TW201324815A - 染料敏化太陽能電池模組，用於一染料敏化太陽能電池模組之元件及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示一種染料敏化太陽能電池模組，其包括一第一基板、一第二基板及一電互連。該第一基板對於複數個染料敏化太陽能電池之各者具有一第一導電區域。該第二基板對於複數個染料敏化太陽能電池之各者具有一第二導電區域。該第二基板與該第一基板對置，使得對於該複數個染料敏化太陽能電池之各者，該第一導電區域僅至少部分重疊該染料敏化太陽能電池之該第二導電區域。該電互連在該第一基板與該第二基板之間。該電互連將該複數個染料敏化太陽能電池之一者之該第一導電區域電連接至一鄰近染料敏化太陽能電池之該第二導電區域。

Description

染料敏化太陽能電池模組，用於一染料敏化太陽能電池模組之元件及其製造方法
本發明係關於一種染料敏化太陽能電池模組，染料敏化太陽能電池模組之元件、製造染料敏化太陽能電池模組之方法及製造染料敏化太陽能電池模組之元件之方法。
特定而言，本發明涵蓋染料敏化太陽能電池(DSSC)之各種應用之裝置設計及結構。本發明中包含四種類型之結構。第一種結構係由在高光強度下最佳地操作之串聯連接之電池組成之一DSSC模組。第二種結構係具有在低光強度下最佳地操作之串聯連接之電池之一DSSC模組。第三種結構係具有在高光強度下最佳地操作之並聯連接之電池之一DSSC模組。第四種結構係具有在低光強度下最佳地操作之並聯連接之電池之一DSSC模組。
DSSC之操作原理已被廣泛公開，且接受為如圖1中所圖示。從下文之公開材料給出DSSC之關鍵描述(Hagfeldt等人，Chem.Rev.2010,110,6595-6663)。
一中孔氧化物層在裝置之中心，該中孔氧化物層由已被燒結在一起以建立跨光電極(亦稱為工作電極(WE))之導電之金屬氧化物(例如，TiO2)奈米粒子之網路組成。通常，膜厚度係10 μm至15 μm，且奈米粒子之直徑大小係10 nm至30 nm。孔隙率係50%至60%。中孔層沈積於玻璃或其他基板上之一透明導電氧化物(TCO)上。最通用之基板係用摻雜氟之氧化錫(FTO)塗佈之玻璃。一單層電荷傳遞染料 敏化劑黏著至該中孔氧化物層之表面。染料敏化劑之光激發導致電子注入至氧化物之導帶中，且將染料留在其氧化狀態。藉由從電解質(其通常係含有碘化物/三碘化物氧化還原系統之一有機溶劑)電子傳遞，該染料恢復至其基態。因此，由碘化物之敏化劑染料再生成係藉由攔截導帶電子之重捕獲。藉由氧化I-而形成之I3-離子透過該電解質擴散一較短距離(<50 μm)至陰極，該陰極亦稱為反電極(CE)。用一薄層鉑觸媒劑塗佈該CE，其中藉由電子傳遞以將I3-還原為I-而完成再生週期。經由在外部施加於CE與WE之間之負載而完成電路。
在照明下產生之電位對應於該中孔層中之電子之費米能級(Fermi level)與該電解質之氧化還原電位之間之差。因此，一典型DSSC之開路電壓(Voc)係金屬氧化物半導體在其WE中之費米能級、及含有碘及三碘化物之氧化還原系統之電解質之化學電位、以及電解質之濃度之一函數。在其電解質中含有TiO2 WE及碘化物/三碘化物氧化還原系統之DSSC之最大可能Voc係約0.9V。
一典型DSSC裝置結構之分解圖描繪於圖2中。可藉由將奈米多孔金屬氧化物膏(例如，TiO2)印刷於塗佈FTO之透明導電玻璃基板上而形成WE。刮刀印刷或網版印刷係最通用之印刷技術。在印刷TiO2之後，在約500℃乾燥及燒結，接著該WE被浸泡於含有染料敏化劑之一染料浴中。通常使用基於釕之染料。藉由使用真空濺鍍、電鍍、無電解電鍍或印刷，接著以約450℃燒結，將一薄層鉑作為觸 媒劑沈積於塗佈FTO之玻璃上而形成CE。接著組裝該等電極，且使用兩個電極板之間之一密封劑而形成繞電池之不透流體之障壁。通常使用UV可固化密封劑或熱塑性塑膠膜作為密封材料。可藉由選擇密封材料之正確形成程序而建立一受控電池間隙(其係兩個電極之間之距離)。在組裝及密封該電池之後，接著透過反電極玻璃基板上之一預先鑽入之孔而將電解質引入每個電池空隙(void)中。在填充之後，接著密封該等孔。
因此電子可經由來自電解質碘化物/三碘化物氧化還原系統之敏化劑而再生成且從CE重複供應至WE。裝置在沒有遭受任何永久化學轉化之情況下從光產生電能。至於外部負載，一DSSC非常類似於其他類型之光伏打電池而運轉，給出如圖3中所示之典型I-V曲線。
然而，DSSC光伏打電池具有許多獨特特性。輸出電位跨非常廣範圍之光強度而略微變化。甚至在低達200勒克司(lux)之低光時，Voc保持高達0.5 V，且甚至以50勒克司，Voc保持於0.45 V。因此，適當設計之DSSC電池及模組可使得一電子裝置在非常暗之光下適當充電及運作。
使用橫穿電池間隙之普通金屬而在DSSC模組中製造之一串聯連接將在非常短之時間段內由腐蝕破壞。為規避此問題，已設計許多結構，且一些揭示於以下先前技術中。
在一項先前技術中(Fujikura專利US 2010/0078060 A1)，運作為導電橋之一碳材料印刷於一電池之工作電極上，其透過亦由一碳材料製成之一延長部分而連接至鄰近電池之 反電極。該延長部分以一垂直方向鏈接於兩個單獨電池之兩個對置電極之間。在該FTO層需要隔離該等電池；此可藉由例如雷射劃線而實施。用此連接，可構建串聯連接之DSSC電池模組。此項技術之優點在於碳對於化學腐蝕是強固的，且能夠在其使用壽命中在DSSC內部環境中較佳地倖存。然而，儘管碳之耐蝕性，碳並非對於DSSC互連之較佳選擇。首先，對於許多互連組態，碳電阻仍然被視為高。第二，因為碳係黑色的，碳將吸收電池內大多數光之光譜，此將減少經驗證為與電池效率有關之DSSC內之有益光學性質之內部光散射效應。
在專利US 2010/0078060 A1中，處理第二導電構件及第一導體與第二導體之間之連接構件可為極其困難的。僅透過一塊脆弱導電構件將導電構件連接至下一個電池之第一導體以形成串聯互連係極其困難的。光電極與第二導電構件之間之間隙非常小，間隙係約50 μm或更小。電池之寬度係約5 mm至10 mm，電池之寬度比間隙大100至200倍。從僅一側以懸臂方式在無彼此短路之下透過連接件而支撐第二導電構件係非常困難且不可靠的。一旦第二導電構件傾斜朝向光電導體，電池將被短路且將無法運作。可靠性問題係嚴重的。
在另一先前技術中，(US 2005/0236037 A1)提出一種概念之DSSC模組，其中內部電池以交替極性放置。該等電池之各者具有與鄰近其之電池相反的極性。接著可以此一配置製造一串聯連接之模組，且其似乎是較佳的概念。實 際上，製造以此配置之模組具有一些困難或缺點。首先，該組態要求WE及CE材料以交替條形或其他電池形狀形成於兩個基板上。此要求印刷(或其他沈積技術)及燒結兩側上之WE及CE材料。與常規類型之電池相比較，此係雙倍工作。第二，為處理相同基板上之WE及CE，在裝置內造成高風險之交叉污染。在處理期間，CE材料(諸如Pt)之局部汽化將導致WE上之TiO2之污染損壞，且從WE至CE反之亦然。
另一先前技術亦以一不同方式處理相同問題。印刷一較厚銀壁以垂直地連接於一個電池之陰極與下一個電池之陽極之間，且亦確保電池在每個電極上之FTO層隔離。在本發明中，使用與第一項先前技術類似之概念；銀壁被插入以代替碳互連。因為預期銀將被電解質腐蝕，所以必須構建一隔室以用於保護。此藉由在銀壁之任一側上建立由玻璃料製成之一垂直壁(印刷及燒結)而製造。該等玻璃料壁用作一障壁以使銀與電解質分離。此結構存在一些缺點。首先，電池間之隔室佔據顯著空間，此減小DSSC用於光吸收之作用面積，且因此限制整體效率。第二，因為隔室建立一空隙，所以該玻璃料壁內之任何微小缺陷皆可導致電解質淹沒銀，同時破壞互連且減少電池中之電解質之量。
因此，期望提供一種染料敏化太陽能電池模組，其以各種光位準及出於各種目的而最佳地運作。
根據本發明，提供一種染料敏化太陽能電池模組，其包括：一第一基板，其對於複數個染料敏化太陽能電池之各者具有一第一導電區域；一第二基板，其對於複數個染料敏化太陽能電池之各者具有一第二導電區域，其中該第二基板與該第一基板對置使得對於該複數個染料敏化太陽能電池之各者，該第一導電區域僅至少部分重疊該染料敏化太陽能電池之第二導電區域；及一電互連，其在該第一基板與該第二基板之間且將該複數個染料敏化太陽能電池之一者之該第一導電區域電連接至一鄰近染料敏化太陽能電池之該第二導電區域。
根據本發明，提供一種染料敏化太陽能電池模組之元件，該元件包括：一基板，其對於複數個染料敏化太陽能電池之各者具有一導電區域；及對應於每個導電區域之一電連接器，其中該電連接器之一部分形成於該基板之該導電區域上，且該電連接器之一部分形成於該導電區域外部之該基板上。
根據本發明，提供一種製造染料敏化太陽能電池模組之元件之方法，該方法包括：提供一基板，其對於複數個染料敏化太陽能電池之各者具有一導電區域；及在該基板上形成對應於每個導電區域之一電連接器，使得該電連接器之一部分形成於該基板之該導電區域上，且該電連接器之一部分形成於該導電區域外部之該基板上。
根據本發明，提供一種製造染料敏化太陽能電池模組之方法，該方法包括：提供一第一基板，其對於複數個染料 敏化太陽能電池之各者具有一第一導電區域；提供一第二基板，其對於複數個染料敏化太陽能電池之各者具有一第二導電區域；將該第二基板與該第一基板對置配置，使得對於該複數個染料敏化太陽能電池之各者，該第一導電區域僅至少部分重疊該染料敏化太陽能電池之該第二導電區域；及形成一電互連，其在該第一基板與該第二基板之間，且將該複數個染料敏化太陽能電池之一者之該第一導電區域電連接至一鄰近染料敏化太陽能電池之該第二導電區域。
現將僅經由實例參考附圖而描述本發明。
DSSC光伏打電池具有許多獨特特性。輸出電位跨非常廣範圍之光強度而略微變化。甚至在低達200勒克司之低光時，Voc保持高達0.5 V，且甚至以50勒克司，Voc保持於0.45 V。因此，適當設計之DSSC電池及模組可使得一電子裝置在非常暗之光下適當充電及運作。
在AM1.5g光照條件下，一正常DSSC具有0.7 V至0.75 V之開路電壓。AM1.5g指等於「1太陽」之標準化照明亮度及光譜，其可由含有氙氣燈之一太陽模擬器產生。AM1.5g強度係1000 watt/m2或約100,000勒克司。AM1.5g(watt/m2)及勒克司兩者係用於表達兩個標準光譜中之光強度之類似單位，且為清晰及/或比較之目的，將在下文中交替使用標度。除AM1.5g(假設100,000勒克司)之外，出於測試之目的，藉由使用白色LED而建立從17000勒克司 至低達200勒克司之光強度。
圖4係在各種光照條件下DSSC電池轉換效率(效能)對跨電池之串聯電阻之一圖表，其中標繪圖正規化為一典型低串聯電阻10 Ω。下文之方程式解釋當DSSC(或實際上任何電路)遇到串聯電阻時功率與穿過DSSC之電流之間之關係：P1=I2*R (等式1)其中P1表示功率損失；I表示電流，其係透過光之轉換而產生之光電流；且R係串聯電阻。因此，根據等式1，功率(以及因此效率)損失與串聯電阻成比例，且亦與光電流之平方成比例。光電流及串聯電阻係影響效率損失之兩個主要因數；儘管DSSC電路中可存在其他類型之電流及電阻，但是其等比較之下被視為不重要，且不在此更進一步討論。
DSSC中之光電流與光強度成比例。根據等式1，在高光線條件中，裝置將對於一給定串聯電阻遭遇高效率損失；因此期望低串聯電阻以減輕此損失。光強度越高，串聯電阻應被減小更多，以獲得最佳操作。相反，在低光線條件下，甚至對於較大串聯電阻，效率損失還是變得不重要，且因此低串聯電阻不關鍵。圖4展示一電池，其中在高達5000勒克司之光線條件下，低於50 Ω之串聯電阻經歷小於5%之效能下降損失。而當暴露至AM1.5g時，相同電池遭遇超過50%之功率損失。使用此理論基礎，電池及模組可設計為對於不同終端應用具有不同結構，允許減少製造損 失之複雜性，給出可能之經濟及生態益處。
串聯連接之DSSC模組
來自DSSC之電力可用於對電子裝置充電，且尤其有用於無線及可攜式設備，例如行動電話。對於此等應用，DSSC模組較佳地係較輕且大小較小的，以及能夠提供足夠電源及電壓以滿足裝置需求。就如大多數光伏打電池，一單個電池DSSC具有受限之輸出電位，如前文所述之以AM1.5g之0.7 V至0.75 V，其太低以至於無法驅動大多數商業電子產品。例如，行動電話需要3至5伏特以對其電池充電。一個解決方案係使用DC-DC升壓轉換器(例如，Linear Technology之LTC3108)以提高電位輸出。然而，此犧牲輸出電流，且在轉換效率上通常損失功率之重大部分。當然，一替代解決方案係直接使用串聯連接之電池，以使電壓倍增，其DSSC之組態展示於圖5中。此常規地實施在習知光伏打電池半導體模組中。一半導體電池由單件固態基板製成，其使其陰極及陽極位於相同基板之對置側上。在該情況中，將一個電池之頂側鏈接至下一個電池之底側係簡單的，諸如使用線接合以製成串聯模組。在DSSC中情況不同。CE及WE建立在兩個不同基板上，且關鍵的是在兩個電極之間之電池間隙中具有液體電解質。此外，該電解質通常腐蝕許多族之金屬。
本發明旨在用簡單之設計解決此等問題，導致對於DSSC模組在其使用壽命中更高之可靠性。
如本文中所述，本發明使用不同於US 2010/0078060 A1 中揭示之途徑之一途徑。例如在一實施例中，銀線被印刷及燒結於該等電極之一者(例如，工作電極)上。此等銀線可藉由在其等上方印刷玻璃料或UV密封劑、後續接著燒結或固化程序而受到保護。銀線完全由該電池內之防護層(玻璃料或UV密封劑)保護。該等銀線之互連僅發生於將銀線從密封劑延伸出該等電池之密封部分之外部之處。應注意，所印刷之保護銀線之密封劑不同於密封電池之密封劑。用此設計，可避免精細互連之困難及挑戰以及電池故障之風險。
實施例1，用於高光線條件之串聯連接之DSSC模組
此結構係在高光線條件中之一串聯連接之DSSC模組之一組態。每個基板包括複數個導電區域，其可例如由FTO形成。於吾人之DSSC中使用每平方公分7 Ω至15 Ω之FTO之薄片電阻。FTO(其上印刷功能材料之提供透光及在功能電極與互連之間之合理的較佳電導率之透明導電材料(例如，WE上之中孔TiO2光電極，或CE上之Pt))被仔細地劃線以隔離印刷之功能電極(WE或CE)上之電池以及安置於一經定義圖案內之TiO2或Pt層。串聯連接之電池之間之電隔離尤其重要，此係因為此等電池之各者可能具有略微不同之電位。在本發明之任何處使用之FTO可由其他類型之透明導電膜代替，諸如ITO、AZO、CNT或摻雜石墨烯之膜或與裝置化學成分相容之任何透明導電膜。
對於WE及CE兩者，在基板上(例如，塗佈FTO之玻璃表面)沿著每個電池而安置(例如，印刷)至少一個電荷載體。 該至少一個電荷載體可包括平坦之銀線。銀線經乾燥及燒結且接著由保護體在上方保護，例如藉由印刷玻璃料膏，或替代地用UV可固化密封劑，以在沒有產生任何空隙之下完全覆蓋銀線。在介於400℃與550℃之間之一高溫烤爐中乾燥及燒結玻璃料膏。若代替使用，可在室溫以50 mW/cm2至1000 mW/cm2之功率密度使用UV燈藉由交聯而固化UV可固化密封劑。
銀具有所有金屬之最低已知電阻。銀對於一給定斷面比所有其他金屬提供更低電阻。當適當地燒結單個印刷之銀線時，串聯電阻可為低達0.01 Ω/cm，且若必要，可藉由增加線寬度、線高度或藉由增加線之數量而進一步減小串聯電阻。玻璃料或UV可固化密封劑保護銀免受電解質腐蝕。對於高光線條件，此等線經印刷以產生低串聯電阻之路徑以承載電荷，作為對FTO層之替代。對於大多數應用，單個線或雙線之0.2 mm至0.4 mm寬及10微米至15微米高之銀已足夠。
應注意，所印刷之玻璃料或UV可固化密封劑保護具有勝過如在一項先前技術中所述之壁保護之優點。保護層被直接印刷且以保形輪廓密封銀線表面，且機械地整合至基板。保護層具有較強電阻及強固性，且因此提供抵抗外部影響之非常好之保護。吾人之測試結果證明其在沒有任何電阻增加之下，以85%相對濕度在80℃在電解質中倖存超過1000小時。
接著準備組裝該等電極。藉由用一適當密封及固化程序 將兩個電極層壓在一起而組裝模組，建立許多隔離電池空隙。此可使用熱熔熱塑性塑膠密封劑(例如，由DuPont提供之Surlyn®)或UV可固化密封劑而實行。接著透過一預鑽之孔將該電解質引入至每個電池。該密封之主要目的係出於模組之使用壽命長度而將電解質限制在每個電池內，將其與外部環境隔離。
為在DSSC模組內達成串聯互連，可實施三維連接電路，其涉及兩個不同平面內之兩個電極之間之連接(即，在對電極板之「x-y」平面之「z」方向上)。在一個平面上之一電池之陽極可連接至位於另一平面上之另一電池之陰極。對於所有鄰近陽極-陰極對複製此連接，使得可獲得電池電位之倍增，以達成期望模組電位。一電連接器，例如，來自陽極之銀導線將其自身延伸至且垂直對準於來自下一個電池之陰極之一導線，且反之亦然。可接著藉由例如一接合方法(諸如焊接)由一電導體而將兩個金屬導線在垂直方向上結合在一起。圖6中之示意圖展示俯視圖及從此互連之線A-A及線C-C上所切之斷面觀看之兩個側視圖。為清晰起見，在圖7中放大左上方之圈出部分，其展示陰極之一者與其所鄰近之陽極之間之焊接鏈接。為更清晰起見，在圖8中以三維視圖更進一步投影銀導線對(沒有焊接)。
為建立焊接接合，可在組裝之前將焊料膏印刷或施配在銀墊上且在銀墊上乾燥。或者，可在印刷之銀導線之間拾取及放置焊接球、凸塊或預型件。接著藉由以一適中溫度 加熱模組而導致焊料回流。取決於焊接之組合物，回流溫度範圍可在100℃與270℃之間。低溫焊接係較佳的，以減小破壞電池之風險。或者，為避免直接加熱，可藉由IR燈、LED或雷射或感應加熱方法而達成焊料回流，視需要藉由超音波處理輔助。在每個陰極-陽極對上複製陰極-陽極對之間之相同接合方法。由焊料回流製造之接合係達成此電互連之唯一方法。可藉由將一較厚銀墊印刷於每一側上，且隨後在組裝期間之層壓程序中使其等密切接觸，或替代地藉由機械夾鉗技術，而進行一替代接合方法。除銀之外，對於此互連墊可使用任何許多導電材料族，諸如銅、鎳、錫或碳。可由任何方法從(且不限於)網版印刷、電鍍或無電解電鍍、濺鍍或藉由遮罩加陰影之蒸鍍，或接著平板印刷及圖案化而製造墊。
實施例2，用於低光強度之串聯連接之DSSC模組
沿著每個電池印刷銀線，且僅應該當必要時實踐其等之保護層。印刷銀線及其燒結、後續接著玻璃料膏印刷及燒結或UV密封劑印刷及固化之的程序不僅繁瑣而且耗時，費成本以及勞動力密集。減低良率之風險係由複雜之處理引起的另一個常見問題。因此，吾人簡化專用於較低光應用之串聯連接之模組之程序。
此藉由在實施例1中之電池斷面上減去至少一個電荷載體部分而完成。因為吾人已展示在低光線條件下FTO層之較高串聯電阻可被接受為電荷路徑，因此可接受移除此元件。隨著銀線減少，從前述實施例完全移除保護層(玻璃 料或UV可固化樹脂)及許多乾燥、燒結及固化程序。銀延伸部分(導線)及互連墊係在電池兩端之唯一印刷之金屬部分。需要銀延伸部分(導線)及互連墊以確保與FTO之較低接觸電阻，及電池之間較佳互連。圖9中之示意圖展示此互連之俯視圖及從線A-A及線C-C所切之斷面觀看之兩個側視圖。為清晰起見，在圖10中放大左上方之圈出部分，其展示陰極之一者與鄰近其之陽極之間之焊接鏈接。為更清晰起見，在圖11中以三維視圖更進一步投影銀對(沒有焊接)。
此互連可被進一步簡化，其中甚至不需要印刷銀導線。可藉由直接印刷焊料膏，或將固態焊料預型件置於FTO層之間，接著藉由直接加熱或替代地由IR LED或雷射局部加熱，或藉由感應加熱且視需要藉由超音波方法輔助而開始回流而建立該互連。
與實施例1相比較，此結構簡化製造步驟，且減少材料使用。另外，因為金屬線完全不透明，且完全阻擋所有光，且玻璃料及UV可固化密封劑亦部分不透明，且阻擋大部分光，因此，當工作電極上需要金屬線時，將阻擋大量傳入光。藉由移除金屬線，在電極平面上產生額外空間，允許該DSSC模組上對於光吸收之作用對非作用面積之比例增加。藉此可增加整體模組效率。此外，金屬線之減少不僅可減少處理步驟之數量，而且減少腐蝕缺陷之風險，改良生產良率。
此設計尤其有用於非常暗之中等光之條件，例如用於無 線感測器應用之室內光收集。驅動簡單室內感測器之可用光強度可低達50勒克司。在此等條件下，一DSSC模組之單個電池(電池尺寸為60 mm×10 mm)通常將產生0.45V Voc及0.055 mA之短路電流。藉由移除電池內銀線，串聯電阻(其基本上等於塗佈FTO之玻璃之串聯電阻)係約50 Ω。在此低光環境，由於串聯電阻，電壓降僅為0.055 mA*50 Ω，其係約2.75 mV。在0.45 V，此導致僅0.6%之損失。當光強度增加至1000勒克司時，Voc增加至0.56 V，且短路電流增加至0.11 mA。在此條件中，由於串聯電阻，電壓降係約5.5 mV；從0.56 V之輸出電壓，此仍然低於1.0%。用此驗證之資料，吾人得出結論，沒有銀線之電池可用於從非常暗之光(即，50勒克司)至中等光線條件，即，標準AM1.5G強度之25%，其係約25000勒克司。儘管如此，與實施例1之結構相比較，在此中間光強度上預期小於20%之功率降。由藉由移除不透明及半透明區之金屬線及其等之保護層產生之吸收面積增加而補償此功率損失。通常，由於額外吸收面積之效能優點多於串聯電阻功率降之缺點。
低光線條件之串聯連接之電池之結構特徵之剩餘部分可獨立地與實施例1中之相同。
並聯連接之DSSC模組
如上文所述，小型串聯連接之DSSC模組尋得在充電可攜式裝置及無線感測器中之較佳應用。然而，不是所有應用皆需要來自小單個模組之高輸出電壓。在空間並非關鍵 問題之處，不需要內部串聯互連。取而代之，可在模組之間而非電池之間製作電位倍增之串聯連接。諸如(且不限於)用於汽車之BIPV或太陽能屋頂之應用屬於此類別中。圖12中展示之電組態之並聯模組比串聯連接之模組係較佳的，此係因為並聯模組減小製造之複雜性，最大化良率，且允許空間以最大化模組效率。下述兩個結構係上文所提及之應用之並聯連接之模組設計。
實施例3：用於高光線條件之並聯連接之模組
於此實施例中描述高光強度應用之並聯連接之DSSC模組。如同實施例1，對於WE及CE兩者，在TiO2層及Pt層沈積於劃線之FTO內之後，平坦之銀線被印刷於塗佈FTO之玻璃基板上。銀線被乾燥及燒結，且接著藉由在上方印刷玻璃料膏或替代地UV可固化密封劑而受保護，以在沒有建立任何空隙之下完全覆蓋銀線。在介於400℃與550℃之間之一高溫烤爐中乾燥及燒結玻璃料膏。若代替使用，可在室溫以50 mW/cm2至1000 mW/cm2之功率密度使用UV燈藉由交聯而固化UV可固化密封劑。
接著準備組裝該等電極。如同實施例1及2，藉由用熱塑性密封劑(例如，由DuPont提供之Surlyn®)或一UV可固化密封劑，使用一適當密封及固化程序將兩個電極層壓在一起而組裝該模組。圖13展示此實施例之俯視圖及兩個側視圖。一側視圖是從線A-A觀看之斷面；另一側視圖係從線C-C之斷面。如圖14中所示般放大左上角之圈出部分，其中指示每個陽極及陰極對上之銀導線以及基板間距。
如同實施例1中，藉由提供一替代、低電阻路徑至FTO，呈現該等銀線以減小電池串聯電阻。玻璃料或UV可固化密封劑保護銀免受電解質腐蝕。對於高光線條件，對於大多數應用，單個線或雙線之0.2 mm至0.4 mm寬及10微米至15微米高之銀係足夠的。
應注意，對於並聯電池DSSC，模組上之電池數量不係關鍵，此係因為不需要電壓倍增。因此，在一固定面積內，電池之數量及每個電池之幾何形狀可經定製以最大化總功率輸出，且因此增加整體模組效率。此可藉由同時減小電池數量且將電池寬度增加至生產程序所允許之極限而實現。藉由這樣做，作用對非作用面積之比例可隨著電池之間之空隙數量減小而增加。
最後，可藉由跨從每個電池之共同電極導線印刷水平銀條而生產最佳輸出之模組。
實施例4：用於低光線條件之並聯互連模組
此實施例中揭示用於低光強度應用之並聯連接之DSSC模組之設計。因為吾人已展示在低光線條件下FTO層之較高串聯電阻可被接受為電荷路徑，因此移除此元件係可接受的。由於銀線減少，從前述實施例完全移除保護層(玻璃料或UV可固化樹脂)及許多乾燥、燒結及固化程序。銀延伸部分(導線)及互連墊係在電池兩端之唯一印刷之金屬部分。需要銀延伸部分(導線)及互連墊以確保與FTO之較低接觸電阻，及電池之間較佳互連。圖15中之示意圖展示此互連之俯視圖及從線A-A及線C-C所切之斷面觀看之兩 個側視圖。如圖16中所示地放大左上角之圈出部分，其中示出每個陽極及陰極對上之銀導線以及基板間距。
與實施例3相比較，此結構簡化製造步驟，且減少材料使用。另外，因為金屬線完全不透明，且完全阻擋所有光，且玻璃料及UV可固化密封劑亦部分不透明，且阻擋大部分光，因此，當工作電極上需要金屬線時，將阻擋大量傳入光。藉由移除金屬線，在電極平面上產生額外空間，允許該DSSC模組上對於光吸收之作用對非作用面積之比例增加。藉此可增加整體模組效率。此外，金屬線之減少不僅可減少處理步驟之數量，而且減少腐蝕缺陷之風險，改良生產良率。
隨著移除銀線，此並聯模組有用於從非常暗之光(即，50勒克司)至中等光線條件，即，標準AM1.5G強度之25%，其係約25000勒克司。儘管如此，與實施例3之結構相比較，在此中間光強度上預期小於20%之功率降。由藉由移除不透明及半透明區之金屬線及其等之保護層產生之吸收面積增加而補償此功率損失。通常，由於額外吸收面積之效能優點多於串聯電阻功率降之缺點。
如同實施例3，模組上之電池數量不關鍵，此係因為不需要電壓倍增。因此，在一固定面積內，電池之數量及每個電池之幾何形狀可經定製以最大化總功率輸出，且因此增加整體模組效率。此可藉由同時減小電池數量，且將電池寬度增加至生產程序所允許之極限而實現。藉由這樣做，作用對非作用面積之比例可隨著電池之間之空間數量 減小而增加。
最後，可藉由跨每個電池上之共同電極導線印刷水平銀條而生產最佳輸出之模組。
圖1展示一DSSC之工作原理；圖2係一標準DSSC之分解圖，其中分解DSSC之元件層；圖3係一單個電池DSSC裝置之一典型I-V曲線。一典型電池遞送0.7 V至0.75 V之開路電壓，其中輸出電流與電池尺寸成比例；圖4展示一DSSC由於在不同光強度下增加串聯電阻而使效率下降；圖5以示意圖展示一串聯連接之DSSC模組之電組態。該模組之輸出電位係電池數量與單個電池之電位之乘積，而理想輸出電流係單個電池之電流；圖6展示最佳地用於高光強度應用之串聯連接之DSSC模組。分別展示從斷面切線A-A及C-C之俯視正面圖及側視正面圖；圖7係圖6中圈出部分之放大圖，其展示連續電池之陰極與陽極之銀墊之間之焊接鏈接之一者；圖8係以等距視圖投射之圖7之陽極-陰極對(焊接鏈接不展示於圖中)；圖9係最佳地用於低光強度應用之串聯連接之DSSC模組。展示從斷面切線A-A及C-C之俯視正面圖及側視正面 圖。與圖6中之設計圖之主要不同係省略在設計上垂直向上行進之銀線；圖10係圖9中圈出部分之放大圖，其展示連續電池之陰極與陽極之銀墊之間之焊接鏈接之一者；圖11係以等距視圖投射之圖10之陽極-陰極對(焊接鏈接未展示於圖中)；圖12以示意圖展示一並聯連接之DSSC模組之電組態。該模組輸出電流係電池數量與單個電池之電流之乘積，而理想輸出電位係單個電池之電位；圖13展示最佳地用於高光強度應用之並聯連接之DSSC模組。分別展示從斷面切線A-A及C-C俯視正面圖及側視正面圖；圖14係圖13中圈出部分之放大圖；圖15展示最佳地用於低光強度應用之並聯連接之DSSC模組。分別展示從斷面切線A-A及C-C之俯視正面圖及側視正面圖。與圖13中之設計圖之主要不同係省略在設計上垂直向上行進之銀線；及圖16係圖15中圈出部分之放大圖。

Claims (35)

  1. 一種染料敏化太陽能電池模組，其包括：一第一基板，其對於複數個染料敏化太陽能電池之各者具有一第一導電區域；一第二基板，其對於複數個染料敏化太陽能電池之各者具有一第二導電區域，其中該第二基板與該第一基板對置，使得對於該複數個染料敏化太陽能電池之各者，該第一導電區域僅至少部分重疊該染料敏化太陽能電池之該第二導電區域；及一電互連，其在該第一基板與該第二基板之間且將該複數個染料敏化太陽能電池之一者之該第一導電區域電連接至一鄰近染料敏化太陽能電池之該第二導電區域。
  2. 如請求項1之染料敏化太陽能電池模組，其包括複數個該電互連，使得該複數個染料敏化太陽能電池之至少三者串聯連接。
  3. 如請求項1至2中任一項之染料敏化太陽能電池模組，其中每個染料敏化太陽能電池包括在該兩個基板之間之一電解質，其中該電互連與該電解質隔離。
  4. 如任意前述請求項之染料敏化太陽能電池模組，其進一步包括一密封構件，其將每個染料敏化太陽能電池與任何鄰近染料敏化太陽能電池隔離，其中藉由該密封構件使該電互連之至少一部分與其直接電連接之該兩個染料敏化太陽能電池之各者之電解質隔離。
  5. 如任意前述請求項之染料敏化太陽能電池模組，其中該 電互連從在20℃時具有小於約1×10-6 Ω．m之電阻率、且視需要在20℃時具有小於約5×10-7 Ω．m之一材料形成。
  6. 如任意前述請求項之染料敏化太陽能電池模組，其中該電互連整合至該染料敏化太陽能電池模組。
  7. 如任意前述請求項之染料敏化太陽能電池模組，其中每個染料敏化太陽能電池被伸長，且該電互連安置於該等染料敏化太陽能電池之一伸長端之外部。
  8. 如任意前述請求項之染料敏化太陽能電池模組，其中該第一導電區域及該第二導電區域從一透明導電性膜形成。
  9. 如任意前述請求項之染料敏化太陽能電池模組，其包括：印刷於該第一導電區域上之一工作電極；及印刷於該第二導電區域上之一反電極。
  10. 一種染料敏化太陽能電池模組之元件，該元件包括：一基板，其對於複數個染料敏化太陽能電池之各者具有一導電區域；及對應於每個導電區域之一電連接器，其中該電連接器之一部分形成於該基板之該導電區域上，且該電連接器之一部分形成於該導電區域外部之該基板上。
  11. 如請求項10之元件，其進一步包括對於每個導電區域之至少一個電荷載體，其中該電荷載體完全形成於該基板之該導電區域上，且實質上沿著該導電區域之整個長度而延伸。
  12. 如請求項10或11之元件，其中該至少一個電荷載體總共覆蓋小於該導電區域之約20%，且視需要小於該導電區域之約10%。
  13. 如請求項10至12中任一項之元件，其中該電連接器及該至少一個電荷載體係一單件式導電材料之部分。
  14. 如請求項11至13中任一項之元件，其進一步包括覆蓋該至少一個電荷載體之實質上整個之一保護體，其中該保護體抵禦該染料敏化太陽能電池之一電解質之腐蝕。
  15. 如請求項10至14中任一項之元件，其中該導電區域從一透明導電性膜形成。
  16. 如請求項10至15中任一項之元件，其包括印刷於該導電區域上之一工作電極或一反電極。
  17. 如請求項10至16中任一項之元件，其中該等電連接器彼此電連接。
  18. 一種染料敏化太陽能電池模組之元件對，該元件對包括：如請求項10至16中任一項之第一元件；及如請求項10至16中任一項之第二元件；其中該元件對經配置使得當該第一元件與該第二元件對置時，該第一元件之每個導電區域與該第二元件之一對置導電區域匹配，且該第一元件之每個電連接器部分重疊對應於一鄰近對置導電區域之該第二元件之一成對之電連接器。
  19. 一種染料敏化太陽能電池模組，其包括： 如請求項10至17中任一項之兩個元件；或如請求項18之元件對。
  20. 如請求項19之染料敏化太陽能電池模組，其中該等染料敏化太陽能電池並聯連接。
  21. 一種包括如請求項18之元件對之染料敏化太陽能電池模組，其中該等染料敏化太陽能電池串聯連接。
  22. 如請求項21之染料敏化太陽能電池模組，其進一步包括一電連接器，其將該電連接器電連接至該成對之電連接器。
  23. 如請求項19至22中任一項之染料敏化太陽能電池模組，其中每個染料敏化太陽能電池包括在該兩個基板之間之一電解質，其中該電連接器與該電解質隔離。
  24. 如請求項19至23中任一項之染料敏化太陽能電池模組，其進一步包括一密封構件，其將每個染料敏化太陽能電池與任何鄰近染料敏化太陽能電池隔離，其中藉由該密封構件使該電連接器之至少一部分與其直接電連接之該兩個染料敏化太陽能電池之各者之該電解質隔離。
  25. 如請求項19至24中任一項之染料敏化太陽能電池模組，其中該電連接器從在20℃時具有小於約1×10-6 Ω．m之電阻率、且視需要在20℃時具有小於約5×10-7 Ω．m之一材料形成。
  26. 如請求項19至25中任一項之染料敏化太陽能電池模組，其中該電連接器整合至該染料敏化太陽能電池模組。
  27. 如請求項19至26中任一項之染料敏化太陽能電池模組， 其中每個染料敏化太陽能電池被伸長，且該電連接器安置於該等染料敏化太陽能電池之一伸長端之外部。
  28. 一種製造染料敏化太陽能電池模組之一元件之方法，該方法包括：提供一基板，其對於複數個染料敏化太陽能電池之各者具有一導電區域；及在該基板上形成對應於每個導電區域之一電連接器，使得該電連接器之一部分形成於該基板之該導電區域上，且該電連接器之一部分形成於該導電區域外部之該基板上。
  29. 如請求項28之方法，其進一步包括對於每個導電區域在該基板上形成至少一個電荷載體，使得該電荷載體完全形成於該基板之該導電區域上，且沿著實質上該導電區域之整個長度而延伸。
  30. 如請求項29之方法，其進一步包括在該基板上形成實質上覆蓋該至少一個電荷載體之整個之一保護體，其中該保護體抵禦該染料敏化太陽能電池之一電解質之腐蝕。
  31. 一種製造染料敏化太陽能電池模組之方法，該方法包括：提供如請求項10至16中任一項之兩個元件；及配置該兩個元件使得其等彼此對置，且使得該第一元件之每個導電區域與該第二元件之一對置導電區域匹配，且該第一元件之每個電連接器部分重疊對應於一鄰近對置導電區域之該第二元件之一成對之電連接器。
  32. 如請求項31之方法，其進一步包括將該電連接器電連接至該成對之電連接器。
  33. 如請求項32之方法，其中該電連接器藉由以下而連接至該成對之電連接器：在該配置之前在該電連接器上提供一導電材料；及在該配置之後加熱該導電材料，以便至少部分融化該導電材料，藉此形成該電連接。
  34. 一種製造染料敏化太陽能電池模組之方法，該方法包括：提供一第一基板，其對於複數個染料敏化太陽能電池之各者具有一第一導電區域；提供一第二基板，其對於複數個染料敏化太陽能電池之各者具有一第二導電區域；將該第二基板與該第一基板對置配置，使得對於該複數個染料敏化太陽能電池之各者，該第一導電區域僅至少部分重疊該染料敏化太陽能電池之該第二導電區域；及形成一電互連，其在該第一基板與該第二基板之間，且將該複數個染料敏化太陽能電池之一者之該第一導電區域電連接至一鄰近染料敏化太陽能電池之該第二導電區域。
  35. 如請求項34之方法，其中該形成包括：在該配置之前在該電連接器上提供一導電材料；及在該配置之後加熱該導電材料，以便至少部分融化該導電材料，藉此形成該電連接。
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