專利名稱：染料敏化太陽能電池模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光電轉(zhuǎn)換的器件，特別是一種染料敏化太陽能電池模塊。
技術(shù)背景染料敏化太陽能電池，由于其結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉且光電轉(zhuǎn)換效率較高而受到關(guān)注?，F(xiàn) 有技術(shù)的染料敏化太陽能電池模塊一般包括以下幾個主要部分吸附了光敏染料的納米多孔 半導(dǎo)體薄膜和透明導(dǎo)電基板組成的第一電極、與之相對且間隔開的含催化層的第二電極、兩電極之間填充的電解質(zhì)、以及密封材料。兩電極中至少包含一個透明電極以保證電池對光的 吸收，通常使用透明導(dǎo)電性基板為導(dǎo)電玻璃或柔性透明導(dǎo)電膜。電解質(zhì)材料通常為含有碘電 對的有機溶液。由于半導(dǎo)體電極具有粗糙因子大于1000的大比表面積多孔膜結(jié)構(gòu)，可以大大提高染料對 光的吸收效率。目前，該類電池的光電轉(zhuǎn)換效率達到了 11%以上。因為在染料敏化太陽能電 池的生產(chǎn)中，不一定需要使用復(fù)雜的、大規(guī)模制造設(shè)備，同時避免了高溫或者高真空等高能 耗過程，據(jù)估計，染料敏化太陽能電池的生產(chǎn)成本為硅系太陽能電池的1/10-1/5。染料敏化太陽能電池作為下一代的廉價大規(guī)模生產(chǎn)的太陽能電池成為可能。電池生產(chǎn)中所使用的透明導(dǎo)電性基板， 一般為包覆了摻錫氧化銦(ITO)或摻氟氧化錫 (FTO)等透明導(dǎo)電膜的玻璃基板或其它柔性透明材料，ITO或FTO層可以通過濺射法或CVD 法進行制備。但是，ITO或FTO的電阻率為10—4~10—3 Qxm左右，是銀、銅等金屬電阻率的 100倍左右。因此，市售的透明導(dǎo)電基底具有較高的電阻值，在用于染料敏化太陽能電池時， 特別是大面積的電池模塊的時候，光電轉(zhuǎn)換效率下降明顯?？梢钥紤]通過提高透明導(dǎo)電層(ITO 或FTO等)的厚度來降低透明導(dǎo)電基底的電阻。但是，導(dǎo)電層厚度的增大會導(dǎo)致其對光的吸 收率增大，同樣會降低太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。為了解決這一問題，目前常用的方法是通過在導(dǎo)電基底設(shè)置金屬或其它高電導(dǎo)率材料作 為柵電極，并通過大量的金屬柵電極將大面積電池分割為若干個長條狀單電池，減少電子在 導(dǎo)電膜中傳輸?shù)木嚯x，提高電池的性能。金屬柵電極所用材料通常為銀、銅、鎳等金屬，并通過印刷或電鍍的方法進行制備。但是，必須在金屬柵電極的表面設(shè)置另外一層絕緣屏蔽層， 以防止電解液對柵電極金屬的腐蝕。如中國專利ZL200410014456.X公開了該種結(jié)構(gòu)的內(nèi)部 并聯(lián)大面積電池的制備方法，利用高分子材料、高分子粘合劑、或玻璃材料、或陶瓷材料進 行柵電極的保護和電池的密封。該方法帶來的顯著問題包括一下幾個部分首先，透明基底 上制備的大量柵電極和屏蔽層阻擋了光線的入射，大大降低了透明電極窗體的光利用率；文 獻(大面積染料敏化太陽電池的實驗研究，翁堅/肖尚鋒/陳雙宏/戴松元，物理學(xué)報；2007年， 56巻，第六期，3602-3606)報道了使用上述結(jié)構(gòu)的15 X20cm電池模塊，其有效面積僅187.2 cm2，其窗體開口率僅為62.4%;其次，該屏蔽層必須將柵電極金屬完全致密的包覆，微小的 瑕疵將會使柵電極發(fā)生滲透性腐蝕，導(dǎo)致整個電池模塊的失效，使電池的廢品率大大提高； 另外，這種方法使電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變的復(fù)雜，不利于控制電池的生產(chǎn)成本。中國專利CN1755948A以及CN1674303A也公開了類似的結(jié)構(gòu)，其專利公開的內(nèi)容在此 引用。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種染料敏化太陽能電池模塊結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的染料敏化太陽能電池 模塊避免了柵電極的制備和保護，從而使電池模塊具有更大的有效面積，同時擴大了材料的 選擇范圍。本發(fā)明的另外一個目的是提供了一種大面積并聯(lián)/串聯(lián)染料敏化太陽能電池。本發(fā)明具體采用如下技術(shù)方案一種染料敏化太陽能電池模塊，包括第一電極、第二電極，第一電極和第二電極相對間 隔設(shè)置，周邊密封形成封閉的腔體，在所述的腔體中填充有電解質(zhì)；所述第一電極工作區(qū)域一側(cè)設(shè)置納米多孔半導(dǎo)體薄膜，所述納米多孔半導(dǎo)體薄膜浸漬有光敏染料，所述第二電極工作區(qū)域一側(cè)設(shè)置催化劑層；所述的第一電極和第二電極至少有一個是透明的；其特征是，至 少在一個電極上設(shè)有一個或多個小孔，小孔的周邊密封，從所述的小孔內(nèi)將對電極的工作電 流引出。本發(fā)明可以在其中一個電極上設(shè)置小孔，開孔的電極可以是透明電極，也可以是不透明 電極。透明電極的基板一般是導(dǎo)電玻璃，考慮到在上面開孔的難度以及開孔后可能降低其機 械物理性能，因此，本發(fā)明優(yōu)選在不透明電極上預(yù)留小孔，具體的技術(shù)方案是所述的第一電極和第二電極有一個是不透明的，僅在不透明的電極上設(shè)有一個或多個小孔。所述的不透明電極是不銹鋼板、鈦板、鎳板、碳板、鍍鎳鋼板、鍍鎳鐵板、鍍鈦鐵板、 鍍鈦鋼板、不銹鋼塑料復(fù)合板。應(yīng)當(dāng)這樣認為，只要同時具備1)是電的良導(dǎo)體；2)能夠耐受電解質(zhì)的腐蝕的材料 均可以作為不透明電極。本發(fā)明的電池模塊結(jié)構(gòu)也可以是兩個電極都是透明的，此時，僅在一個電極上預(yù)留小孔 時，優(yōu)先的技術(shù)方案是所述的第一電極和第二電極都是透明的，僅在其中一個電極上設(shè)有 一個或多個小孔，每個小孔內(nèi)設(shè)有導(dǎo)電膜孤島，導(dǎo)電膜孤島與開孔電極電氣聯(lián)接，從小孔內(nèi) 導(dǎo)電膜孤島與背電極上分別引出工作電流。設(shè)置導(dǎo)電膜孤島是為了使引出工作電流更加方便，在某些情況下(例如小孔的尺寸足 夠大，能夠方便的引出工作電流)，本發(fā)明也可以這樣設(shè)置所述的第一電極和第二電極都是 透明的，僅在其中一個電極上設(shè)有一個或多個小孔，小孔在密封時，開孔電極預(yù)留出足夠面 積用來引出電流，電池的另一極從小孔內(nèi)將工作電流引出。本發(fā)明也可以在兩個電極都設(shè)有小孔，具體的技術(shù)方案是在兩個電極上都設(shè)有小孔，兩個電極上的小孔位置錯開；優(yōu)選的方案是在兩個電極上 都設(shè)有小孔，兩個電極上的小孔相切，周邊密封的截面為長圓孔。該方案的優(yōu)點是浪費的 有效面積最少，且密封方便。應(yīng)當(dāng)這樣認為，小孔的位置設(shè)置原則上只要能夠方便的從小孔內(nèi)將對電極的工作電流引 出即可?？紤]到電池模塊的面積等因素，所述的電池模塊可以設(shè)置1個(或l對)小？L，優(yōu)選的 方案是設(shè)置多個小孔，其排列方式是規(guī)則的或者其排列方式是不規(guī)則的。所述太陽能電池模塊的透明電極采用導(dǎo)電玻璃或者在透明塑料基板的表面覆有一層透明 的導(dǎo)電膜；所述導(dǎo)電膜一般材質(zhì)為摻錫氧化銦(ITO)、摻氟氧化錫(FTO)、 ZnO-Ga203、 ZnO-Al203或者Sn02-Sb203等，所述導(dǎo)電膜可以通過濺射法、CVD法或其他技術(shù)進行制備。所述的納米多孔半導(dǎo)體薄膜的材質(zhì)為Ti、 Nb、 Zn、 Sn、 Ta、 W、 Ni、 Fe、 Cr、 V、 Pm、 Zr、 Sr、 In、 Ir、 La、 Mo、 Mg、 Al、 Y、 Sc、 Sm、 Ga或其混合物的金屬氧化物。薄膜厚度可 在O.l微米至1毫米之間，其制備方法和現(xiàn)有技術(shù)相同；所述催化劑層的的材質(zhì)為Pt、 Ru、 Pd、 Rh、 Ir、 Os、 W03、 Ti02、石墨或它們的混合物，其制備方法和現(xiàn)有技術(shù)相同；所述電解質(zhì)液為液體電解質(zhì)、離子液體電解質(zhì)、類固體電解質(zhì)、聚合物電解質(zhì)、固體電 解質(zhì)中的一種；所述的密封是采用適合的密封材料并選用合適的密封方法進行的，例如熱塑性聚合物膜， 如Surlyn。熱塑性聚合物膜設(shè)置在兩基片之間，并通過真空熱壓的方式將第一和第二電極密 封。也可使用其它高分子粘結(jié)劑，例如硅橡膠、聚氨酯橡膠、UV固化膠，或玻璃材料、或 陶瓷材料密封。本發(fā)明的電池模塊可以采用如下技術(shù)方案串聯(lián)或者并聯(lián)成大面積電池，具體是一種大面積串/并聯(lián)染料敏化太陽能電池，包括第一基片，其特征是，第一基片是整板式 結(jié)構(gòu)，在第一基片上設(shè)置多個單元電池區(qū)域；第一基片作為單元電池的第一電極或第二電極 與相對設(shè)置在單元電池區(qū)域的對電極形成如上所述的單元電池模塊，單元電池模塊相互之間 的電氣連接方式為串聯(lián)或并聯(lián)；所述的第一基片與單元電池區(qū)域的對電極至少有一個是透明 的。所述第一基片和單元電池區(qū)域的對電極有一個是不透明的，不透明部分的材質(zhì)是不銹鋼 板、鈦板、鎳板、碳板、鍍鎳鋼板、鍍鎳鐵板、鍍鈦鐵板、鍍鈦鋼板、不銹鋼塑料復(fù)合板中 的一種。或者所述的第一基片和單元電池區(qū)域的對電極都是透明的。本發(fā)明所述的單元電池之間的導(dǎo)電膜通過激光刻蝕、化學(xué)腐蝕或者其他的現(xiàn)有技術(shù)斷開 電氣連接。本發(fā)明的制法具體包括如下步驟1) 在透明導(dǎo)電基板或者耐腐蝕金屬基板上，按照設(shè)計好的尺寸，通過轉(zhuǎn)、磨、沖壓、 激光刻蝕或其他方法進行預(yù)留孔的制備后，將電極基板沖洗干凈；2) 在第一電極基板上，通過絲網(wǎng)印刷、或噴涂、或濺射、或其他鍍膜方法制備納米或 多孔半導(dǎo)體薄膜材料并燒結(jié)，通過浸漬使納米或多孔半導(dǎo)體薄膜中均勻吸附染料；3) 在第二電極基板上，通過絲網(wǎng)印刷、或噴涂、或濺射、或其他鍍膜方法制備催化層；4) 在預(yù)留孔的周圍和電極的周邊位置，通過印刷、或噴涂、或擠壓、或其他方法把密 封材料均勻置于設(shè)定位置，將兩電極基板合上并密封；5) 將電解質(zhì)通過真空或者手工方法注入，并密封注入孔；6)將導(dǎo)線、或其他導(dǎo)電材料，經(jīng)過電極預(yù)留孔，通過粘接、或焊接、或其他方法連接 到另一電極的電流引出點上，將電流引出。本發(fā)明中所述對電極是與開孔電極相對的另 一 電極。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于-1) 本發(fā)明可以大大增加電池的有效工作面積，根據(jù)制備精度，其窗體的開口率為 850/0~95%;2) 本發(fā)明的染料敏化太陽能電池制作簡單，避免了金屬柵電極的使用和保護，降低了 電解質(zhì)滲透性腐蝕的可能性，使電池的安全系數(shù)大大提高； 3)本發(fā)明擴大了密封材料的選擇范圍。


圖1是實施例1的正視圖；圖2是圖1的A向剖面結(jié)構(gòu)放大示意圖；圖3是實施例2的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是實施例3的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是實施例4的立體透視圖；圖6是實施例4的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是實施例5的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8是實施例6的后視圖；圖9是實施例7的主視圖；圖10是實施例7的后視圖；圖11是實施例8的后視圖。
具體實施方式
實施例1如圖l、 2所示， 一種染料敏化太陽能電池模塊，包括第一電極、第二電極，第-電極包括不透明基片11，不透明基片11的工作區(qū)域一側(cè)設(shè)置催化劑層16，不透明基片11的材質(zhì)為是不銹鋼板、鈦板、鎳板、碳板、鍍鎳鋼板、鍍鎳鐵板、鍍鈦鐵板、鍍鈦鋼板、不銹鋼塑料復(fù)合板一種；第二電極包括透明基片12，透明基片12上覆有導(dǎo)電膜15，其工作區(qū)域一側(cè) 設(shè)置納米多孔半導(dǎo)體薄膜17，納米多孔半導(dǎo)體薄膜17浸漬有光敏染料，透明基片12的材質(zhì) 為玻璃或透明塑料。第一電極和第二電極相對間隔設(shè)置，周邊密封形成封閉的腔體18，在腔體18中填充有 電解質(zhì)。在不透明基片11設(shè)置有小孔13;小孔13周邊用密封材料14密封，從小孔內(nèi)將第二電 極上的工作電流通過電流引出點19引出。實施例2如圖3所示，電池模塊與實施例l結(jié)構(gòu)基本相同，只是第一電極和第二電極都是透明的， 第一電極的基片23的材質(zhì)為透明塑料或玻璃，在第一電極上設(shè)置小孔13，小孔13周邊用密 封材料14密封；采用現(xiàn)有技術(shù)在小孔內(nèi)基片12上的導(dǎo)電膜15刻蝕斷形成導(dǎo)電膜孤島21， 采用導(dǎo)電材料22將導(dǎo)電膜孤島21與第一電極基片11上的導(dǎo)電膜15聯(lián)接；從小孔內(nèi)導(dǎo)電膜 孤島21、第二電極電流引出點19分別引出兩電極的工作電流。實施例3如圖4所示，電池模塊與實施例l結(jié)構(gòu)基本相同，只是第一電極和第二電極都是透明的， 第一電極的基片23的材質(zhì)為透明塑料或玻璃，在第一電極上設(shè)置小孔13，小孔13周邊用密 封材料14密封；第一電極的工作電流利用導(dǎo)體材料41直接將電流由小孔13引出；第二電極 上的工作電流通過電流引出點19引出。 實施例4如圖5、6所示，電池模塊與實施例l結(jié)構(gòu)基本相同，只是在第一和第二電極上都設(shè)有多 個小孔，兩個電極上的小孔相切，周邊密封14的截面為長圓孔；如圖6所示，在第一電極設(shè)置小孔13，在第二電極上設(shè)置小孔33，小孔13和33相切， 從小孔13中的第二電極、小孔33中的第一電極引出工作電流。實施例5如圖7所示，電池模塊結(jié)構(gòu)與實施例4基本相同，只是小孔13與33的位置相錯。 實施例6如圖8所示， 一種大面積并聯(lián)染料敏化太陽能電池，包括第一基片51，在第一基片51上設(shè)置多個單元電池區(qū)域54，第一基片51作為每個單元電池的透明電極，每個單元電池區(qū) 域54的對電極52上設(shè)置一個或者多個小孔53，對電極52是不銹鋼板、鈦板、鎳板、鍍鎳 鋼板、鍍鎳鐵板、鍍鈦鐵板、鍍鈦鋼板、不銹鋼塑料復(fù)合板中的一種。單元電池54之間的電 氣連接方式為并聯(lián)。單元電池54的剖面結(jié)構(gòu)如實施例1至3中任一種所述。 實施例7如圖9、 IO所示， 一種大面積并聯(lián)染料敏化太陽能電池，包括第一基片62，在第一基片 62上設(shè)置多個單元電池區(qū)域64，所述第二基片62是不透明的，材質(zhì)為是不銹鋼板、鈦板、 鎳板、鍍鎳鋼板、鍍鎳鐵板、鍍鈦鐵板、鍍鈦鋼板、不銹鋼塑料復(fù)合板中的一種。每個單元 電池區(qū)域64都有對電極61 ，在與對電極61相對的第一基片62上設(shè)置一個或者多個小孔63， 從小孔63內(nèi)將第二電極61的工作電流引出。單元電池64之間的電氣連接方式為并聯(lián)。單元電池64的剖面結(jié)構(gòu)如實施例1至3中任一種所述。實施例8如圖11所示，結(jié)構(gòu)與實施例6基本相同，只是本實施例是串聯(lián)的方式聯(lián)接，將第一電極 71上單元電池74周圍的導(dǎo)電膜通過現(xiàn)有技術(shù)斷開電氣連接，第二電極72上設(shè)置多個小孔73， 從每個小孔73內(nèi)的第一電極71引出的電流，通過導(dǎo)線75匯總后與相鄰單元電池的第二電極 72'串聯(lián)。單元電池74的剖面結(jié)構(gòu)如實施例1至3中任一種所述。本發(fā)明的大面積串/并聯(lián)電池的單元電池結(jié)構(gòu)也可以是兩面開孔的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明上述的實施例是對本發(fā)明的說明而不能限制本發(fā)明，在與本發(fā)明權(quán)利要求書相當(dāng) 的含義和范圍內(nèi)的任何改變和組合，都應(yīng)認為是在權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種染料敏化太陽能電池模塊，包括第一電極、第二電極，第一電極和第二電極相對間隔設(shè)置，周邊密封形成封閉的腔體，在所述腔體中填充有電解質(zhì)；第一電極工作區(qū)域一側(cè)設(shè)置納米多孔半導(dǎo)體薄膜，所述納米多孔半導(dǎo)體薄膜浸漬有光敏染料，第二電極工作區(qū)域一側(cè)設(shè)置催化劑層；所述的第一電極和第二電極至少有一個是透明的；其特征是，至少在一個電極上設(shè)有一個或多個小孔，小孔的周邊密封，從小孔內(nèi)對電極上引出工作電流。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的染料敏化太陽能電池模塊，其特征是，所述的第一電極和第二 電極中有一個是不透明的，僅在不透明的電極上設(shè)有一個或多個小孔。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的染料敏化太陽能電池模塊，其特征是，所述的不透明電極是不 銹鋼板、鈦板、鎳板、碳板、鍍鎳鋼板、鍍鎳鐵板、鍍鈦鐵板、鍍鈦鋼板、不銹鋼塑料復(fù)合 板中的一種。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的染料敏化太陽能電池模塊，其特征是，在兩個電極上都設(shè)有小 孔，兩個電極上的小孔位置相互錯開。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的染料敏化太陽能電池模塊，其特征是，在兩個電極上都設(shè)有小 孔，兩個電極上的小孔相切，周邊密封的截面為長圓孔。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的染料敏化太陽能電池模塊，其特征是，所述的第一電極和第二 電極都是透明的，僅在其中一個電極上設(shè)有一個或多個小孔，小孔內(nèi)對電極上設(shè)有導(dǎo)電膜孤 島，導(dǎo)電膜孤島與開孔電極電氣聯(lián)接，從小孔內(nèi)導(dǎo)電膜孤島與對電極上分別引出工作電流。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的染料敏化太陽能電池模塊，其特征是，所述的第一電極和第二 電極都是透明的，僅在其中一個電極上設(shè)有一個或多個小孔，從小孔內(nèi)將開孔電極和對電極 的電流引出。
8. —種大面積串/并聯(lián)染料敏化太陽能電池，包括第一基片，其特征是，第一基片是整板 式結(jié)構(gòu)，在第一基片上設(shè)置多個單元電池區(qū)域；第一基片作為單元電池的第一電極或第二電 極與相對設(shè)置在單元電池區(qū)域的對電極形成如權(quán)利要求1的單元電池模塊，單元電池模塊相 互之間的電氣連接方式為串聯(lián)或并聯(lián)；所述的第一基片與單元電池區(qū)域的對電極至少有一個 是透明的。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的大面積審/并聯(lián)染料敏化太陽能電池，其特征是，第一基片和單 元電池區(qū)域的對電極有一個是不透明的，不透明部分的材質(zhì)是不銹鋼板、鈦板、鎳板、碳板、 鍍鎳鋼板、鍍鎳鐵板、鍍鈦鐵板、鍍鈦鋼板、不銹鋼塑料復(fù)合板中的一種。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的大面積串/并聯(lián)染料敏化太陽能電池，其特征是，所述的第一 基片和單元電池區(qū)域的對電極都是透明的。
全文摘要
一種染料敏化太陽能電池模塊，屬于光電轉(zhuǎn)換的器件技術(shù)領(lǐng)域，包括第一電極、第二電極，第一電極和第二電極相對間隔設(shè)置，周邊密封形成封閉的腔體，在所述腔體中填充有電解質(zhì)；第一電極工作區(qū)域一側(cè)設(shè)置納米多孔半導(dǎo)體薄膜，所述納米多孔半導(dǎo)體薄膜浸漬有光敏染料，第二電極工作區(qū)域一側(cè)設(shè)置催化劑層；所述的第一電極和第二電極至少有一個是透明的；其特征是，至少在一個電極上設(shè)有一個或多個小孔，小孔的周邊密封，從小孔內(nèi)對電極上引出工作電流。本發(fā)明增加了電池的有效工作面積；同時由于避免了金屬柵電極的保護，降低了電解質(zhì)滲透性腐蝕的可能性，使電池的安全系數(shù)大大提高；因而擴大了密封材料的選擇范圍。
文檔編號H01L31/048GK101232052SQ200810010368
公開日2008年7月30日 申請日期2008年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月1日
發(fā)明者楊希川, 陳瑞奎 申請人:大連七色光太陽能科技開發(fā)有限公司