TWI644334B - 染料敏化太陽能電池封裝設備及方法 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種染料敏化太陽能電池封裝設備及使用此設備之封裝方法。所述染料敏化太陽能電池封裝設備包括第一入料單元、第二入料單元、塗佈單元、貼合單元以及輸送單元。第一入料單元及第二入料單元分別用以輸入工作電極及對電極。塗佈單元用以在工作電極及/或對電極上塗佈框膠及電解液。貼合單元用以將塗佈有框膠及電解液的工作電極及對電極貼合封閉。輸送單元用以傳輸工作電極及/或對電極至塗佈單元進行塗佈，再傳送已塗佈之工作電極及對電極至貼合單元進行貼合封閉，以製成染料敏化太陽能電池半成品。
Description
本發明關於一種電池的自動化封裝設備及其封裝方法，特別是指一種自動化的染料敏化太陽能電池封裝設備及其封裝方法。
染料敏化太陽能電池(DYE-SENSITIZED SOLAR CELL, DSSC)是一種由光敏電極和電解質構成的薄膜太陽能電池，其可以用低廉的材料製成，且不需要用精細的儀器來製造，在技術上很有吸引力。此外，它可以被製成軟片，機械強度大，不需要特別保護，有利於現今輕薄短小的產品趨勢，其可應用於手機、平板電腦、穿戴式裝置等微型化電子產品。
染料敏化太陽能電池由工作電極、對電極內夾電解質組成，工作電極及對電極多使用UV膠封閉。一般此等在工作電極及/或對電極上塗佈電解質、UV膠、對位及封裝的步驟係由人工執行，然人工作業存在產量有限、均勻度不佳及良率不高等問題。
隨著對染料敏化太陽能電池需求的提高，大量製造的製程也必須有所提升。因此，有必要尋求新穎的染料敏化太陽能電池製造/封裝方法或設備，以解決或改善上述的缺陷。
本發明提供一種染料敏化太陽能電池封裝設備及方法，其可快速且準確的完成染料敏化太陽能電池之封裝。
根據本發明之一實施例，提供一種染料敏化太陽能電池封裝設備。所述封裝設備包括第一入料單元、第二入料單元、塗佈單元、貼合單元及輸送單元。第一入料單元用以輸入工作電極。第二入料單元用以輸入對電極。塗佈單元用以在工作電極及/或對電極上塗佈框膠及電解液。貼合單元用以將塗佈有框膠及電解液的工作電極及對電極貼合封閉。輸送單元用以傳輸工作電極及/或對電極至塗佈單元進行塗佈，再傳送已塗佈之工作電極及對電極至貼合單元進行貼合封閉，以製成染料敏化太陽能電池半成品。
一實施例中，上述染料敏化太陽能電池封裝設備之輸送單元更包括機械手臂及橋式起重機。機械手臂用以夾取工作電極及對電極。橋式起重機與該機械手臂相連接，用以移動機械手臂至預設位置。
一實施例中，上述貼合單元及塗佈單元各自包括至少一定位部，而工作電極對應定位部包括至少一固定部，定位部配合固定部對接，藉以對位與固定工作電極。
一實施例中，定位部為一針腳且固定部為一孔洞，針腳穿過對應之孔洞，藉以對位與固定工作電極。
一實施例中，上述染料敏化太陽能電池封裝設備之塗佈單元包括點膠機，點膠機係依一預先設定的模式於工作電極上塗佈框膠及電解液。
一實施例中，工作電極為片電極，預先設定的模式係在工作電極上劃分多個獨立的工作電極單位，並於所述工作電極單位上分別塗佈框膠及電解液。
一實施例中，上述染料敏化太陽能電池封裝設備之塗佈單元更包括真空吸附式平台。工作電極係配置於真空吸附式平台上，當塗佈單元塗佈框膠及電解液時，真空吸附式平台吸附工作電極，以固定工作電極並使其平坦化。
一實施例中，上述染料敏化太陽能電池封裝設備之貼合單元更包括隔離板、壓合板、真空腔體及一UV光源。所述貼合單元係用以進行下列步驟：(1)工作電極與對電極對位後，以隔離板分隔工作電極與對電極；(2)將工作電極與對電極移至真空腔體中抽真空；(3)於真空腔體內的真空環境下移除隔離板，並以壓合板壓合工作電極及對電極；及(4)以UV光源照射框膠使其固化，以封閉工作電極及對電極。
一實施例中，上述染料敏化太陽能電池更包括一收料單元，用以接收並儲存染料敏化太陽能電池半成品。輸送單元係將貼合單元貼合封閉之染料敏化太陽能電池半成品輸送至收料單元。
根據本發明另一實施例，提供一種染料敏化太陽能電池的封裝方法。所述方法依序包括下列步驟： (1)提供工作電極及對電極； (2)於工作電極上塗佈框膠及電解液； (3)將工作電極與對電極對位後，以隔離板分隔工作電極與對電極； (4)將工作電極與對電極置於真空腔體中抽真空； (5)於真空腔體內的真空環境下移除隔離板，並以壓合板壓合工作電極及對電極；以及 (6) 固化框膠，以封閉工作電極及對電極。
一實施例中，上述封裝方法之工作電極為片電極。上述步驟(2)係在工作電極上劃分多個獨立的工作電極單位，並分別於所述工作電極單位上塗佈框膠及電解液。
一實施例中，上述步驟(2)係以點膠方式塗佈框膠及電解液。
一實施例中，上述步驟(6)係以UV光源照射框膠使其固化。
為使本發明之上述及其他方面更為清楚易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式進行說明。
請參照第1圖，其繪示依照本發明一實施例之染料敏化太陽能電池封裝設備的簡化方塊圖。此染料敏化太陽能電池封裝設備1為一自動化機械設備，其包括第一入料單元10、第二入料單元20、塗佈單元30、貼合單元40、輸送單元50以及收料單元60。
第一入料單元10及第二入料單元20分別用以輸入工作電極及對電極，其各自可包括一升降平台11、21以及一托盤12、22。首先工作電極及/或對電極放置在相對應之第一入料單元10與第二入料單元20之托盤12、22上，接著經由升降平台11、21將該工作電極與對電極輸入至下一個工作站，例如塗佈單元或貼合單元。
塗佈單元30用以在工作電極或對電極上塗佈框膠及電解液，其可為一獨立的工作站，經由第一入料單元10輸入的工作電極被送到塗佈單元30後，經由點膠機31依預先設定的模式，在工作電極上塗佈框膠與電解質。框膠例如是UV膠，可經由110nm~400nm紫外光照射固化。電解質則可使用本領域習知的電解質，包括但不限於液態電解質、離子液體及膠態電解質本發明並不對電解質材料進行限制。
請繼續參考第1圖，該塗佈單元30更可包括一真空吸附式平台32。工作電極（片電極）送到真空吸附式平台32上後，可藉由真空吸附的方式固定工作電極於平台上，使工作電極平坦化，增加塗佈時的準確度，提高產品良率，而塗佈完成的工作電極接著送入貼合單元40，其用以將塗佈有框膠及電解液的工作電極及對電極貼合封閉。於本實施例中，貼合單元40可包括隔離板401、針腳402、真空腔體403、壓合板404及UV光源（請參考第3A圖與第3B圖）。於塗佈單元30中塗佈好框膠及電解質的工作電極先送入貼合單元40後，再輸入來自第二入料單元20之對電極，並將兩者對位。
如第1圖所示，本發明之染料敏化太陽能電池封裝設備1還包括輸送單元50及收料單元60，輸送單元50用以傳輸工作電極及/或對電極至塗佈單元30進行塗佈、傳送已塗佈之工作電極及對電極至貼合單元40進行貼合封閉，以及傳送貼合封閉完成的染料敏化太陽能電池至收料單元60儲存，且該輸送單元50包括機械手臂與橋式起重機（俗稱天車），機械手臂用以夾取工作電極、對電極或染料敏化太陽能電池半成品。橋式起重機則與機械手臂相連接，用以移動機械手臂至預設之位置（例如各單元處）。本發明之輸送單元50可包括一組以上的機械手臂與橋式起重機，例如一組用於從第一入料單元10傳輸工作電極至塗佈單元30，另外一組用於從第二入料單元20傳輸對電極至貼合單元40，還有一組用於從塗佈單元30傳輸塗佈有框膠及電解質的工作電極至貼合單元40，最後一組用於將封裝完成之染料敏化太陽能電池半成品移至收料單元60等。另一實施態樣係可使用一組機械手臂與橋式起重機，將所欲傳送的各種物件，例如工作電極、對電極、染料敏化太陽能電池半成品等移動至所欲單元及位置，本發明並不對其數量進行限制。
於本實施例中，收料單元60可包括升降平台61及托盤62，經貼合單元40貼合封閉完成的染料敏化太陽能電池半成品送至收料單元中，由收料單元60進行儲存或移出染料敏化太陽能電池封裝設備1，以進行後續的處理步驟。
請繼續參考第1圖並配合參考第2A圖與第2B圖，該第2A圖係顯示本發明染料敏化太陽能電池封裝設備之工作電極的示意圖；第2B圖係顯示本發明染料敏化太陽能電池封裝設備之對電極的示意圖。工作電極與對電極為染料敏化太陽能電池的必要結構，本發明並不對其材質作限制，可以使用習知的工作電極/對電極材料，包括但不限於二氧化鈦、氧化鋅等。
工作電極與對電極較佳為片電極(sheet)，亦即為一薄片，其上藉由網印、電鍍或蝕刻等方式設計線路。工作電極100上可劃分為多個獨立的工作電極單位101。對電極200亦具有對應該工作電極單位101劃分的對電極單位201，每一個對電極單位201具有獨立的線路202。待封裝完成後，各個貼合的工作電極單位101與對電極單位201之組合即為獨立的染料敏化太陽能電池，可獨立提供電壓，亦可與其他染料敏化太陽能電池並聯/串聯使用。
一實施例中，可在第2B圖之對電極200之線路202上另外提供一保護層（未繪示於圖中）。保護層例如是一層保護膠，可用網印的方式，在線路202上印刷一層厚度均一的保護膠。保護層除了可以保護線路202不受後續步驟加入的電解質腐蝕，也可以控制染料敏化太陽能電池之厚度與電解質含量。
如第2A 圖及第2B圖所示，工作電極100與對電極200上另外各包括位置互相對應之一固定部，於本實施例中，該固定部為一孔洞（例如皆位於角落）103、203，工作電極100/對電極200於塗佈單元30塗佈框膠及電解質以及於貼合單元40（第1圖）進行貼合時，該孔洞103、203可協助對位及固定工作電極100及/或對電極200。
如前所述，工作電極100上分成多個獨立的工作電極單位101。塗佈單元30係在各個工作電極單位101上分別塗佈框膠及電解質。由於每個工作電極單位101於封裝完畢後皆可作為獨立的染料敏化太陽能電池使用，各工作電極單位皆具有框膠與電解質。塗佈的方法例如可使用點膠機，令其依照一預先設定的模式塗佈。於第2A圖中，工作電極100（片電極）係劃分為數個矩形的工作電極單位101，電解液及框膠也依此形狀塗佈。然工作電極單位101、電解液及框膠預塗佈之形狀亦可依據實際需求變化，例如設計成流線型、曲線等不規則形狀，以作為穿戴式裝置的電力來源。
相較於傳統網印塗佈框膠以及灌注電解質之方式，必須因應各種不同形狀的工作電極及/或對電極，另外設計搭配的網印模具，且以灌注方式注入電解質亦只能人工作業，容易產生氣泡、品質不易控制，成本高且無法自動化大量生產；本發明之塗佈單元提供的框膠及電解質塗佈方式，係以點膠機搭配一預設的塗佈模式（例如以電腦設備設定塗佈模式），可自由配合多種不同形狀之工作電極及/或對電極之塗佈，且對於框膠及電解質之用量亦可有效控制並降低使用量，有利於提高品質、自動化量產及降低成本。
另外，本實施例係以塗佈單元塗佈第2A圖中的工作電極100作為範例，然工作電極100與對電極200兩者可以互相交換，例如塗佈單元可以在對電極200的對電極單位201（第2B圖）上塗佈框膠跟電解質。
第3A圖及第3B圖繪示貼合單元40進行貼合步驟的示意圖。請參照第3A圖，該貼合單元40包含隔離板401、針腳402、真空腔體403、壓合板404及UV光源（圖未示），且該貼合單元進一步包括工作平台405，該針腳402係設於該工作平台405上。將工作電極100及對電極200對位的方式如下：將工作電極100放置於工作平台405上，以工作平台405之針腳402作為定位部，工作電極100與對電極200上的孔洞103及203作為固定部，將針腳402（定位部）穿過工作電極100與對電極200上的對應孔洞103及203（固定部），便可完成對位，並固定工作電極100、對電極200、工作平台405之相對位置。另外，塗佈單元30（第1圖）上也設置有類似的針腳作為定位部，用以固定工作電極100與真空吸附式平台32的相對位置。
如第3A圖所示，為避免工作電極100與對電極200直接接觸，污染框膠301及電解質（未繪示於第3A圖中），對位完成後較佳先以一隔離板401分開工作電極100及200，且隔離板400較佳亦不接觸工作電極100。
對位完成後如第3A圖所示，以一真空腔體403覆蓋整個工作平台405，並移除真空腔體內的空氣。移除真空腔體的空氣的方法可採用如真空幫浦等習知技術手段，此處不再贅述。
如第3B圖所示，於真空腔體403內的真空環境下移除隔離板401後，以壓合板404，藉重力落下壓合工作電極100及對電極200，使其更加密合。第3A圖及第3B圖中為方便辨識，放大了框膠301的厚度。然實際操作上框膠301及電解質（未繪示於圖中）的厚度極小，且工作電極100與對電極200為具有可撓性的薄片，壓合板404落下後工作電極100與對電極200可完全密合，不會有空隙產生。
最後，以UV光源照射框膠（未繪示於圖中）使其固化，封閉工作電極100及對電極200，便可獲得染料敏化太陽能電池之半成品。為了讓UV光源能夠到達框膠，壓合板404及/或工作平台405較佳係使用透明之材質製作。
貼合單元40係於真空環境下進行染料敏化太陽能電池的對位封裝，可使電解質的氣泡減少，且不易自工作電極100/對電極200中漏出，能夠更均勻的分佈於整個電極上，提昇能量效率。
經本發明上述染料敏化太陽能電池封裝設備1封裝完成的染料敏化太陽能電池半成品皆具有基本結構：工作電極、對電極以及電解質，且一半成品包括多個獨立的染料敏化太陽能電池（每個封裝完成的工作電極單位/對電極單位皆為獨立的染料敏化太陽能電池）。本發明製得的染料敏化太陽能電池半成品經切割、上膜、壓接端子等二次封裝步驟後，即可成為多個獨立的染料敏化太陽能電池。所述染料敏化太陽能電池半成品除了配合目前已知的各種二次封裝步驟製成最後電池成品外，亦可搭配申請人開發的自動化二次封裝設備及步驟，以達到全自動化之染料敏化太陽能電池的製程。詳細的二次封裝步驟將於申請人的另一篇申請案中敘述，此處不再贅述。
第4圖繪示依照本發明一實施例之染料敏化太陽能電池封裝方法的流程圖。上述染料敏化太陽能電池封裝設備即可執行此封裝方法，所述封裝方法包括下列步驟S01至S04：
S01：提供工作電極與對電極
工作電極及對電極之示意圖可參照第2A圖及第2B圖，工作電極100為片電極（sheet），其上劃分為多個獨立的工作電極單位101。對電極200亦具有對應該工作電極單位101劃分的對電極單位201。雖然第2A圖中各工作電極單位101為矩形，然依實際運用需求，亦可設計成橢圓、三角形、六角形等其他形狀。
S02塗佈步驟：於工作電極上塗佈框膠及電解液
如前所述，工作電極上劃分有多個獨立的工作電極單位。此步驟係藉由如點膠機之類的點膠方式，在各個獨立的工作電極單位上塗佈框膠與電解質。
S03對位：將工作電極與對電極對位，並以隔離板分隔工作電極與對電極。
於工作電極上塗佈框膠及電解質後，接著將工作電極與對電極對位（對齊工作電極單位與對應之對電極單位），準備進行貼合。第3A圖繪示工作電極與對電極對位步驟的剖面示意圖，為了避免框膠301及電解質（未繪示於圖中）溢出或污染，對位時工作電極100與對電極200較佳不會直接接觸，而是以一隔離板401間隔，隔離板401較佳亦不接觸塗佈有框膠301及電解質之工作電極100。第3A圖左側的針腳402係用以協助工作電極100與對電極200之對位，於此實施例中，工作電極100與對電極200上皆具有孔洞103及203，將針腳402對準並穿過工作電極100與對電極200上之孔洞103、203，便完成S03對位步驟。
S04貼合：將工作電極及對電極貼合
第3B圖繪示工作電極與對電極貼合步驟的剖面示意圖。本步驟中，首先將對位完成的工作電極100及對電極200置於一真空腔體403內抽真空，為避免移動工作電極100/對電極200破壞已完成之對位，較佳係以真空腔體403覆蓋已對位完成之工作電極100/對電極200。接著於真空環境下移除工作電極100/對電極200間的隔離板（第3A圖），對電極200便會因重力落下，與工作電極貼合。
接著，同樣在真空環境下，以一壓合板404覆蓋工作電極100/對電極200，藉由重力再次壓合工作電極100/對電極200，使其更加密合。
另外，當框膠為UV膠時，貼合步驟可額外以UV光源照射UV膠。此時壓合板404較佳係為透明板材，以便透過UV光源。以UV光線照射壓合中的對電極/工作電極，固化其框膠，便完成S04貼合步驟。
經上述步驟S01至S04封裝步驟，便可獲得染料敏化太陽能電池半成品。
經由上述染料敏化太陽能電池封裝設備（或以上述染料敏化太陽能電池封裝方法S01-S04）可以簡便且快速的完成染料敏化太陽能電池製程中，工作電極與對電極之封裝，製成染料敏化太陽能電池半成品。由於大部分的步驟藉由自動化設備進行，不但產量顯著增加，各步驟的誤差也可減少，增加良率，更可節省人力成本。此外，貼合單元（貼合步驟）在真空環境中進行貼合，也可減少電解液的氣泡，增加染料敏化太陽能電池之能量效率。
雖然本發明以實施例揭露如上，然上述實施例僅為示例，並非用以限制本發明。本發明領域具有通常知識者，當可對上述實施例揭露之態樣，進行合理的改動、變化。故本發明保護範圍當以後附之申請專利範圍為準。
1‧‧‧染料敏化太陽能電池封裝設備
10‧‧‧第一入料單元
11、21、61‧‧‧升降平台
12、22、62‧‧‧托盤
100‧‧‧工作電極
101‧‧‧工作電極單位
103、203‧‧‧孔洞
200‧‧‧對電極
201‧‧‧對電極單位
202‧‧‧線路
20‧‧‧第二入料單元
30‧‧‧塗佈單元
31‧‧‧點膠機
32‧‧‧真空吸附式平台
40‧‧‧貼合單元
401‧‧‧隔離板
402‧‧‧針腳
403‧‧‧真空腔體
404‧‧‧壓合板
405‧‧‧工作平台
50‧‧‧輸送單元
60‧‧‧收料單元
S01-S04‧‧‧步驟
第1圖繪示依照本發明一實施例之染料敏化太陽能電池封裝設備的方塊圖。
第2A圖繪示依照本發明一實施例之工作電極的示意圖；第2B圖繪示對電極的示意圖。
第3A圖及第3B圖繪示依照本發明一實施例之染料敏化太陽能電池封裝設備，其貼合單元進行之貼合步驟的示意圖。
第4圖繪示依照本發明一實施例之染料敏化太陽能電池封裝方法的流程圖。
Claims (12)
- 一種染料敏化太陽能電池封裝設備，包括：一第一入料單元，用以輸入一工作電極；一第二入料單元，用以輸入一對電極；一塗佈單元，用以在該工作電極及/或該對電極上塗佈框膠及電解液；一貼合單元，用以將塗佈有框膠及電解液的該工作電極及該對電極貼合封閉；以及一輸送單元，用以傳輸該工作電極及/或該對電極至該塗佈單元進行塗佈，再傳送已塗佈之該工作電極及該對電極至該貼合單元進行貼合封閉，以製成一染料敏化太陽能電池半成品；其中，該輸送單元包括一機械手臂及一橋式起重機，該機械手臂用以夾取該工作電極及對電極，該橋式起重機係與該機械手臂相連接，用以移動該機械手臂至預設位置。
- 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池封裝設備，其中該貼合單元及該塗佈單元各自包括至少一定位部，而該工作電極對應該定位部包括至少一固定部，該定位部配合該固定部對接，藉以對位與固定該工作電極。
- 如申請專利範圍第2項所述之染料敏化太陽能電池封裝設備，其中該定位部為一針腳且該固定部為一孔洞，該針腳穿過對應之該孔洞，藉以對位與固定該工作電極。
- 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池封裝設備，其中該塗佈單元包括一點膠機，該點膠機係依一預先設定的模式於該工作電極上塗佈框膠及電解液。
- 如申請專利範圍第4項所述之染料敏化太陽能電池封裝設備，其中該工作電極為一片電極，該預先設定的模式係在該工作電極上劃分複數個獨立的工作電極單位，並於該些單位分別塗佈框膠及電解液。
- 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池封裝設備，其中該塗佈單元更包括一真空吸附式平台，該工作電極係配置於該真空吸附式平台上，當該塗佈單元塗佈框膠及電解液時，該真空吸附式平台吸附該工作電極，以固定該工作電極並使其平坦化。
- 如申請專利範圍第2項所述之染料敏化太陽能電池封裝設備，其中該貼合單元更包括一隔離板、一壓合板、一真空腔體及一UV光源，該貼合單元係用以進行下列步驟：(1)該工作電極與該對電極對位後，以該隔離板分隔該工作電極與該對電極；(2)將該工作電極與該對電極移至該真空腔體中抽真空；(3)於該真空腔體內的真空環境下移除該隔離板，並以該壓合板壓合該工作電極及該對電極；及(4)以該UV光源照射框膠使其固化，以封閉該工作電極及該對電極。
- 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池封裝設備，其更包括一收料單元，用以接收並儲存該染料敏化太陽能電池半成品，其中該輸送單元係將該貼合單元貼合封閉之該染料敏化太陽能電池半成品輸送至該收料單元。
- 一種染料敏化太陽能電池的封裝方法，依序包括下列步驟：(1)提供一工作電極及一對電極；(2)於該工作電極上塗佈框膠及電解液；(3)將該工作電極與該對電極對位後，以一隔離板分隔該工作電極與該對電極；(4)將該工作電極與該對電極置於一真空腔體中抽真空；(5)於該真空腔體內的真空環境下移除該隔離板，並以一壓合板壓合該工作電極及該對電極；以及(6)固化該框膠，以封閉該工作電極及該對電極。
- 如申請專利範圍第9項所述之封裝方法，其中該工作電極為一片電極，所述步驟(2)係在該工作電極上劃分複數個獨立的工作電極單位，並分別於該些單位塗佈框膠及電解液。
- 如申請專利範圍第9項所述之封裝方法，其中所述步驟(2)係以點膠方式塗佈框膠及電解液。
- 如申請專利範圍第9項所述之封裝方法，其中所述步驟(6)係以UV光源照射該框膠使其固化。
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