layers of the large solar cell, and preferably all of the pores in the porous layers of the solar cell must be filled with the charge-conducting medium. Due to the porous substrate at the bottom of the solar cell, a charge-conducting medium can be introduced from the bottom side of the solar cell and, through capillary forces, fill most of the pores in the porous layers in the stack with the charge-conducting medium.
Еще одним преимуществом пористой подложки является то, что не требуется вакуумное заполнение ячейки проводящей средой, как в предшествующем уровне техники. Вакуумное заполнение занимает много времени и требует дополнительного оборудования.Another advantage of the porous substrate is that it does not require vacuum filling of the cell with a conductive medium, as in the prior art. Vacuum filling takes a long time and requires additional equipment.
Еще одним преимуществом пористой подложки является то, что она удерживает проводящую среду за счет капиллярных сил и тем самым предотвращает выливание проводящей среды. Поэтому в случае поломки солнечного элемента проводящая среда останется в пористой подложке и не будет выливаться.Another advantage of the porous substrate is that it retains the conductive medium by capillary forces and thereby prevents the conductive medium from spilling out. Therefore, if the solar cell breaks down, the conducting medium will remain in the porous substrate and will not spill out.
Другое преимущество укладки пористых слоев на пористую опорную подложку вместо твердой опорной подложки, как в предшествующем уровне техники, заключается в том, что это облегчает изготовление солнечных элементов больших размеров, поскольку позволяет газу выходить через подложку во время вакуумного спекания солнечного элемента, а также при воздушном спекании солнечного элемента, когда дымовые газы должны быть удалены на более поздних этапах, когда слои, содержащие диоксид титана, TiO2, спекаются на воздухе, а дымовые газы из органических веществ должны быть удалены путем сжигания. Таким образом, производство солнечного элемента ускоряется.Another advantage of laying the porous layers on a porous support substrate instead of a solid support substrate as in the prior art is that it facilitates the manufacture of large solar cells by allowing gas to escape through the substrate during vacuum sintering of the solar cell as well as during air sintering. sintering of a solar cell, where flue gases must be removed in later stages when layers containing titanium dioxide, TiO 2 , are sintered in air, and flue gases from organic substances must be removed by combustion. Thus, the production of the solar cell is accelerated.
Солнечный элемент предпочтительно представляет собой монолитный элемент. Монолитный солнечный элемент отличается тем, что все пористые слои прямо или косвенно нанесены на одну и ту же подложку.The solar cell is preferably a monolithic cell. A monolithic solar cell is characterized in that all porous layers are directly or indirectly deposited on the same substrate.
Благодаря наличию пористой опорной подложки в нижней части пористых активных слоев при изготовлении монолитной структуры солнечного элемента можно получить преимущество из преимущественной процедуры сшивания заготовок во время производственного процесса. Еще одним преимуществом является то, что опорная подложка в нижней части активных слоев, на которой формируются активные слои, состоит в том, что во время производственного процесса нет необходимости поворачивать заготовку.By having a porous support substrate at the bottom of the porous active layers, the production of a monolithic solar cell structure can benefit from an advantageous cross-linking procedure during the manufacturing process. Another advantage is that the support substrate at the bottom of the active layers on which the active layers are formed is that there is no need to rotate the workpiece during the production process.
Другое преимущество настоящего изобретения состоит в том, что разделительный слой из пористого электроизолирующего материала не ограничивается опорной подложкой. Пористый разделительный слой между пористыми электропроводящими слоями может быть сформирован с помощью экономичноAnother advantage of the present invention is that the separating layer of porous electrical insulating material is not limited to the support substrate. The porous separating layer between the porous electrically conductive layers can be formed economically using
- 2 046404 го процесса печати и изготовлен из различных материалов. Толщина разделительного слоя может быть рассчитана для оптимизации эффективности солнечного элемента.- 2 046404 th printing process and made of various materials. The thickness of the separating layer can be calculated to optimize the efficiency of the solar cell.
В соответствии с одним аспектом солнечный элемент содержит оболочку, герметизирующую пористые слои, опорную подложку и проводящую среду, причем пористые слои расположены на одной стороне опорной подложки, а противоположная сторона опорной подложки обращена к инкапсуляции.In one aspect, the solar cell includes a shell encapsulating the porous layers, a support substrate, and a conductive medium, wherein the porous layers are located on one side of the support substrate and the opposite side of the support substrate faces the encapsulation.
Каждый пористый слой и опорная подложка имеют поры. Проводящая заряд среда проникает через поры пористых слоев и опорной подложки. Проводящая заряд среда полностью расположена в порах пористых слоев и порах опорной подложки.Each porous layer and support substrate has pores. The charge-conducting medium penetrates through the pores of the porous layers and the supporting substrate. The charge-conducting medium is completely located in the pores of the porous layers and the pores of the supporting substrate.
В соответствии с одним аспектом средний размер пор множества пористых слоев меньше среднего размера пор опорной подложки, так что капиллярные силы в порах пористых слоев больше, чем капиллярные силы в опорной подложке. Из-за того что размеры пор в пористых слоях поверх опорной подложки меньше, чем размер пор в опорной подложке, капиллярная сила пористых слоев будет предпочтительно накачивать проводящую заряд среду вверх, где капиллярные силы сильнее, чем капиллярные силы в опорной подложке. Это действие аналогично действию капиллярного насоса. Это означает, что при наличии утечки проводящей заряд среды, в верхних активных слоях проводящая заряд среда предпочтительно будет перекачиваться из резервуара вверх к активным слоям, а опорная подложка будет действовать как резервуар, подающий проводящую заряд среду к активным слоям.In accordance with one aspect, the average pore size of the plurality of porous layers is smaller than the average pore size of the support substrate, such that capillary forces in the pores of the porous layers are greater than capillary forces in the support substrate. Because the pore sizes in the porous layers on top of the support substrate are smaller than the pore sizes in the support substrate, the capillary force of the porous layers will preferentially pump the charge-conducting medium upward, where the capillary forces are stronger than the capillary forces in the support substrate. This action is similar to that of a capillary pump. This means that if there is leakage of charge-conducting media in the upper active layers, charge-conducting media will preferentially be pumped from the reservoir up to the active layers, and the support substrate will act as a reservoir supplying charge-conducting media to the active layers.
Размеры пор в подложке и пористых слоях можно, например, измерить с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ).The pore sizes in the substrate and porous layers can, for example, be measured using a scanning electron microscope (SEM).
В соответствии с одним аспектом по меньшей мере 80% пор в подложке имеют размер более 3 мкм и по меньшей мере 80% пор в пористых слоях имеют размер менее 3 мкм. Предпочтительно по меньшей мере 90% пор в подложке-подложке имеют размер более 3 мкм и по меньшей мере 90% пор в пористых слоях имеют размер менее 3 мкм. Предпочтительно по меньшей мере 80% пор в опорной подложке имеют размер от 3 до 10 мкм, а наиболее предпочтительно по меньшей мере 90% пор в опорной подложке имеют размер от 3 до 10 мкм. Таким образом, поры в пористых слоях обычно имеют размер менее метра, т.е. менее 3 мкм, а поры в опорной подложке обычно находятся в диапазоне микрометров, т.е. 3-10 мкм. Разница в размерах пор между опорной подложкой и пористыми слоями приводит к тому, что капиллярные силы в пористых слоях больше, чем капиллярные силы в опорной подложке, и, следовательно, проводящая заряд среда будет перекачиваться вверх к активным слоям, если содержание проводящей заряд среды в активных слоях солнечного элемента уменьшается.In accordance with one aspect, at least 80% of the pores in the substrate have a size greater than 3 μm and at least 80% of the pores in the porous layers have a size less than 3 μm. Preferably, at least 90% of the pores in the support substrate have a size greater than 3 μm and at least 90% of the pores in the porous layers have a size less than 3 μm. Preferably, at least 80% of the pores in the support substrate have a size of from 3 to 10 μm, and most preferably, at least 90% of the pores in the support substrate have a size of from 3 to 10 μm. Thus, pores in porous layers are usually less than a meter in size, i.e. less than 3 µm, and the pores in the support substrate are usually in the micrometer range, i.e. 3-10 microns. The difference in pore sizes between the support substrate and the porous layers causes the capillary forces in the porous layers to be greater than the capillary forces in the support substrate, and therefore the charge-conducting medium will be pumped upward to the active layers if the content of the charge-conducting medium in the active layers layers of the solar cell decreases.
В соответствии с одним аспектом толщина подложки составляет по меньшей мере 20 мкм, предпочтительно по меньшей мере 30 мкм и наиболее предпочтительно по меньшей мере 50 мкм. Чем толще подложка, тем больше резервуар проводящей заряд среды.In accordance with one aspect, the thickness of the substrate is at least 20 μm, preferably at least 30 μm, and most preferably at least 50 μm. The thicker the substrate, the larger the reservoir of charge-conducting medium.
В соответствии с одним аспектом толщина подложки составляет от 20 до 200 мкм.In accordance with one aspect, the thickness of the substrate is from 20 to 200 microns.
В соответствии с одним аспектом пористость опорной подложки составляет по меньшей мере 50%, предпочтительно по меньшей мере 70% и наиболее предпочтительно по меньшей мере 80%. Чем выше пористость, тем больше резервуар проводящей заряд среды.In accordance with one aspect, the porosity of the support substrate is at least 50%, preferably at least 70%, and most preferably at least 80%. The higher the porosity, the larger the reservoir of charge-conducting medium.
В соответствии с одним аспектом пористость опорной подложки составляет от 50 до 90%, предпочтительно от 70 до 90%.In accordance with one aspect, the porosity of the support substrate is from 50 to 90%, preferably from 70 to 90%.
В соответствии с одним аспектом подложка содержит тканые и/или нетканые микроволокна. Микроволокно представляет собой волокно диаметром менее 10 мкм и более 1 нм.In accordance with one aspect, the substrate contains woven and/or non-woven microfibers. A microfiber is a fiber with a diameter of less than 10 microns and more than 1 nm.
В соответствии с одним аспектом опорная подложка содержит неорганические волокна.In accordance with one aspect, the support substrate contains inorganic fibers.
В соответствии с одним аспектом опорная подложка содержит по меньшей мере одно из следующего: стекловолокно, керамическое волокно и углеродное волокно.In accordance with one aspect, the support substrate comprises at least one of glass fiber, ceramic fiber, and carbon fiber.
В соответствии с одним аспектом микроволокна имеют диаметр от 0,2 до 10 мкм, предпочтительно от 0,2 до 5 мкм, более предпочтительно от 0,2 до 3 мкм и наиболее предпочтительно от 0,2 до 1 мкм.In one aspect, the microfibers have a diameter of 0.2 to 10 μm, preferably 0.2 to 5 μm, more preferably 0.2 to 3 μm, and most preferably 0.2 to 1 μm.
В соответствии с одним аспектом опорная подложка содержит слой плетенных микроволокон. Плетеные микроволокна гибкие, соответственно и солнечный элемент становится гибким.In accordance with one aspect, the support substrate comprises a layer of braided microfibers. Braided microfibers are flexible, making the solar cell flexible.
В соответствии с одним аспектом опорная подложка содержит слой нетканых микроволокон, расположенных на слое тканых микроволокон. Тканые микроволокна и нетканые микроволокна являются гибкими, и соответственно солнечный элемент становится гибким. Нетканые микроволокна действуют как пружинная подушка, эффективно поглощая и демпфируя поступающую механическую энергию, а также распределяют поступающую механическую энергию по большей площади, тем самым уменьшая локальный эффект. Преимущество укладки пористых слоев на подложку, содержащую слой тканых микроволокон и нетканого материала, заключается в том, что опорная подложка становится амортизирующей и, следовательно, более механической прочной в случаях, когда солнечный элемент подвергается, например, механическому изгибу или скручиванию или растяжение или воздействию ударной силы. Это является преимуществом, когда солнечный элемент интегрирован в потребительские товары, такие как наушники, пульты дистанционного управления и сотовые телефоны.In accordance with one aspect, the support substrate includes a layer of nonwoven microfibers disposed on a layer of woven microfibers. Woven microfibers and non-woven microfibers are flexible, and accordingly the solar cell becomes flexible. Non-woven microfibers act as a spring cushion, effectively absorbing and damping incoming mechanical energy, and also distribute the incoming mechanical energy over a larger area, thereby reducing the local effect. The advantage of laying porous layers on a substrate containing a layer of woven microfibers and non-woven material is that the support substrate becomes shock-absorbing and therefore more mechanically robust in cases where the solar cell is subjected to, for example, mechanical bending or twisting or stretching or impact. strength. This is an advantage when the solar cell is integrated into consumer products such as headphones, remote controls and cell phones.
В соответствии с одним аспектом слой нетканых микроволокон расположен ближе к противоэлектроду, чем слой тканых микроволокон. Предпочтительно слой нетканых микроволокон примыкает к противоэлектроду.In accordance with one aspect, the layer of nonwoven microfibers is located closer to the counter electrode than the layer of woven microfibers. Preferably, a layer of non-woven microfibers is adjacent to the counter electrode.
- 3 046404- 3 046404
В соответствии с еще одним аспектом слой тканых микроволокон расположен ближе к противоэлектроду, чем слой нетканых микроволокон. Предпочтительно слой переплетенных микроволокон примыкает к противоэлектроду.In accordance with yet another aspect, the layer of woven microfibers is located closer to the counter electrode than the layer of non-woven microfibers. Preferably, a layer of interwoven microfibers is adjacent to the counter electrode.
В соответствии с одним аспектом слой тканых микроволокон содержит нити с образованными между ними отверстиями, и по меньшей мере часть нетканых микроволокон скапливается в отверстиях между нитями.In accordance with one aspect, the layer of woven microfibers contains threads with holes formed between them, and at least a portion of the nonwoven microfibers accumulates in the holes between the threads.
В соответствии с одним аспектом толщина разделительного слоя составляет от 3 до 50 мкм, предпочтительно от 4 до 20 мкм. Желательно сделать разделительный слой как можно тоньше, чтобы уменьшить резистивные потери в солнечном элементе и, соответственно, повысить эффективность элемента. Однако, если разделительный слой становится слишком тонким, возникает риск короткого замыкания между проводящим слоем и противоэлектродом.In accordance with one aspect, the thickness of the separating layer is from 3 to 50 μm, preferably from 4 to 20 μm. It is advisable to make the separating layer as thin as possible in order to reduce the resistive losses in the solar cell and, accordingly, increase the efficiency of the cell. However, if the separating layer becomes too thin, there is a risk of a short circuit between the conductive layer and the counter electrode.
В соответствии с одним аспектом разделительный слой содержит пористый электроизолирующий материал. Предпочтительно электроизолирующий материал выполнен из электроизолирующих частиц. Такой разделительный слой может быть изготовлен путем нанесения нескольких слоев изолирующих частиц друг на друга для достижения требуемой толщины разделительного слоя. Таким образом, можно регулировать толщину разделительного слоя и выбирать толщину разделительного слоя в зависимости от необходимости.In accordance with one aspect, the separating layer contains a porous electrically insulating material. Preferably, the electrically insulating material is made of electrically insulating particles. Such a separating layer can be made by depositing several layers of insulating particles on top of each other to achieve the required thickness of the separating layer. In this way, the thickness of the separating layer can be adjusted and the thickness of the separating layer can be selected depending on the need.
В соответствии с одним аспектом указанные электроизолирующие частицы состоят из изолирующего материала.In accordance with one aspect, said electrically insulating particles are composed of an insulating material.
В соответствии с одним аспектом указанные электроизолирующие частицы содержат сердцевину из полупроводникового материала и внешний слой из электроизолирующего материала, покрывающий сердцевину.In one aspect, said electrically insulating particles comprise a core of semiconductor material and an outer layer of electrically insulating material covering the core.
В соответствии с одним аспектом изолирующий материал внешнего слоя из изолирующих частиц содержит один или несколько материалов из группы, состоящей из оксида алюминия (Al2O3), оксида циркония (ZrO2), оксида кремния (SiO2) и алюмосиликата. Алюмосиликат представляет собой, например, Al2SiO5.In one aspect, the insulating material of the outer layer of insulating particles comprises one or more materials from the group consisting of aluminum oxide (Al 2 O 3 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), silicon oxide (SiO 2 ), and aluminosilicate. The aluminosilicate is, for example, Al2SiO5.
В соответствии с одним аспектом изолирующий материал внешнего слоя из изолирующих частиц представляет собой один или несколько материалов из группы, состоящей из оксида алюминия (Al2O3), оксида циркония (ZrO2), оксида кремния (SiO2) и алюмосиликата. Алюмосиликат представляет собой, например, Al2SiO5.In one aspect, the insulating material of the outer layer of insulating particles is one or more of the group consisting of aluminum oxide (Al 2 O 3 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), silicon oxide (SiO 2 ), and aluminosilicate. The aluminosilicate is, for example, Al 2 SiO 5 .
В соответствии с одним аспектом полупроводниковый материал в сердцевине изолирующей частицы содержит диоксид титана (TiO2).In one aspect, the semiconductor material in the core of the insulating particle comprises titanium dioxide (TiO 2 ).
В соответствии с одним аспектом полупроводниковый материал в сердцевине изолирующей частицы представляет собой диоксид титана (TiO2).In one aspect, the semiconductor material in the core of the insulating particle is titanium dioxide (TiO2).
В соответствии с одним аспектом электроизолирующий материал изолирующих частиц содержит один или несколько материалов из группы, состоящей из оксида алюминия (Al2O3), оксида циркония (ZrO2), оксида кремния (SiO2) и алюмосиликата. Алюмосиликат представляет собой, например, Al2SiO5. В соответствии с еще одним аспектом изолирующим материалом может быть стекло.In accordance with one aspect, the electrically insulating material of the insulating particles comprises one or more materials from the group consisting of aluminum oxide (Al2O3), zirconium oxide (ZrO2), silicon oxide (SiO2) and aluminosilicate. The aluminosilicate is, for example, Al2SiO5. In yet another aspect, the insulating material may be glass.
В соответствии с одним аспектом электроизолирующий материал из изолирующих частиц представляет собой один или несколько материалов из группы, состоящей из оксида алюминия (Al2O3), оксида циркония (ZrO2), оксида кремния (SiO2) и алюмосиликата.In one aspect, the electrically insulating particle insulating material is one or more of the group consisting of aluminum oxide (Al 2 O 3 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), silicon oxide (SiO 2 ), and aluminosilicate.
Алюмосиликат представляет собой, например, Al2SiO5. В соответствии с еще одним аспектом изолирующим материалом может быть стекло.The aluminosilicate is, for example, Al 2 SiO 5 . In yet another aspect, the insulating material may be glass.
В соответствии с одним аспектом проводящая заряд среда представляет собой жидкий электролит.In one aspect, the charge-conducting medium is a liquid electrolyte.
Некоторые проводящие среды, такие как электролиты на основе комплексов меди и электролиты на основе комплексов кобальта, могут иметь очень низкую электропроводность, что приводит к очень большим электрическим резистивным потерям. Низкая электропроводность возникает из-за того что электролиты имеют большие ионы с низкой скоростью диффузии. При переносе заряда жидким электролитом заряды движутся с броуновским движением, т. е. хаотично перемещаются за счет столкновений с быстро движущимися атомами или молекулами жидкости. Медь и кобальт имеют относительно большие ионы, которые медленно движутся и, следовательно, имеют низкую проводимость. Эффективность использования таких электролитов значительно повышается за счет небольшого расстояния между противоэлектродом и светопоглощающим слоем. Настоящее изобретение позволяет выбирать толщину разделительного слоя и, соответственно, в зависимости от электролита, выбирать подходящее расстояние между противоэлектродом и светопоглощающим слоем.Some conductive media, such as copper complex electrolytes and cobalt complex electrolytes, can have very low electrical conductivity, resulting in very large electrical resistive losses. Low electrical conductivity occurs because electrolytes have large ions with low diffusion rates. When a charge is transferred by a liquid electrolyte, the charges move with Brownian motion, that is, they move chaotically due to collisions with fast-moving atoms or molecules of the liquid. Copper and cobalt have relatively large ions that move slowly and therefore have low conductivity. The efficiency of using such electrolytes is significantly increased due to the small distance between the counter electrode and the light-absorbing layer. The present invention makes it possible to select the thickness of the separating layer and, accordingly, depending on the electrolyte, to select a suitable distance between the counter electrode and the light-absorbing layer.
В соответствии с одним аспектом проводящая среда содержит комплексы меди. Преимущество использования комплексов меди для переноса заряда состоит в том, что проводящая среда является нетоксичной. Было показано, что использование меди в качестве проводящей среды дает очень высокое результирующее фотонапряжение. Солнечный элемент, выполненный в соответствии с изобретением, позволяет использовать медные комплексы благодаря тому, что расстояние между противоэлектродом и светопоглощающим слоем можно сделать небольшим.In accordance with one aspect, the conductive medium contains copper complexes. The advantage of using copper complexes for charge transfer is that the conducting medium is non-toxic. Using copper as the conducting medium has been shown to give a very high net photovoltage. The solar cell made in accordance with the invention allows the use of copper complexes due to the fact that the distance between the counter electrode and the light-absorbing layer can be made small.
В соответствии с еще одним аспектом проводящая заряд среда содержит йодид (I-) и трииодид (I3-).In yet another aspect, the charge-conducting medium comprises iodide (I - ) and triiodide (I 3 - ).
- 4 046404- 4 046404
Другой целью настоящего изобретения является создание способа изготовления солнечного элемента. Способ включает использование пористой опорной подложки;Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a solar cell. The method includes using a porous support substrate;
нанесение пористого противоэлектрода на пористую опорную подложку;applying the porous counter electrode to the porous support substrate;
нанесение пористого разделительного слоя на противоэлектрод;applying a porous separating layer to the counter electrode;
нанесение пористого проводящего слоя на разделительный слой;applying a porous conductive layer to the separating layer;
нанесение пористого светопоглощающего слоя на проводящий слой;applying a porous light-absorbing layer to the conductive layer;
введение проводящей заряд среды в стопку и опорную подложку до тех пор, пока проводящая заряд среда не проникнет в опорную подложку и стопку, герметизацию солнечного элемента.introducing a charge-conducting medium into the stack and the support substrate until the charge-conducting medium penetrates the support substrate and the stack, sealing the solar cell.
В соответствии с одним аспектом нанесение пористого противоэлектрода включает нанесение пористого второго проводящего слоя и пористого каталитического слоя поверх второго проводящего слоя.In accordance with one aspect, applying a porous counter electrode includes applying a porous second conductive layer and a porous catalytic layer on top of the second conductive layer.
В соответствии с одним аспектом проводящую заряд среду вводят со стороны опорной подложки, которая обращена от стопки, так что опорная подложка и стопка пропитываются указанной средой.In one aspect, a charge-conducting medium is introduced from the side of the support substrate that faces away from the stack such that the support substrate and the stack are impregnated with the medium.
Нанесение пористого противоэлектрода, пористого разделительного слоя, пористого первого проводящего слоя и пористого светопоглощающего слоя осуществляют, например, с помощью технологии распыления или печати, такой как струйная печать или трафаретная печать.The application of the porous counter electrode, the porous separating layer, the porous first conductive layer and the porous light-absorbing layer is carried out, for example, by spraying or printing technology such as inkjet printing or screen printing.
Краткое описание чертежейBrief description of drawings
Ниже изобретение объяснено более подробно с помощью описания различных вариантов выполнения изобретения и со ссылкой на прилагаемые чертежи.Below, the invention is explained in more detail by means of a description of various embodiments of the invention and with reference to the accompanying drawings.
Фиг. 1 изображает вид в поперечном разрезе примера солнечного элемента, выполненного в соответствии с изобретением.Fig. 1 is a cross-sectional view of an example of a solar cell made in accordance with the invention.
Фиг. 2 изображает вид в поперечном разрезе другого примера солнечного элемента, выполненного в соответствии с изобретением.Fig. 2 is a cross-sectional view of another example of a solar cell made in accordance with the invention.
Фиг. 3 изображает СЭМ-изображение поперечного сечения примера варианта выполнения изобретения.Fig. 3 is a cross-sectional SEM image of an example embodiment of the invention.
Фиг. 4 изображает СЭМ-изображение поперечного сечения другого примера варианта выполнения изобретения.Fig. 4 is a cross-sectional SEM image of another example embodiment of the invention.
Фиг. 5 изображает блок-схему примера способа изготовления солнечного элемента, в соответствии с изобретением.Fig. 5 is a flowchart of an example of a method for manufacturing a solar cell in accordance with the invention.
Подробное описаниеDetailed description
Далее аспекты настоящего изобретения описаны более полно со ссылкой на прилагаемые чертежи. Однако устройство с солнечным элементом может быть реализовано во многих различных формах, и его не следует рассматривать как ограниченное изложенными здесь аспектами. Одинаковые номера на чертежах относятся к одинаковым элементам.Aspects of the present invention will now be described more fully with reference to the accompanying drawings. However, a solar cell device can be implemented in many different forms and should not be considered limited to the aspects set forth herein. Identical numbers in the drawings refer to identical elements.
Фиг. 1 изображает вид в поперечном разрезе примера солнечного элемента 1а, выполненного в соответствии с изобретением. Солнечный элемент 1а содержит опорную подложку 2 и стопку 12 пористых слоев 3-6, расположенных поверх опорной подложки 2. Стопка 12 пористых слоев содержит светопоглощающий слой 3, служащий рабочим электродом, проводящий слой 4 из пористого проводящего материала, служащий токосъемником, разделительный слой 5 из пористого электроизолирующего материала и противоэлектрод 6 из пористого проводящего материала. Противоэлектрод 6 сформирован на одной стороне пористой подложки 2. В этом примере противоэлектрод представляет собой пористый проводящий слой. Разделительный слой 5 расположен между противоэлектродом 6 и проводящим слоем 4. Разделительный слой 5 выполняет функцию физического и электрического разделения проводящего слоя 4 и противоэлектрода 6 во избежание прямого электронного короткого замыкания между ними. В этом примере разделительный слой 5 сформирован на противоэлектроде 6, а проводящий слой 4 сформирован на разделительном слое 5. Светопоглощающий слой 3 расположен поверх проводящего слоя 4. Первый проводящий слой 4 содержит проводящий материал для извлечения фотогенерированных электронов из светопоглощающего слоя 3. Светопоглощающий слой 3 может быть выполнен по-разному. Например, светопоглощающий слой может содержать молекулы красителя, адсорбированные на поверхности полупроводниковых частиц, или кластеры красителя, или зерна из полупроводникового материала, такого как кремний.Fig. 1 is a cross-sectional view of an example of a solar cell 1a constructed in accordance with the invention. The solar cell 1a contains a support substrate 2 and a stack 12 of porous layers 3-6 located on top of the support substrate 2. The stack 12 of porous layers contains a light-absorbing layer 3 serving as a working electrode, a conductive layer 4 of porous conductive material serving as a current collector, a separating layer 5 of porous electrically insulating material and a counter electrode 6 made of porous conductive material. The counter electrode 6 is formed on one side of the porous substrate 2. In this example, the counter electrode is a porous conductive layer. The separating layer 5 is located between the counter electrode 6 and the conductive layer 4. The separating layer 5 serves the function of physically and electrically separating the conductive layer 4 and the counter electrode 6 to avoid a direct electronic short circuit between them. In this example, the separating layer 5 is formed on the counter electrode 6, and the conductive layer 4 is formed on the separating layer 5. The light-absorbing layer 3 is located on top of the conductive layer 4. The first conductive layer 4 contains a conductive material for extracting photogenerated electrons from the light-absorbing layer 3. The light-absorbing layer 3 can be done differently. For example, the light-absorbing layer may contain dye molecules adsorbed on the surface of semiconductor particles, or dye clusters or grains of semiconductor material such as silicon.
Пористые слои 3-6 являются активными слоями, а значит, участвуют в выработке энергии. Опорная подложка 2 не является активным слоем в солнечном элементе, т.е. не участвует в выработке энергии. Опорная подложка 2 поддерживает стопку 12 пористых слоев 3-6. Кроме того, опорная подложка 2 позволяет печатать на ней противоэлектрод 6 во время изготовления солнечного элемента. Пористые слои 3-6 расположены на одной стороне опорной подложки 2.Porous layers 3-6 are active layers, which means they participate in energy production. The support substrate 2 is not an active layer in the solar cell, i.e. does not participate in energy production. The support substrate 2 supports a stack of 12 porous layers 3-6. In addition, the support substrate 2 allows the counter electrode 6 to be printed on it during the manufacture of the solar cell. Porous layers 3-6 are located on one side of the support substrate 2.
Каждый из сформированных на подложке пористых слоев имеет большое количество пор. Солнечный элемент дополнительно содержит проводящую заряд среду 7, проникающую в поры пористых слоев 3-6 для обеспечения переноса зарядов между светопоглощающим слоем 3 и противоэлектродом 6. Опорная подложка 2 также является пористой и содержит поры. Проводящая заряд среда 7 проникает в поры опорной подложки 2, а также в поры пористых слоев 3-6 солнечного элемента. Из-за пористости подложки 2 поры подложки функционируют как резервуар для проводящей заряд среды.Each of the porous layers formed on the substrate has a large number of pores. The solar cell further contains a charge-conducting medium 7 that penetrates the pores of the porous layers 3-6 to ensure charge transfer between the light-absorbing layer 3 and the counter electrode 6. The support substrate 2 is also porous and contains pores. The charge-conducting medium 7 penetrates into the pores of the support substrate 2, as well as into the pores of the porous layers 3-6 of the solar cell. Due to the porosity of the substrate 2, the pores of the substrate function as a reservoir for a charge-conducting medium.
- 5 046404- 5 046404
В одном аспекте средний размер пор пористых слоев 3-6 в стопке 12 меньше, чем средний размер пор опорной подложки 2, так что капиллярные силы в порах пористых слоев 3-6 больше, чем капиллярные силы в опорной подложке 2. Разница в размерах пор между опорной подложкой 2 и пористыми слоями 3-6 делает капиллярные силы в пористых слоях более сильными, чем капиллярные силы в опорной подложке 2, и, следовательно, проводящая заряд среда 7 будет перекачиваться вверх к активным слоям 3-6, если содержание проводящей заряд среды в активных слоях солнечного элемента уменьшится.In one aspect, the average pore size of the porous layers 3-6 in the stack 12 is smaller than the average pore size of the support substrate 2, such that the capillary forces in the pores of the porous layers 3-6 are greater than the capillary forces in the support substrate 2. The difference in pore sizes between support substrate 2 and porous layers 3-6 makes the capillary forces in the porous layers stronger than the capillary forces in the support substrate 2, and therefore the charge-conducting medium 7 will be pumped upward to the active layers 3-6 if the content of the charge-conducting medium is active layers of the solar cell will decrease.
Предпочтительно, чтобы по меньшей мере 80% пор в подложке 2 были больше 3 мкм, а по меньшей мере 80% пор в пористых слоях были меньше 3 мкм. Более предпочтительно по меньшей мере 90% пор в опорной подложке 2 имеют размер более 3 мкм, а по меньшей мере 90% пор в пористых слоях 3-6 имеют размер менее 3 мкм. Например, по меньшей мере 80% пор в опорной подложке 2 имеют размер от 3 мкм до 10 мкм.Preferably, at least 80% of the pores in the substrate 2 are larger than 3 μm, and at least 80% of the pores in the porous layers are smaller than 3 μm. More preferably, at least 90% of the pores in the support substrate 2 have a size greater than 3 μm, and at least 90% of the pores in the porous layers 3-6 have a size less than 3 μm. For example, at least 80% of the pores in the support substrate 2 have a size of from 3 μm to 10 μm.
Чем толще опорная подложка 2, тем больше резервуар для проводящей заряд среды в солнечном элементе. Обычно толщина подложки 2 составляет от 20 до 200 мкм. Предпочтительно толщина подложки составляет по меньшей мере 30 мкм.The thicker the support substrate 2, the larger the reservoir for the charge-conducting medium in the solar cell. Typically, the thickness of the substrate 2 is from 20 to 200 μm. Preferably, the thickness of the substrate is at least 30 µm.
Чем выше пористость опорной подложки, тем больше резервуар для проводящей заряд среды 7. Предпочтительно пористость опорной подложки составляет по меньшей мере 50%, а наиболее предпочтительно по меньшей мере 70%. Если опорная подложка слишком пористая, механическая прочность подложки будет слишком низкой. Предпочтительно пористость опорной подложки составляет от 50% до 90%.The higher the porosity of the support substrate, the larger the reservoir for the charge-conducting medium 7. Preferably, the porosity of the support substrate is at least 50%, and most preferably at least 70%. If the support substrate is too porous, the mechanical strength of the substrate will be too low. Preferably, the porosity of the support substrate is from 50% to 90%.
Солнечный элемент дополнительно содержит оболочку 10, герметизирующую пористые слои 3-6, опорную подложку 2 и проводящую среду 7. Стопка 12 пористых слоев расположена на одной стороне опорной подложки 2, а на противоположной стороне опорная подложка обращена к оболочке 10.The solar cell further comprises a shell 10 sealing the porous layers 3-6, a support substrate 2 and a conductive medium 7. A stack 12 of porous layers is located on one side of the support substrate 2, and on the opposite side the support substrate faces the shell 10.
Стопка 12 пористых слоев может содержать другие пористые слои, расположенные между пористыми слоями 3-6. Например, может иметься пористый каталитический слой, расположенный между опорной подложкой 2 и противоэлектродом 6 или между противоэлектродом 6 и разделительным слоем 5, как показано на фиг. 1. Кроме того, между проводящим слоем 4 и светопоглощающим слоем 3 может быть расположен пористый отражающий слой. Те же условия, которые упоминались выше в отношении размера пор, применяются ко всем слоям в стопке 12 пористых слоев, независимо от количества слоев.The stack 12 of porous layers may contain other porous layers located between the porous layers 3-6. For example, there may be a porous catalyst layer located between the support substrate 2 and the counter electrode 6 or between the counter electrode 6 and the separating layer 5, as shown in FIG. 1. In addition, a porous reflective layer may be disposed between the conductive layer 4 and the light-absorbing layer 3. The same conditions mentioned above regarding pore size apply to all layers in the stack of 12 porous layers, regardless of the number of layers.
На фиг. 2 изображен вид в поперечном разрезе другого примера солнечного элемента 1b, выполненного в соответствии с изобретением. Солнечный элемент 1b содержит опорную подложку 2 и стопку 12 пористых слоев 3-6, расположенных поверх опорной подложки 2. Солнечный элемент 1b отличается от солнечного элемента 1а тем, что противоэлектрод 6 солнечного элемента 1b содержит второй пористый проводящий слой 6а и пористый каталитический слой 6b, сформированный поверх пористого проводящего слоя 6а.In fig. 2 is a cross-sectional view of another example of a solar cell 1b constructed in accordance with the invention. Solar cell 1b includes a support substrate 2 and a stack 12 of porous layers 3-6 disposed on top of the support substrate 2. Solar cell 1b differs from solar cell 1a in that the counter electrode 6 of solar cell 1b includes a second porous conductive layer 6a and a porous catalytic layer 6b, formed on top of the porous conductive layer 6a.
В этом примере опорная подложка 2 содержит слой 2а тканых микроволокон и слой 2b нетканых микроволокон, расположенных на слое 2а тканых микроволокон. Противоэлектрод 6 расположен на слое 2b нетканых микроволокон. В этом примере пористый проводящий слой 6а противоэлектрода 6 сформирован на слое 2b нетканых микроволокон. В качестве альтернативы каталитический слой 6b расположен на слое 2b нетканых микроволокон. Слой 2а тканых микроволокон содержит нити с образованными между ними отверстиями, и по меньшей мере часть нетканых микроволокон скапливается в отверстиях между нитями. Предпочтительно микроволокна в слое 6b нетканых микроволокон имеют диаметр от 0,2 мкм до 5 мкм, чтобы получить поры, имеющие размер более 1 мкм. В европейском патенте № 2834824 В1 описаны способы изготовления подложки 2, содержащей как тканые, так и нетканые микроволокна.In this example, the support substrate 2 includes a woven microfiber layer 2a and a non-woven microfiber layer 2b disposed on the woven microfiber layer 2a. The counter electrode 6 is located on the non-woven microfiber layer 2b. In this example, the porous conductive layer 6a of the counter electrode 6 is formed on the non-woven microfiber layer 2b. Alternatively, the catalytic layer 6b is located on the non-woven microfiber layer 2b. The woven microfiber layer 2a contains threads with holes formed between them, and at least a portion of the non-woven microfibers accumulates in the holes between the threads. Preferably, the microfibers in the nonwoven microfiber layer 6b have a diameter of from 0.2 μm to 5 μm to obtain pores having a size greater than 1 μm. European Patent No. 2834824 B1 describes methods for producing a substrate 2 containing both woven and non-woven microfibers.
Солнечные элементы 1а и 1b представляют собой элементы монолитного типа. Это означает, что все пористые слои прямо или косвенно нанесены на одну и ту же опорную подложку 2. Солнечные элементы 1а и 1b могут, например, представлять собой сенсибилизированные красителем солнечные элементы (DSSC).Solar cells 1a and 1b are monolithic type cells. This means that all the porous layers are directly or indirectly deposited on the same support substrate 2. The solar cells 1a and 1b may, for example, be dye-sensitized solar cells (DSSC).
На фиг. 3 показано СЭМ-изображение вида в поперечном разрезе одного примера одного варианта выполнения изобретения, показывающее опорную подложку 2, содержащую слой 2а тканых микроволокон поверх слоя 2b нетканых микроволокон. На опорной подложке 2 расположен второй пористый проводящий слой 6а, затем каталитический слой 6b и поверх каталитического слоя - разделительный слой 5. Поверх разделительного слоя 5 расположен первый проводящий слой 4, а на нем -светопоглощающий слой 3.In fig. 3 is an SEM image of a cross-sectional view of one example of one embodiment of the invention, showing a support substrate 2 comprising a layer 2a of woven microfibers on top of a layer 2b of nonwoven microfibers. On the support substrate 2 there is a second porous conductive layer 6a, then a catalytic layer 6b and on top of the catalytic layer a separation layer 5. On top of the separation layer 5 there is a first conductive layer 4, and on it there is a light-absorbing layer 3.
На фиг. 4 показано изображение вида в поперечном разрезе другого примера одного варианта выполнения изобретения, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа, на котором показана опорная подложка 2, содержащая слой 2b нетканых микроволокон поверх слоя 2а тканых микроволокон. На опорной подложке 2 расположен второй пористый проводящий слой 6а, затем каталитический слой 6b и поверх каталитического слоя - разделительный слой 5. Поверх разделительного слоя 5 расположен первый проводящий слой 4, а на нем - светопоглощающий слой 3.In fig. 4 is a cross-sectional view of another example of one embodiment of the invention obtained using a scanning electron microscope, showing a support substrate 2 comprising a layer 2b of nonwoven microfibers on top of a layer 2a of woven microfibers. On the support substrate 2 there is a second porous conductive layer 6a, then a catalytic layer 6b and on top of the catalytic layer a separation layer 5. On top of the separation layer 5 there is a first conductive layer 4, and on it there is a light-absorbing layer 3.
Предпочтительно размер пор светопоглощающего слоя 3 равен или меньше размера пор первого проводящего слоя 4, размер пор первого проводящего слоя 4 равен или меньше размера пор разделяющего слоя 5, а размер пор разделительного слоя 5 равен или меньше размера пор слоев противоэлектрода 6, 6а, 6b. РазмерPreferably, the pore size of the light-absorbing layer 3 is equal to or less than the pore size of the first conductive layer 4, the pore size of the first conductive layer 4 is equal to or less than the pore size of the separating layer 5, and the pore size of the separating layer 5 is equal to or less than the pore size of the counter electrode layers 6, 6a, 6b. Size
- 6 046404 пор противоэлектрода 6, 6а, 6b предпочтительно меньше размера пор опорной подложки 2, 2а, 2b.- 6 046404 pores of the counter electrode 6, 6a, 6b are preferably smaller than the pore size of the support substrate 2, 2a, 2b.
В одном варианте выполнения изобретения размер пор в стопке 12 пористых слоев уменьшается от противоэлектрода 6 к светопоглощающему слою 3. Например, размер пор светопоглощающего слоя 3 меньше, чем размер пор первого проводящего слоя 4, размер пор первого проводящего слоя 4 меньше размера пор разделительного слоя 5, а размер пор разделительного слоя 5 меньше размера пор противоэлектрода 6, 6а, 6b. Размер пор противоэлектрода 6, 6а, 6b меньше размера пор опорной подложки 2, 2а, 2b. Этот вариант выполнения усиливает разницу в капиллярных силах в пористых слоях по сравнению с капиллярными силами в опорной подложке 2.In one embodiment of the invention, the pore size of the porous layer stack 12 decreases from the counter electrode 6 to the light-absorbing layer 3. For example, the pore size of the light-absorbing layer 3 is smaller than the pore size of the first conductive layer 4, the pore size of the first conductive layer 4 is smaller than the pore size of the separation layer 5 , and the pore size of the separating layer 5 is smaller than the pore size of the counter electrode 6, 6a, 6b. The pore size of the counter electrode 6, 6a, 6b is smaller than the pore size of the support substrate 2, 2a, 2b. This embodiment enhances the difference in capillary forces in the porous layers compared to the capillary forces in the support substrate 2.
Светопоглощающий слой 3 обращен к падающему свету. Светопоглощающий слой 3 может быть выполнен по-разному. Например, светопоглощающий слой 3 может содержать пористый слой TiO2, нанесенный на первый проводящий слой 4. Слой TiO2 может содержать частицы TiO2, на поверхности которых абсорбированы молекулы красителя. В другом примере светопоглощающий слой 3 содержит множество зерен легированного полупроводникового материала, такого как кремний, нанесенных на проводящий слой 4. Проводящая заряд среда целиком размещена в порах, образованных между зернами. Толщина светопоглощающего слоя 3 может варьироваться и зависит от типа светопоглощающего слоя 3.The light-absorbing layer 3 faces the incident light. The light-absorbing layer 3 can be designed in different ways. For example, the light-absorbing layer 3 may comprise a porous TiO 2 layer deposited on the first conductive layer 4. The TiO 2 layer may comprise TiO 2 particles on the surface of which dye molecules are absorbed. In another example, the light-absorbing layer 3 contains a plurality of grains of doped semiconductor material, such as silicon, deposited on the conductive layer 4. The charge-conducting medium is entirely contained in the pores formed between the grains. The thickness of the light-absorbing layer 3 can vary and depends on the type of light-absorbing layer 3.
Верхняя сторона солнечного элемента 1a; 1b должна быть обращена к свету, чтобы свет мог попадать на светопоглощающий слой 3. В соответствии с некоторыми аспектами, светопоглощающий слой представляет собой слой пористых наночастиц TiO2 с адсорбированным органическим красителем или молекулами металлоорганического красителя или молекулами природного красителя. Однако светопоглощающий слой 3 может также содержать зерна легированного полупроводникового материала, например Si, CdTe, CIGS, CIS, GaAs или перовскита.Top side of solar cell 1a; 1b must face the light so that light can enter the light-absorbing layer 3. In some aspects, the light-absorbing layer is a layer of porous TiO 2 nanoparticles with adsorbed organic dye or organometallic dye molecules or natural dye molecules. However, the light-absorbing layer 3 may also contain grains of doped semiconductor material such as Si, CdTe, CIGS, CIS, GaAs or perovskite.
Проводящий слой 4 служит задним контактом, который извлекает фотогенерированные заряды из светопоглощающего слоя 3. Пористость проводящего слоя 4 предпочтительно может составлять от 30% до 85%. В зависимости от того, какой материал используется для проводящего слоя 4 и какой способ изготовления используется, толщина проводящего слоя 4 может варьироваться от 1 до 50 мкм. Например, проводящий слой 4 изготовлен из материала, выбранного из группы, состоящей из титана, сплавов титана, сплавов никеля, графита и аморфного углерода или их шихт. Наиболее предпочтительно проводящий слой выполнен из титана или титанового сплава или их шихт. В таком случае толщина проводящего слоя 4 предпочтительно составляет от 4 до 30 мкм.The conductive layer 4 serves as a back contact that extracts photogenerated charges from the light-absorbing layer 3. The porosity of the conductive layer 4 can preferably be from 30% to 85%. Depending on what material is used for the conductive layer 4 and what manufacturing method is used, the thickness of the conductive layer 4 can vary from 1 to 50 μm. For example, the conductive layer 4 is made of a material selected from the group consisting of titanium, titanium alloys, nickel alloys, graphite and amorphous carbon or mixtures thereof. Most preferably, the conductive layer is made of titanium or titanium alloy or mixtures thereof. In such a case, the thickness of the conductive layer 4 is preferably 4 to 30 μm.
Разделительный слой 5 служит в качестве электрического разделения между проводящим слоем 4 и противоэлектродом 6 во избежание короткого замыкания между ними. Расстояние между противоэлектродом 2 и светопоглощающим слоем 3 зависит от толщины разделительного слоя 5 и должно быть как можно меньше, чтобы перенос зарядов между противоэлектродом 2 и светопоглощающим слоем 3 становился максимально быстрым, насколько это возможно и, следовательно, уменьшить резистивные потери в солнечном элементе. Толщина разделительного слоя составляет, например, от 3 до 50 мкм, предпочтительно от 4 до 20 мкм. Разделительный слой содержит пористый электроизолирующий материал. Например, разделительный слой содержит пористый слой электроизолирующих частиц. Например, изолирующие частицы имеют сердцевину из полупроводникового материала и внешний слой из электроизолирующего материала. Например, на поверхности полупроводникового материала сформирован слой из изолирующего оксида. Подходящим полупроводниковым материалом является диоксид титана (TiO2). Изолирующим материалом является, например, оксид алюминия или оксид кремния. В качестве альтернативы все частицы могут состоять из изолирующего материала, например из оксида алюминия (Al2O3), оксида кремния (SiO2) или оксида циркония (ZrO2).The separating layer 5 serves as an electrical separation between the conductive layer 4 and the counter electrode 6 to avoid a short circuit between them. The distance between the counter electrode 2 and the light-absorbing layer 3 depends on the thickness of the separating layer 5 and should be as small as possible so that the charge transfer between the counter electrode 2 and the light-absorbing layer 3 becomes as fast as possible and, therefore, reduce the resistive losses in the solar cell. The thickness of the separating layer is, for example, from 3 to 50 μm, preferably from 4 to 20 μm. The separating layer contains a porous electrically insulating material. For example, the separating layer contains a porous layer of electrically insulating particles. For example, the insulating particles have a core of semiconductor material and an outer layer of electrically insulating material. For example, a layer of insulating oxide is formed on the surface of a semiconductor material. A suitable semiconductor material is titanium dioxide (TiO 2 ). The insulating material is, for example, aluminum oxide or silicon oxide. Alternatively, all particles may consist of an insulating material, such as aluminum oxide (Al 2 O 3 ), silicon oxide (SiO 2 ) or zirconium oxide (ZrO 2 ).
Противоэлектрод 6 содержит пористый проводящий слой 6а. Противоэлектрод обычно также содержит каталитический слой 6b. Противоэлектрод 6 может иметь отдельный пористый каталитический слой 6b или иметь каталитические частицы, интегрированные в пористый проводящий слой 6а. Пористость противоэлектрода 6 предпочтительно может составлять от 30 до 85%. В зависимости от того, какой материал используется для противоэлектрода 6 и способа изготовления, толщина противоэлектрода 6 может варьироваться от 1 до 50 мкм. Например, противоэлектрод 6 изготовлен из материала, выбранного из группы, состоящей из титана, сплавов титана, сплавов никеля, графита и аморфного углерода или их шихт. Наиболее предпочтительно противоэлектрод 6 изготовлен из титана или титанового сплава или их шихт. В таком случае толщина проводящего слоя 4 предпочтительно составляет от 10 до 30 мкм. Для достижения каталитического эффекта противоэлектрод 6 может включать платинированные частицы проводящих оксидов металлов, таких как платинированные ITO (индий-олово-оксид), АТО (сурьмаолово-оксид), РТО (фосфор-олово-оксид) и FTO (фтор-олово-оксид), или частицы платинированной сажи или графита.The counter electrode 6 contains a porous conductive layer 6a. The counter electrode usually also contains a catalytic layer 6b. The counter electrode 6 may have a separate porous catalyst layer 6b or have catalyst particles integrated into the porous conductive layer 6a. The porosity of the counter electrode 6 can preferably be from 30 to 85%. Depending on what material is used for the counter electrode 6 and the manufacturing method, the thickness of the counter electrode 6 can vary from 1 to 50 μm. For example, the counter electrode 6 is made of a material selected from the group consisting of titanium, titanium alloys, nickel alloys, graphite and amorphous carbon or mixtures thereof. Most preferably, the counter electrode 6 is made of titanium or titanium alloy or mixtures thereof. In such a case, the thickness of the conductive layer 4 is preferably 10 to 30 μm. To achieve a catalytic effect, the counter electrode 6 may include platinized particles of conductive metal oxides, such as platinized ITO, ATO, PTO, and FTO. , or particles of platinized carbon black or graphite.
Опорная подложка 2 может представлять собой подложку на основе микроволокна, такую как подложка из стеклянного микроволокна или подложка из керамического микроволокна. Опорная подложка 2 может быть изготовлена из микроволокон. Микроволокно представляет собой волокно диаметром менее 10 мкм и длиной более 1 нм. Соответственно опорная подложка 2 содержит тканые микроволокна. Микроволокна могут быть изготовлены из тугоплавкого и инертного материала, такого как стекло, SiO2, Al2O3 и алюмосиликат. Органические микроволокна представляют собой волокна, изготовленные из орThe support substrate 2 may be a microfiber substrate such as a glass microfiber substrate or a ceramic microfiber substrate. The support substrate 2 can be made of microfibers. A microfiber is a fiber with a diameter of less than 10 microns and a length of more than 1 nm. Accordingly, the support substrate 2 contains woven microfibers. Microfibers can be made from refractory and inert materials such as glass, SiO 2 , Al 2 O 3 and aluminosilicate. Organic microfibers are fibers made from organic
- 7 046404 ганических материалов, таких как полимеры, такие как, например, поликапролактон, ПЭТ, ПЭО и т.д., или целлюлозы, такой как, например, наноцеллюлоза (MFC) или древесная масса. Опорная подложка 2 может содержать тканые микроволокна и нетканые микроволокна, расположенные на тканых микроволокнах. Соответственно опорная подложка 2 содержит стекловолокно. Например, пористая опорная подложка может быть изготовлена из тканых и нетканых стеклянных волокон. Толщина подложки 2 предпочтительно составляет от 10 мкм до 1 мм. Такой слой обеспечивает необходимую механическую прочность.- 7 046404 organic materials such as polymers, such as, for example, polycaprolactone, PET, PEO, etc., or celluloses, such as, for example, nanocellulose (MFC) or wood pulp. The support substrate 2 may comprise woven microfibers and non-woven microfibers disposed on the woven microfibers. Accordingly, the support substrate 2 contains glass fiber. For example, the porous support substrate can be made from woven and non-woven glass fibers. The thickness of the substrate 2 is preferably from 10 μm to 1 mm. This layer provides the necessary mechanical strength.
Проводящая заряд среда 7 расположена как единое целое в порах пористых слоев 3-6 и порах подложки 2 и переносит заряды между противоэлектродом 6 и светопоглощающим слоем 3. Проводящая заряд среда 7 может представлять собой любую подходящую проводящую среду, такую как жидкость, гель или твердый материал, такой как полупроводник. Примерами электролитов являются жидкие электролиты, например, на основе йодида (Г)/трииодида (13-)-ионов или комплексов кобальта в качестве окислительно-восстановительной пары, или гелевые электролиты, обычные полимерные электролиты. Предпочтительно проводящая среда представляет собой жидкий электролит, такой как электролит на основе ионной жидкости, электролит на основе комплекса меди или электролит на основе комплекса кобальта.The charge-conducting medium 7 is located integrally in the pores of the porous layers 3-6 and the pores of the substrate 2 and transfers charges between the counter electrode 6 and the light-absorbing layer 3. The charge-conducting medium 7 can be any suitable conductive medium, such as a liquid, gel or solid material , such as a semiconductor. Examples of electrolytes are liquid electrolytes, for example based on iodide (I)/triiodide (1 3- ) ions or cobalt complexes as a redox couple, or gel electrolytes, conventional polymer electrolytes. Preferably, the conductive medium is a liquid electrolyte such as an ionic liquid electrolyte, a copper complex electrolyte or a cobalt complex electrolyte.
Солнечные элементы должны быть надлежащим образом герметизированы, чтобы избежать утечки проводящей заряд среды. Например, солнечный элемент имеет оболочку 10, вмещающую узел солнечного элемента. Однако, чтобы обеспечить доступ к энергии, вырабатываемой солнечным элементом, через оболочку необходимо каким-то образом проникнуть. Несмотря на то что отверстия герметизированы, существует риск медленной утечки проводящей заряд среды из солнечного элемента. Утечка может также происходить из запаянных краев оболочки. Медленная утечка проводящей заряд среды приводит к медленному ухудшению эффективности солнечного элемента. Когда содержание проводящей заряд среды в солнечном элементе достигает минимального уровня, способность солнечного элемента преобразовывать свет в электричество будет уменьшено. Этот процесс может занять несколько месяцев или даже лет в зависимости от качества оболочки и герметизации.Solar cells must be properly sealed to prevent leakage of the charge-conducting medium. For example, the solar cell has a shell 10 housing the solar cell assembly. However, in order to access the energy produced by the solar cell, the shell must be penetrated somehow. Even though the holes are sealed, there is a risk of the charge-conducting medium slowly leaking out of the solar cell. Leakage may also occur from the sealed edges of the shell. The slow leakage of the charge-conducting medium causes the solar cell's efficiency to slowly deteriorate. When the content of the charge-conducting medium in a solar cell reaches a minimum level, the solar cell's ability to convert light into electricity will be reduced. This process can take several months or even years depending on the quality of the casing and sealing.
Оболочка 10 действует как барьер для защиты солнечного элемента от окружающей атмосферы и для предотвращения испарения или утечки проводящей заряд среды изнутри элемента. Оболочка 10 может содержать верхний лист, покрывающий верхнюю сторону солнечного элемента, и нижний лист, покрывающий нижнюю сторону солнечного элемента. Верхний лист на верхней стороне солнечного элемента покрывает светопоглощающий слой и должен быть прозрачным, чтобы пропускать свет. Нижняя сторона опорной подложки 2 обращена к нижнему листу оболочки 10. Светопоглощающий слой 3 обращен к верхнему листу оболочки 10. Верхний и нижний листы выполнены, например, из полимерного материала. Края верхнего и нижнего листов заклеены.The shell 10 acts as a barrier to protect the solar cell from the surrounding atmosphere and to prevent evaporation or leakage of the charge-conducting medium from within the cell. The shell 10 may include a top sheet covering the top side of the solar cell and a bottom sheet covering the bottom side of the solar cell. The top sheet on the top side of the solar cell covers the light-absorbing layer and must be transparent to allow light to pass through. The lower side of the support substrate 2 faces the bottom sheet of the shell 10. The light-absorbing layer 3 faces the top sheet of the shell 10. The top and bottom sheets are made, for example, of a polymer material. The edges of the top and bottom sheets are sealed.
В соответствии с одним аспектом оболочка 10 солнечного элемента 1a, 1b содержит множество сквозных отверстий (не показаны на чертежах) для обеспечения доступа к энергии, вырабатываемой солнечным элементом. Сквозные отверстия принимают провода для электрического соединения с первым проводящим слоем 4 и противоэлектродом 6. Сквозные отверстия могут быть расположены в соединении с первым проводящим слоем 4 и противоэлектродом 6. Предпочтительно сквозные отверстия расположены сбоку оболочки под опорной подложкой 7.In accordance with one aspect, the shell 10 of the solar cell 1a, 1b includes a plurality of through holes (not shown in the drawings) to provide access to power generated by the solar cell. The through holes receive wires for electrical connection with the first conductive layer 4 and the counter electrode 6. The through holes may be located in connection with the first conductive layer 4 and the counter electrode 6. Preferably, the through holes are located on the side of the shell under the support substrate 7.
На фиг. 5 показана блок-схема одного примера способа изготовления солнечного элемента, в соответствии с изобретением. Способ на фиг. 5 включает следующие этапы:In fig. 5 is a flow diagram of one example of a method for manufacturing a solar cell in accordance with the invention. The method in Fig. 5 includes the following steps:
S1: подготовку пористой опорной подложки 2;S1: preparation of porous support substrate 2;
S2: нанесение пористого противоэлектрода 6 на пористую опорную подложку 2;S2: applying the porous counter electrode 6 to the porous support substrate 2;
S3: нанесение пористого разделительного слоя 5 на противоэлектрод 6;S3: applying a porous separating layer 5 to the counter electrode 6;
S4: нанесение первого пористого проводящего слоя 4 на разделительный слой 5;S4: applying the first porous conductive layer 4 to the separating layer 5;
S5: нанесение пористого светопоглощающего слоя 3 на первый проводящий слой 4;S5: applying the porous light-absorbing layer 3 to the first conductive layer 4;
S6: введение проводящей заряд среды 7 в стопку 12 и опорную подложку 2 до тех пор, пока проводящая заряд среда 7 не проникнет в опорную подложку 2 и стопку 12;S6: introducing the charge-conducting medium 7 into the stack 12 and the support substrate 2 until the charge-conducting medium 7 penetrates the support substrate 2 and the stack 12;
S7: герметизацию солнечного элемента.S7: solar cell sealing.
В соответствии с одним аспектом проводящую заряд среду 7 вводят на стороне опорной подложки, которая обращена к стопке 12, так что опорная подложка и стопка пропитываются проводящей заряд средой.In accordance with one aspect, the charge-conducting medium 7 is introduced on the side of the support substrate that faces the stack 12 such that the support substrate and the stack are impregnated with the charge-conducting medium.
Нанесение на этапах S2-S5 выполняют, например, с помощью технологии распыления или печати, такой как струйная печать или трафаретная печать.The application in steps S2 to S5 is carried out, for example, using a spraying or printing technology such as inkjet printing or screen printing.
Теперь будет объяснен более подробно пример того, как может быть выполнен этап S3. Разделительную краску получают путем смешивания порошка изолирующих частиц с растворителем, диспергирующим агентом и связующим. Растворителем является, например, вода или органический растворитель. Связующим является, например, гидроксипропилцеллюлоза. Диспергирующим агентом является, например, Byk 180. Смесь перемешивают до тех пор, пока агрегированные частицы в порошке не разделятся на отдельные частицы, а частицы в краске не будут хорошо диспергированы. Разделительную краску наносят на противоэлектрод 6 способом распыления или печати. Нанесение разделительной краски можно повторять два, три и более раз до тех пор, пока на противоэлектрод не будет нанесен достаточноAn example of how step S3 can be performed will now be explained in more detail. Release paint is made by mixing a powder of insulating particles with a solvent, dispersant and binder. The solvent is, for example, water or an organic solvent. The binder is, for example, hydroxypropylcellulose. The dispersing agent is, for example, Byk 180. The mixture is stirred until the aggregated particles in the powder are separated into individual particles and the particles in the paint are well dispersed. The release paint is applied to the counter electrode 6 by spraying or printing. The application of release paint can be repeated two, three or more times until sufficient paint has been applied to the counter electrode.
- 8 046404 толстый слой изолирующих частиц. Предпочтительно слой разделительной краски высушивают перед нанесением следующего слоя разделительной краски на ее предыдущий слой. Предпочтительно повторять нанесение разделительной краски два или большее количество раз, поскольку следующие слои краски устранят возможные дефекты в предыдущих слоях изолирующих частиц. Важно, чтобы в разделительном слое 5 не было дефектов, таких как трещины или отверстия, так как это приведет к короткому замыканию между противоэлектродом 6 и пористым первым проводящим слоем 4.- 8 046404 thick layer of insulating particles. Preferably, the release ink layer is dried before applying the next layer of release ink to its previous layer. It is preferable to repeat the application of release paint two or more times, since subsequent layers of paint will eliminate any defects in previous layers of release particles. It is important that the separating layer 5 does not contain defects such as cracks or holes, as this will result in a short circuit between the counter electrode 6 and the porous first conductive layer 4.
Солнечный элемент 1а на фиг. 1 пропитывают проводящей заряд средой 7 в поры светопоглощающего слоя 3, в поры первого проводящего слоя 4, в поры разделительного слоя 5, в поры противоэлектрода 6 и в поры подложки 2. Проводящая заряд среда образует непрерывный слой внутри пор проводящих слоев и между проводящими слоями внутри пор разделительного слоя, тем самым обеспечивая перенос электрического заряда между противоэлектродом 6 и рабочим электродом, включая первый проводящий слой 4 и светопоглощающий слой 3. Первый пористый проводящий слой 4 извлекает электроны из светопоглощающего слоя 3 и переносит электроны во внешнюю электрическую цепь, соединенную с противоэлектродом 6 (не показан на фиг. 1). Противоэлектрод 6 используется для переноса электронов в проводящую заряд среду 7. Проводящая среда 7 переносит электроны обратно в светопоглощающий слой 3, тем самым замыкая электрическую цепь.Solar cell 1a in FIG. 1 is impregnated with a charge-conducting medium 7 into the pores of the light-absorbing layer 3, into the pores of the first conductive layer 4, into the pores of the separating layer 5, into the pores of the counter electrode 6 and into the pores of the substrate 2. The charge-conducting medium forms a continuous layer inside the pores of the conductive layers and between the conductive layers inside pores of the separating layer, thereby allowing the transfer of electrical charge between the counter electrode 6 and the working electrode, including the first conductive layer 4 and the light-absorbing layer 3. The first porous conductive layer 4 extracts electrons from the light-absorbing layer 3 and transfers the electrons to an external electrical circuit connected to the counter electrode 6 (not shown in Fig. 1). The counter electrode 6 is used to transfer electrons to the charge-conducting medium 7. The conducting medium 7 transfers the electrons back to the light-absorbing layer 3, thereby completing the electrical circuit.
В зависимости от природы проводящей заряд среды 7, между противоэлектродом и рабочим электродом могут переноситься либо ионы, либо электроны и дырки.Depending on the nature of the charge-conducting medium 7, either ions or electrons and holes can be transferred between the counter electrode and the working electrode.
Электролиты в сенсибилизированных красителем солнечных элементах обычно классифицируются как жидкие электролиты, квазитвердотельные электролиты или твердотельные электролиты. Электролиты могут присутствовать в виде жидкости, геля или в твердом состоянии. В литературе известно большое количество электролитов любого типа, см., например, публикацию Chemicals Reviews, 28 января 2015 г., Электролиты в сенсибилизированных красителем солнечных элементах. Электролиты являются дорогостоящим компонентом сенсибилизированных красителем солнечных элементов. Противоэлектрод обычно имеет каталитическое вещество 6b, которое служит для облегчения переноса электронов в электролит.The electrolytes in dye-sensitized solar cells are generally classified as liquid electrolytes, quasi-solid-state electrolytes, or solid-state electrolytes. Electrolytes may be present in liquid, gel, or solid form. A large number of electrolytes of any type are known in the literature, see, for example, Chemicals Reviews, January 28, 2015, Electrolytes in Dye-Sensitized Solar Cells. Electrolytes are an expensive component of dye-sensitized solar cells. The counter electrode usually has a catalytic substance 6b, which serves to facilitate the transfer of electrons to the electrolyte.
Проводящая заряд среда проявляет определенное электрическое сопротивление переносимым зарядам. Электрическое сопротивление увеличивается с увеличением расстояния переноса заряда. Поэтому, когда электрический заряд переносится между противоэлектродом и светопоглощающим слоем, в проводящей среде всегда будут определенные электрические резистивные потери. Делая пористую подложку тоньше, резистивные потери можно уменьшить. Однако, когда пористая подложка становится тоньше, она также становится более хрупкой в механическом отношении.A charge-conducting medium exhibits a certain electrical resistance to transferred charges. Electrical resistance increases with increasing charge transfer distance. Therefore, when electric charge is transferred between the counter electrode and the light-absorbing layer, there will always be a certain electrical resistive loss in the conducting medium. By making the porous substrate thinner, resistive losses can be reduced. However, as the porous substrate becomes thinner, it also becomes more mechanically brittle.
Проводящей средой является, например, обычный I-/I3- электролит или аналогичный электролит или комплексный электролит Cu-/Co-. Твердотельные комплексы на основе переходных металлов или органические полимерные дырочные проводники являются известными проводящими средами.The conducting medium is, for example, a conventional I-/I 3 - electrolyte or a similar electrolyte or a Cu - /Co - complex electrolyte. Solid-state transition metal complexes or organic polymer hole conductors are known conducting media.
В соответствии с некоторыми аспектами проводящая среда содержит комплексы ионов меди. Проводящая среда, содержащая комплексы меди в качестве проводника заряда, является нетоксичной проводящей средой. Было показано, что использование комплексов меди в качестве проводящей среды дает очень высокое результирующее фотонапряжение.In accordance with some aspects, the conductive medium contains complexes of copper ions. A conductive medium containing copper complexes as a charge conductor is a non-toxic conductive medium. It has been shown that the use of copper complexes as a conducting medium gives a very high net photovoltage.
Противоэлектрод 6 может быть, например, нанесен на опорную подложку 2 путем печати краской, содержащей твердые проводящие частицы. Проводящие частицы, такие как частицы гидрида металла, могут быть смешаны с жидкостью для образования краски, подходящей для процесса печати. Проводящие частицы также могут быть измельчены или иным образом обработаны для достижения подходящего размера частиц и, соответственно, требуемого размера пор пористого противоэлектрода 6. Твердые частицы предпочтительно имеют металлическую основу и могут быть чистыми металлами, металлическими сплавами или гидридами или гидридами металлов, металлических сплавов или их шихт.The counter electrode 6 can, for example, be applied to the support substrate 2 by printing with an ink containing solid conductive particles. Conductive particles, such as metal hydride particles, can be mixed with the liquid to form an ink suitable for the printing process. The conductive particles may also be ground or otherwise processed to achieve a suitable particle size and thus the desired pore size of the porous counter electrode 6. The solid particles preferably have a metallic base and may be pure metals, metal alloys or hydrides or hydrides of metals, metal alloys or their charge
Проводящий слой 4 может быть нанесен на разделительный слой 5 таким же образом, как противоэлектрод 6 нанесен на опорную подложку 2. Нанесенный слой может быть обработан с помощью этапа термообработки. При термообработке также должно происходить спекание частиц, что повышает проводимость и механическую стабильность проводящих слоев. Г идриды металлов превращаются в металл во время термической обработки. При нагревании в вакууме или инертном газе предотвращается загрязнение частиц и улучшается электрический контакт между частицами.The conductive layer 4 may be applied to the separating layer 5 in the same manner as the counter electrode 6 is applied to the support substrate 2. The applied layer may be processed by a heat treatment step. During heat treatment, sintering of particles should also occur, which increases the conductivity and mechanical stability of the conductive layers. Metal hydrides are converted to metal during heat treatment. Heating in a vacuum or inert gas prevents particle contamination and improves electrical contact between particles.
Используемая здесь терминология предназначена только для описания конкретных аспектов раскрытия и не предназначена для ограничения изобретения. Используемые здесь формы единственного числа предназначены также для включения форм множественного числа, если в контексте явно не указано иное.The terminology used herein is intended only to describe specific aspects of the disclosure and is not intended to limit the invention. The singular forms used herein are intended to also include plural forms unless the context clearly indicates otherwise.
Термины фотоэлектрический элемент и солнечный элемент являются синонимами.The terms photovoltaic cell and solar cell are synonymous.
Если не указано иное, все используемые здесь термины имеют такое же значение, которое обычно понимается специалистом в области, к которой относится данное раскрытие.Unless otherwise specified, all terms used herein have the same meaning as commonly understood by one skilled in the art to which this disclosure pertains.
Настоящее изобретение не ограничено раскрытыми вариантами выполнения, но может быть изменено и модифицировано в пределах объема следующей формулы изобретения. Например, стопка пористых слоев может содержать другие пористые слои и порядок пористых слоев в стопке может быть изменен.The present invention is not limited to the embodiments disclosed, but may be changed and modified within the scope of the following claims. For example, a stack of porous layers may contain other porous layers, and the order of the porous layers in the stack may be changed.
Claims (15)
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP21163437.3 | 2021-03-18 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| EA046404B1 true EA046404B1 (en) | 2024-03-08 |
Family
ID=
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6089146B2 (en) | Dye-sensitized solar cell and method for manufacturing the solar cell | |
| US10249445B2 (en) | Dye-sensitized solar cell including a porous insulation substrate and a method for producing the porous insulation substrate | |
| US20090032104A1 (en) | Dye-sensitized solar cell having improved energy conversion efficiency and method of fabricating the same | |
| US8809104B2 (en) | Dye-sensitized solar cell and method of fabricating the same | |
| MX2014012017A (en) | A dye-sensitized solar cell module having a serial structure and a method for manufacturing the solar cell. | |
| KR20140071492A (en) | Method for manufacturing dye-sensitized solar cells and solar cells so produced | |
| JP2007280761A (en) | Photoelectric conversion device, its manufacturing method, and photovoltaic power generation device | |
| KR102313929B1 (en) | Solar cell comprising grains of doped semiconductor material, and method of manufacturing the solar cell | |
| JP2005285472A (en) | Photoelectric conversion device | |
| JP2005285473A (en) | Photoelectric conversion device | |
| JP2008010237A (en) | Photoelectric conversion device, its manufacturing method, and optical power generation device | |
| KR102636185B1 (en) | A solar cell comprising a plurality of porous layers and a charge-conducting medium penetrating the porous layers. | |
| WO2009001343A2 (en) | Dry cell having a sintered cathode layer | |
| JP2007227260A (en) | Photoelectric converter and photovoltaic generator | |
| EA046404B1 (en) | SOLAR BATTERY ELEMENT CONTAINING POROUS LAYERS AND A CHARGE CONDUCTING MEDIUM PENETRATING THROUGH THE POROUS LAYERS | |
| EP4060699A1 (en) | A solar cell and a method for manufacturing the solar cell | |
| CN110892496A (en) | Photovoltaic device with light absorbing layer comprising a plurality of grains of doped semiconductor material | |
| JP5013741B2 (en) | Photoelectric conversion device and photovoltaic power generation device | |
| TW202349735A (en) | A solar cell comprising a plurality of porous layers and charge conducting medium penetrating the porous layers | |
| JP4901194B2 (en) | PHOTOELECTRIC CONVERSION DEVICE, MANUFACTURING METHOD THEREOF, AND PHOTOVOLTAIC GENERATION DEVICE | |
| CN109671849B (en) | Mesoporous carbon electrode for carbon-based perovskite solar cell and preparation method thereof | |
| JP2007172915A (en) | Photoelectric conversion device |