專利名稱：微流控染料敏化太陽能電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于染料敏化太陽能電池(DSSC)領(lǐng)域，特別涉及一種將微流控器件與染 料敏化太陽能電池集成一體的微流控染料敏化太陽能電池。
背景技術(shù)：
太陽能應(yīng)用技術(shù)，一直是科研人員的重要研究開發(fā)領(lǐng)域。自20世紀(jì)70年代，美 國科學(xué)家首先研發(fā)出硅太陽能電池(Barbe, C. J. ；Arendse, F. ；Comte, P. Jirousek, M.； Lenzmann, F. ；Shklover, V. ；GrStzel, M. J. Am. Ceram. Soc. 1997，80，3157)，并在航天等領(lǐng) 域得到了應(yīng)用；目前工業(yè)化生產(chǎn)的單晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率在13% -16%之間 (Bedja, I. ；Hotchandani, S. ；Kamat，P. V. J. Phys. Chem. 1994，98，4133.)。由于硅電池制 造工藝復(fù)雜、成本高，使其應(yīng)用范圍的拓寬受到了限制。為了克服硅電池的缺點(diǎn)，科研人員 相繼研發(fā)出了多種新型光伏電池。其中，90年代瑞士 EGratzel教授的研究小組研發(fā)的多 孔納晶TiO2染料敏化太陽能電池引起了人們的廣泛關(guān)注，在AM 1. 5模擬日光照射下，其光 電轉(zhuǎn)換效率達(dá)至IJ了 7.12% (Benkstein, K. D. ；Kopidakis, N. ；Lagemaat, J. van de ； Frank, A. J. J. Phys. Chem. B 2003，107，7795.)。與硅電池相比，染料敏化太陽能電池的優(yōu)勢 在于制備工藝簡單、生產(chǎn)成本低；它對入射光角度要求低，在折射光和反射光條件下，仍有 良好的電池性能；由于DSSC將具有寬的光譜吸收的染料和有高比表面積的納米多孔薄膜 有機(jī)地結(jié)合起來，能在極廣的可見光范圍內(nèi)工作，適合在非直射光、多云等弱光條件下，以 及在光線條件不足的室內(nèi)條件下應(yīng)用，所以，DSSC已成為當(dāng)今新的研究熱點(diǎn)和產(chǎn)業(yè)化方向。染料敏化太陽能電池主要由導(dǎo)電基片、多孔納米晶半導(dǎo)體薄膜、染料光敏化劑、電 解質(zhì)和透明電極組成。就染料敏化太陽能電池的電解質(zhì)而言，主要以含有1_/13_氧化還原 對的有機(jī)溶劑形成，即液體電解質(zhì)。但是，染料敏化太陽能電池在長期使用后會出現(xiàn)電解液 缺失問題，由此降低了電池的實(shí)用性。因此，科研人員將研究投向了準(zhǔn)固態(tài)(溶膠-凝膠) 電解質(zhì)和全固態(tài)電解質(zhì)。然而，目前準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)DSSC及全固態(tài)電解質(zhì)DSSC的光電轉(zhuǎn)換 效率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于液體電解質(zhì)DSSC的光電轉(zhuǎn)換效率。微流控技術(shù)(Microfluidics)是集物理、化學(xué)和生物學(xué)研究于一體的新型前沿技 術(shù)，它通過微閥、微泵、微電極、微電磁場等功能微元器件的控制，在微通道中實(shí)現(xiàn)單一或復(fù) 雜的流體混合、分離、化學(xué)反應(yīng)、傳質(zhì)傳熱等操作。微流控技術(shù)的特點(diǎn)是納微尺度的元器件 和微通道、少量樣品、操作“綠色”、集成化、自動化、成本低。人們知道，液體在管道中流動， 會受到管壁的磨擦阻力。當(dāng)管道的內(nèi)徑很小時，管壁的磨擦阻力會很大。在一般情況下，必 須施加外力，才能使液體在微小的管道中流動。目前微流控系統(tǒng)中廣泛采用對流體加壓或 加電場的方法來控制液體的流動，通過在微流管道中置入微電極和電場來產(chǎn)生電滲流，以 驅(qū)動管道中的液體流動。其中“電滲泵”的工作原理是，以玻璃基質(zhì)為例，如圖1所示，在電 解質(zhì)溶液的PH值為中性或堿性條件下，玻璃微槽表面產(chǎn)生定域負(fù)電荷，這些定域負(fù)電荷將 吸引玻璃微槽內(nèi)電解質(zhì)溶液中的陽離子，進(jìn)而在玻璃微槽與電解質(zhì)溶液之間的固液界面上 就形成了 “雙電層”。在外電場力的作用下，陽離子層產(chǎn)生遷移并裹挾玻璃微槽內(nèi)電解質(zhì)溶液整體地朝電場負(fù)極方向流動(電滲流)。這里的外電場、負(fù)定域電荷的玻璃微槽和PH值 為中性或堿性的電解質(zhì)溶液的協(xié)同作用就像泵一樣，通稱為“電滲泵”。為發(fā)揮液體電解質(zhì)的優(yōu)勢，克服其不足，本發(fā)明提出了一種新思路，將微流控技術(shù) 與DSSC電池技術(shù)相結(jié)合，通過微通道和微電路的特殊設(shè)計，將“電滲泵”與DSSC電池集成 一體，利用“電滲泵”微流量、微結(jié)構(gòu)特性，實(shí)現(xiàn)了納晶膜內(nèi)液體電解質(zhì)的循環(huán)和補(bǔ)充，有效 地解決了電池中液體電解質(zhì)的缺失問題。另外，原非微流控染料敏化太陽能電池內(nèi)的液體 電解質(zhì)總含量僅僅是納晶膜內(nèi)空隙的容量，而本發(fā)明的電解質(zhì)總?cè)萘繛閮σ翰?、微槽、微?道和納晶膜內(nèi)空隙的容量的總合，是前者的若干數(shù)量級，其好處是保證納晶膜長期充分浸 潤在電解液中，最大限度地避免了因電解液浸潤不均而引起的光電轉(zhuǎn)換效率衰減。由此保 持電池性能的長期穩(wěn)定，延長電池的使用壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種微流控染料敏化太陽能電池，即采用了微流控技術(shù)，通 過在電池體內(nèi)構(gòu)建微通道和微電路的方法，將“電滲泵”、納晶膜和儲液槽集成到液體電解 質(zhì)循環(huán)回路中，在“電滲泵”揚(yáng)程力的驅(qū)動下，實(shí)現(xiàn)納晶膜內(nèi)液體電解質(zhì)的持續(xù)更新和補(bǔ)充， 由此保持電池性能的長期穩(wěn)定，延長電池的使用壽命。本發(fā)明的微流控染料敏化太陽能電池的工作原理如圖2所示，納晶膜E經(jīng)微通道 與兩個儲液槽Cl和C2相連，兩個儲液槽Cl和C2之間連接有毛細(xì)管尺度的微槽D，上述連 接形成了一個微通道循環(huán)回路，在該循環(huán)回路中注滿有液體電解質(zhì)；外加電壓的正負(fù)極Al 和A2分別通入儲液槽Cl和C2內(nèi)的液體電解質(zhì)中；在電池光陽極板的電能輸出負(fù)極Bl的 導(dǎo)電區(qū)域與電池對電極板的電能輸出正極B2的導(dǎo)電區(qū)域之間有納晶膜；外加電壓的正負(fù) 極Al和A2、注滿有液體電解質(zhì)的儲液槽Cl和C2及微槽D構(gòu)成前述的“電滲泵”。在該“電 滲泵”揚(yáng)程力的驅(qū)動下，液體電解質(zhì)就會在微通道循環(huán)回路中流動，即可實(shí)現(xiàn)納晶膜內(nèi)液體 電解質(zhì)的持續(xù)更新和補(bǔ)充。本發(fā)明的微流控染料敏化太陽能電池如圖3 圖23所示，包括電池對電極板、電 池壓膠膜、電池光陽極板、電池封口膜、電池封口盲板、液體電解質(zhì)、納晶膜、微通道、微槽、 儲液槽、電能輸出負(fù)極、電能輸出正極、外加電壓正極和外加電壓負(fù)極。所述的電池光陽極板的導(dǎo)電面上分隔有2個以上的獨(dú)立導(dǎo)電區(qū)域，其中一個導(dǎo)電 區(qū)域作為電能輸出負(fù)極；其余導(dǎo)電區(qū)域作為備用區(qū)域，如作為外加電壓正極，外加電壓負(fù)極寸。所述的電池對電極板的導(dǎo)電面上分隔有2個以上的獨(dú)立導(dǎo)電區(qū)域，其中一個導(dǎo)電 區(qū)域作為電能輸出正極，且在電能輸出正極的表面有金屬鉬層；其余導(dǎo)電區(qū)域作為備用區(qū) 域，如作為外加電壓正極，外加電壓負(fù)極等。在電池光陽極板的作為電能輸出負(fù)極的導(dǎo)電區(qū)域與電池對電極板的作為電能輸 出正極的導(dǎo)電區(qū)域之間有納晶膜，且環(huán)繞納晶膜的周邊有電池壓膠膜(納晶膜與上述的作 為電能輸出負(fù)極和作為電能輸出正極的導(dǎo)電區(qū)域之間不能有電池壓膠膜)；在有電池壓膠 膜處的電池光陽極板上的至少一個備用區(qū)域，或在有電池壓膠膜處的電池對電極板上的至 少一個備用區(qū)域中開有數(shù)量不少于2個穿透電池壓膠膜的通孔(通孔優(yōu)選為圓柱形通孔且 等間距設(shè)置)；在電池光陽極板或電池對電極板的通孔之間開有不少于一條為毛細(xì)管形式
6的微槽，所述的微槽將所述的通孔串聯(lián)相通，且開在電池光陽極板上的微槽不與所述的作 為電能輸出負(fù)極的導(dǎo)電區(qū)域相交，開在電池對電極板上的微槽不與作為電能輸出正極的導(dǎo) 電區(qū)域相接觸；當(dāng)通孔數(shù)量大于2個時，串聯(lián)相通的通孔中的首通孔和尾通孔之間無微槽 直接相連。所述的電池壓膠膜中開有2條以上的微通道，當(dāng)通孔數(shù)量大于2個時，其中至少有 一條微通道的兩端分別與納晶膜和首通孔相連通，其余電池壓膠膜中的微通道的兩端分別 與納晶膜和末通孔相連通；或當(dāng)通孔數(shù)量為2個時，其中至少有一條微通道的兩端分別與 納晶膜和其中一個通孔相連通，其余電池壓膠膜中的微通道的兩端分別與納晶膜和另一個 通孔相連通。所述的微槽與所述的微通道不直接相通。所述的納晶膜內(nèi)的微空隙中、電池壓膠膜中的微通道中、通孔中及微槽中均充滿 有液體電解質(zhì)。所述的電池光陽極板的非導(dǎo)電面上的或電池對電極板的非導(dǎo)電面上的各通孔處 覆蓋有電池封口盲板，電池封口盲板與電池光陽極板的非導(dǎo)電面或電池對電極板的非導(dǎo)電 面之間有電池封口膜(電池封口盲板不遮擋納晶膜的受光面)。由通孔與電池封口膜、電池封口盲板、電池壓膠膜和電池光陽極板圍成的空間構(gòu) 成儲液槽，或由通孔與電池封口膜、電池封口盲板、電池壓膠膜和電池對電極板圍成的空間 構(gòu)成儲液槽(包括通孔為2個以上時的首儲液槽，末儲液槽)；當(dāng)儲液槽的數(shù)量大于2個時， 外加電壓的正負(fù)極分別通入首儲液槽和末儲液槽內(nèi)的液體電解質(zhì)中；或當(dāng)儲液槽的數(shù)量為 2個時，外加電壓的正負(fù)極分別通入兩個儲液槽內(nèi)的液體電解質(zhì)中。所述的電能輸出正極表面的金屬鉬層大小與納晶膜適配。所述的金屬鉬層是采用離子濺射、氣相沉積或化學(xué)鍍等方法將金屬鉬附著在電能 輸出正極的表面。所述的金屬鉬層的厚度小于10 μ g/cm2，優(yōu)選金屬鉬層的厚度為5 μ g/ cm2 8 μ g/cm2。所述的電池光陽極板的作為電能輸出負(fù)極的導(dǎo)電區(qū)域和電池對電極板的作為電 能輸出正極的導(dǎo)電區(qū)域均大于納晶膜的尺寸。所述的微槽的當(dāng)量直徑為10 μ m 500 μ m。所述的納晶膜是由以下方法制備得到的采用噴涂、印刷、刮涂或附膜等方法，將 含有微顆粒材料的溶液附著到電能輸出負(fù)極的表面，在400°C 600°C (優(yōu)選450°C)的溫 度下固化，在電能輸出負(fù)極的表面形成微顆粒材料膜；然后將帶有微顆粒材料膜的電能輸 出負(fù)極浸泡在有機(jī)染料溶液或無機(jī)染料溶液中以吸附染料，浸泡時間為0. 5h 48h ；取出 干燥，得到納晶膜；所述的納晶膜的厚度為5 μ m 50 μ m。所述的含有微顆粒材料的溶液是由微顆粒材料、聚乙烯醇、乙醇和去離子水組成； 其中含有質(zhì)量濃度為5% 15%的微顆粒材料，質(zhì)量濃度為 5%的聚乙烯醇，質(zhì)量濃 度為30% 50%的乙醇，余量為去離子水。所述的微顆粒材料的顆粒尺寸為IOnm 500nm ；選自Ti02、ZnO、SnO2, Nd2O5等所 組成的組中的至少一種。所述的有機(jī)染料溶液或無機(jī)染料溶液是指有機(jī)染料或無機(jī)染料與溶劑的混合溶 液，其中所述的有機(jī)染料溶液或無機(jī)染料溶液的摩爾濃度為0. 03mM/L 3mM/L ；溶劑為乙醇，甲苯，甲醇，乙腈，3-甲氧基丙烯腈，四特丁基吡啶，丙酮，異丙醇等所組成的組中的至少一種。所述的有機(jī)染料是羧酸聯(lián)吡啶釕或羧酸多吡啶釕；其中羧酸聯(lián)吡啶釕包括 N3 (Ruthenium 535 簡稱 N3)和 N719 (Ruthenium 535-bisTBA 簡稱 N719)。所述的無機(jī)染料選自CdS、CdSe, FeS2, RuS2等所組成的組中的至少一種。所述的電池對電極板和電池光陽極板是采用透明導(dǎo)電材料制作而成，如ITO導(dǎo)電 玻璃或FTO導(dǎo)電玻璃等。所述的電池對電極板和電池光陽極板的導(dǎo)電面一側(cè)分隔的獨(dú)立導(dǎo)電區(qū)域，是采用 刻蝕、激光或超聲波等方法加工制作而成。所述的電池壓膠膜和電池封口膜的厚度均為5 μ m 50 μ m，其均是具有壓粘合或 熱粘合性能的物質(zhì)，如聚對苯二甲酸乙二醇酯(簡稱PET)熱固化膜，杜邦公司的Bynel熱
封膜等。所述的電池封口盲板是具有平滑表面的材料，如導(dǎo)電玻璃、普通玻璃、有機(jī)玻璃或 金屬板等，優(yōu)選導(dǎo)電玻璃。所述的液體電解質(zhì)為常用的液體電解質(zhì)，優(yōu)選液體電解質(zhì)是在混合溶劑中含有 0. 05mol/L 0. 5mol/L 的碘，0. 01mol/L lmol/L 的碘化物，0. lmol/L 5mol/L 的改性劑 的混合液。在上述液體電解質(zhì)中，所述的混合溶劑是按離子液體與有機(jī)溶劑的摩爾比為0 100 100 0配制而成的混合液。在上述液體電解質(zhì)中，所述的離子液體選自1-甲基-3-丙基咪唑碘鹽，1-甲 基-3-乙基咪唑碘鹽，1-甲基-3-丁基咪唑碘鹽，1-甲基-3-己基咪唑碘鹽，1.2-二甲 基-3-丙基咪唑碘鹽，四丙基碘化銨，碘化N-乙基吡啶，溴化N- 丁基吡啶，N- 丁基吡啶四 氟硼酸鹽，氯化N- 丁基-3-甲基吡啶等所組成的組中的至少一種。在上述液體電解質(zhì)中，所述的有機(jī)溶劑為易揮發(fā)或不易揮發(fā)的溶劑，如選自乙醇， 甲醇，乙腈，3-甲氧基丙烯腈，四特丁基吡啶，丙酮，異丙醇等所組成的組中的至少一種。在上述液體電解質(zhì)中，所述碘化物選自碘化鋰，碘化鈉，碘化鉀，碘化銨等可溶性 碘鹽所組成的組中的至少一種。在上述液體電解質(zhì)中，所述改性劑為N-甲基苯并咪唑或叔丁基吡啶。本發(fā)明通過“電滲泵”、微通道、微電路和染料敏化納晶膜的集成設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了染 料敏化太陽能電池中液體電解質(zhì)的循環(huán)和補(bǔ)充，解決了以往因電解質(zhì)流失導(dǎo)致電池失效問 題，由此有效延長了染料敏化太陽能電池的使用壽命。


圖1. “電滲泵”工作原理示意圖。圖2.本發(fā)明的微流控染料敏化太陽能電池工作原理示意圖。圖3.本發(fā)明實(shí)施例1的微流控染料敏化太陽能電池的側(cè)面剖視圖。圖4.本發(fā)明實(shí)施例1的微流控染料敏化太陽能電池的正面視圖。圖5.本發(fā)明實(shí)施例1的微流控染料敏化太陽能電池的電池光陽極板的正面視圖。圖6.本發(fā)明實(shí)施例1的微流控染料敏化太陽能電池的電池對電極板的正面視圖。
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圖7.本發(fā)明實(shí)施例1的微流控染料敏化太陽能電池的電池壓膠膜的正面視圖。圖8.本發(fā)明實(shí)施例1的微流控染料敏化太陽能電池的電池封口膜的正面視圖。圖9.本發(fā)明實(shí)施例2的微流控染料敏化太陽能電池的電池側(cè)面剖視圖。圖10.本發(fā)明實(shí)施例2的微流控染料敏化太陽能電池的電池正面視圖。圖11.本發(fā)明實(shí)施例2的微流控染料敏化太陽能電池的電池光陽極板的正面視 圖。圖12.本發(fā)明實(shí)施例2的微流控染料敏化太陽能電池的電池對電極板的正面視圖。圖13.本發(fā)明實(shí)施例2的微流控染料敏化太陽能電池的電池壓膠膜的正面視圖。圖14.本發(fā)明實(shí)施例2的微流控染料敏化太陽能電池的盲板的正面視圖。圖15.本發(fā)明實(shí)施例2的微流控染料敏化太陽能電池的電池封口膜的正面視圖。圖16.在模擬太陽光光強(qiáng)為lOOmW/cm2時，所測試的現(xiàn)有的非微流控染料敏化太 陽能電池的I-V曲線圖。其中a代表7天前測試的I-V曲線、b代表7天后測試的I-V曲 線。圖17.在外加電壓正負(fù)極間施加5V直流電壓、模擬太陽光光強(qiáng)為lOOmW/cm2時， 所測試的本發(fā)明實(shí)施例1的微流控染料敏化太陽能電池的I-V曲線圖。其中C代表7天前 測試的I-V曲線、d代表7天后測試的I-V曲線。圖18.在外加電壓正負(fù)極間施加IOV直流電壓、模擬太陽光光強(qiáng)為lOOmW/cm2時， 所測試的本發(fā)明實(shí)施例2的微流控染料敏化太陽能電池的I-V曲線圖。其中e代表7天前 測試的I-V曲線、f代表7天后測試的I-V曲線。圖19.本發(fā)明實(shí)施例3的微流控染料敏化太陽能電池的正面視圖。圖20.本發(fā)明實(shí)施例3的微流控染料敏化太陽能電池的電池光陽極板的正面視圖。圖21.本發(fā)明實(shí)施例3的微流控染料敏化太陽能電池的電池對電極板的正面視圖。圖22.本發(fā)明實(shí)施例3的微流控染料敏化太陽能電池的電池壓膠膜的正面視圖。圖23.本發(fā)明實(shí)施例3的微流控染料敏化太陽能電池的電池封口膜的正面視圖。附圖標(biāo)記1.電池對電極板2.電池壓膠膜3.電池光陽極板
4.電池封口膜5.電池封口盲板6.液體電解質(zhì)
7.納晶膜8.微通道9.微槽
10..儲液槽11..儲液槽12,.電能輸出負(fù)極
13..電能輸出正極14..外加電壓正極15,.外加電壓負(fù)極
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1請參見圖3 圖8所示。微流控染料敏化太陽能電池包括電池對電極板1、電池壓 膠膜2、電池光陽極板3、電池封口膜4、電池封口盲板5、液體電解質(zhì)6、納晶膜7、微通道8、 微槽9、儲液槽10、儲液槽11、電能輸出負(fù)極12、電能輸出正極13、外加電壓正極14和外加電壓負(fù)極15。所述的電池光陽極板3的導(dǎo)電面上，采用激光刻蝕方法加工出2個獨(dú)立導(dǎo)電區(qū)域， 其中一個導(dǎo)電區(qū)域作為電能輸出負(fù)極12，另一個導(dǎo)電區(qū)域作為備用區(qū)域。所述的電池對電極板1的導(dǎo)電面上，采用激光刻蝕方法加工出4個獨(dú)立導(dǎo)電區(qū)域， 其中一個導(dǎo)電區(qū)域作為電能輸出正極13，另2個分別作為外加電壓正極14和外加電壓負(fù)極 15，剩下的一個導(dǎo)電區(qū)域作為備用區(qū)域；其中在電能輸出正極13的表面有金屬鉬層。在電池光陽極板3的作為電能輸出負(fù)極的導(dǎo)電區(qū)域與電池對電極板1的作為電能 輸出正極的導(dǎo)電區(qū)域之間有納晶膜7，且環(huán)繞納晶膜的周邊有電池壓膠膜2 ；在有電池壓膠 膜處的電池光陽極板3上的備用區(qū)域開有2個穿透電池壓膠膜2的圓柱形通孔；且在圓柱 形通孔之間的電池光陽極板3的導(dǎo)電面上開有相互平行的5條為毛細(xì)管形式的微槽9，所述 的5條微槽分別將2個圓柱形通孔連通，且開在電池光陽極板3上的微槽不與所述的作為 電能輸出負(fù)極的導(dǎo)電區(qū)域相交。所述的電池壓膠膜2中開有2條微通道8，其中一條微通道的兩端分別與納晶膜 7和一個圓柱形通孔相連通，另一條微通道的兩端分別與納晶膜和另一個圓柱形通孔相連
ο所述的微槽與所述的微通道不得直接相通。所述的電池光陽極板3的非導(dǎo)電面上的2個圓柱形通孔處覆蓋有電池封口盲板5， 電池封口盲板5與電池光陽極板3的非導(dǎo)電面之間有電池封口膜4(電池封口盲板5不遮 擋納晶膜7的受光面)，電池封口盲板5壓合在電池封口膜4上。所述的納晶膜內(nèi)的微空隙中、電池壓膠膜中的微通道中、圓柱形通孔中及微槽中 均充滿有液體電解質(zhì)6。由2個圓柱形通孔與電池封口膜4、電池封口盲板5、電池壓膠膜2和電池光陽極 板3圍成的空間構(gòu)成儲液槽10和儲液槽11 ；外加電壓正極14和外加電壓負(fù)極15分別通 入儲液槽10和儲液槽11內(nèi)的液體電解質(zhì)中。所述的電池對電極板1、電池光陽極板3和電池封口盲板5的材料均為厚度為Imm 的FTO導(dǎo)電玻璃。所述的電池壓膠膜和電池封口膜的材料為厚度均為50μπι的聚對苯二甲酸乙二 醇酯(簡稱PET)熱固化膜。所述的電池光陽極板3的尺寸為40mmX33mmXlmm，其中一個作為電能輸出負(fù)極 12的導(dǎo)電區(qū)域的尺寸為24mmX16mm ；其上的2個圓柱形通孔的間距為16mm、圓柱形通孔的 直徑為4. 5mm ；所述的相互平行的5條為毛細(xì)管形式的微槽9之間的間距為1mm，微槽的斷 面尺寸為0. 2mmX0. 2mm。所述的電池對電極板1的尺寸為40mmX33mmXlmm，作為電能輸出正極13的 導(dǎo)電區(qū)域的尺寸為27mmX16mm，作為外加電壓正極14和外加電壓負(fù)極15的尺寸均為 20mmX IOmm ；所述的在電能輸出正極13的表面有與納晶膜大小一樣的厚度約為8 μ g/cm2 的金屬鉬層，金屬鉬層是采用離子濺射方法涂敷的。所述的電池壓膠膜2的尺寸為34mmX28mmX0. 05mm。采用激光切割方法在電池壓 膠膜2上加工出寬為2. 5mm的2條微通道，其上的2個圓柱形通孔的直徑為6mm ；及采用激 光切割方法在電池壓膠膜2上加工出1個IlmmX Ilmm的空區(qū)域(切割掉電池壓膠膜)；其中的1個圓柱形通孔經(jīng)由其中的1條微通道與該空區(qū)域連通，另1個圓柱形通孔經(jīng)由其中 的另1條微通道與該空區(qū)域連通。電池壓膠膜2上的2個圓柱形通孔和該空區(qū)域的位置分 別與電池光陽極板3上的2個圓柱形通孔和納晶膜對應(yīng)裝配。所述的納晶膜的尺寸為IOmmX 10mm、厚度約為40 μ m。所述的電池封口膜4的尺寸為8mmX8mmX0. 05mm，采用激光切割方法在其上的中 心處開有1個直徑為5mm的圓柱形通孔；在將電池封口膜4與電池光陽極板3進(jìn)行復(fù)合裝 配時，電池封口膜4上所開的圓柱形通孔與電池光陽極板3上的圓柱形通孔對應(yīng)。所述的電池封口盲板5尺寸為8mmX8mmX 1mm。所述的液體電解質(zhì)6是在混合溶劑中含有0. 05mol/L的I2，0. lmol/L的Lil， 0. 45mol/L的N-甲基苯并咪唑的混合液；其中的混合溶劑為0. 6mol/L的1-甲基-3-丙基 咪唑碘與乙腈配制而成。電池光陽極板的制作將導(dǎo)電玻璃切割所需尺寸，超聲波清洗(分別用去離子 水、丙酮、無水乙醇)，氮?dú)獯蹈桑@2個圓柱形通孔，激光刻蝕微槽9和作為電能輸出負(fù)極 12的獨(dú)立導(dǎo)電區(qū)域，超聲波清洗(分別用去離子水、丙酮、無水乙醇)，氮?dú)獯蹈伞Ｋ龅募{晶膜是由以下方法制備得到的采用靜電噴涂方法，將含有顆粒尺寸為 IOnm IOOnm的TiO2微顆粒的溶液涂敷到電能輸出負(fù)極的表面，在450°C的溫度下固化， 在電能輸出負(fù)極的表面形成TiO2多孔膜；然后將帶有多孔膜的電能輸出負(fù)極浸泡在有機(jī)染 料溶液中以吸附染料，浸泡時間為24小時；取出干燥，得到厚度約為40 μ m的納晶膜7。所述的含有TiO2微顆粒材料的溶液中含有質(zhì)量濃度為10%的TiO2微顆粒，質(zhì)量 濃度為3%的聚乙烯醇，質(zhì)量濃度為40%的去離子水，質(zhì)量濃度為47%的乙醇。所述的有機(jī)染料溶液是N3 (Ruthenium 535簡稱N3)染料與無水乙醇配合成的混 合溶液，其中N3染料在混合溶液中的摩爾濃度為0. 3mM/L。電池對電極板的制作將導(dǎo)電玻璃切割所需尺寸，超聲波清洗(分別用去離子 水、丙酮、無水乙醇)，氮?dú)獯蹈?，離子濺射金屬鉬層，激光刻蝕作為電能輸出正極13的獨(dú)立 導(dǎo)電區(qū)域、外加電壓正極14、外加電壓負(fù)極15。超聲波清洗(分別用去離子水、丙酮、無水 乙醇)，氮?dú)獯蹈?。電池壓膠膜的制作將PET材料切割所需尺寸，采用激光切割方法加工微通道8、 圓柱形通孔和11 X Ilmm的空區(qū)域(切割掉電池壓膠膜)。電池封口盲板的制作將導(dǎo)電玻璃切割所需尺寸，超聲波清洗(分別用去離子 水、丙酮、無水乙醇)，氮?dú)獯蹈?。電池封口?的制作將PET材料切割所需尺寸，采用激光切割方法加工圓柱形通 孔。電池封裝依次將電池光陽極板3、電池壓膠膜2、電池對電極板1定位壓合；放入 80°C烘箱中1小時使電池壓膠膜固化；再將該組裝件放入真空室并抽真空；向納晶膜內(nèi)的 微空隙、微通道、微槽和2個圓柱形通孔注滿液體電解質(zhì)6 ；將電池封口膜4壓合到2個圓 柱形通孔的周圍區(qū)域，然后將電池封口盲板5壓合到電池封口膜4上，并覆蓋住2個圓柱形 通孔，加熱80°C 1小時使電池封口膜4固化；泄真空，得到電池并取出。本實(shí)施例的電池與現(xiàn)有非微流控染料敏化太陽能電池的效果對比對現(xiàn)有非微流控染料敏化太陽能電池的樣品和本發(fā)明實(shí)施例1的微流控染料敏
11化太陽能電池的樣品分別進(jìn)行了時隔7天的測試，結(jié)果如圖15和圖16所示。實(shí)驗(yàn)儀器CH1630A型電化學(xué)分析儀(制造商上海辰華儀器公司)CMH-250型太陽光模擬器(制造商北京奧搏迪光電技術(shù)有限公司)HAT6002D型DC POWER SUPPLY (制造商泰州恒安特電子有限公司)表1.現(xiàn)有染料敏化太陽能電池的測試數(shù)據(jù)
權(quán)利要求
一種微流控染料敏化太陽能電池，包括電池對電極板、電池壓膠膜、電池光陽極板、電池封口膜、電池封口盲板、液體電解質(zhì)、納晶膜、微通道、微槽、儲液槽、電能輸出負(fù)極、電能輸出正極、外加電壓正極和外加電壓負(fù)極；其特征是所述的電池光陽極板的導(dǎo)電面上分隔有2個以上的獨(dú)立導(dǎo)電區(qū)域，其中一個導(dǎo)電區(qū)域作為電能輸出負(fù)極；其余導(dǎo)電區(qū)域作為備用區(qū)域；所述的電池對電極板的導(dǎo)電面上分隔有2個以上的獨(dú)立導(dǎo)電區(qū)域，其中一個導(dǎo)電區(qū)域作為電能輸出正極，且在電能輸出正極的表面有金屬鉑層；其余導(dǎo)電區(qū)域作為備用區(qū)域；在電池光陽極板的作為電能輸出負(fù)極的導(dǎo)電區(qū)域與電池對電極板的作為電能輸出正極的導(dǎo)電區(qū)域之間有納晶膜，且環(huán)繞納晶膜的周邊有電池壓膠膜；在有電池壓膠膜處的電池光陽極板上的至少一個備用區(qū)域，或在有電池壓膠膜處的電池對電極板上的至少一個備用區(qū)域中開有數(shù)量不少于2個穿透電池壓膠膜的通孔；在電池光陽極板或電池對電極板的通孔之間開有不少于一條為毛細(xì)管形式的微槽，所述的微槽將所述的通孔串聯(lián)相通，且開在電池光陽極板上的微槽不與所述的作為電能輸出負(fù)極的導(dǎo)電區(qū)域相交，開在電池對電極板上的微槽不與作為電能輸出正極的導(dǎo)電區(qū)域相接觸；當(dāng)通孔數(shù)量大于2個時，串聯(lián)相通的通孔中的首通孔和尾通孔之間無微槽直接相連；所述的電池壓膠膜中開有2條以上的微通道，當(dāng)通孔數(shù)量大于2個時，其中至少有一條微通道的兩端分別與納晶膜和首通孔相連通，其余電池壓膠膜中的微通道的兩端分別與納晶膜和末通孔相連通；或當(dāng)通孔數(shù)量為2個時，其中至少有一條微通道的兩端分別與納晶膜和其中一個通孔相連通，其余電池壓膠膜中的微通道的兩端分別與納晶膜和另一個通孔相連通；所述的微槽與所述的微通道不直接相通；所述的納晶膜內(nèi)的微空隙中、電池壓膠膜中的微通道中、通孔中及微槽中均充滿有液體電解質(zhì)；所述的電池光陽極板的非導(dǎo)電面上的或電池對電極板的非導(dǎo)電面上的各通孔處覆蓋有電池封口盲板，電池封口盲板與電池光陽極板的非導(dǎo)電面或電池對電極板的非導(dǎo)電面之間有電池封口膜；由通孔與電池封口膜、電池封口盲板、電池壓膠膜和電池光陽極板圍成的空間構(gòu)成儲液槽，或由通孔與電池封口膜、電池封口盲板、電池壓膠膜和電池對電極板圍成的空間構(gòu)成儲液槽；當(dāng)儲液槽的數(shù)量大于2個時，外加電壓的正負(fù)極分別通入首儲液槽和末儲液槽內(nèi)的液體電解質(zhì)中；或當(dāng)儲液槽的數(shù)量為2個時，外加電壓的正負(fù)極分別通入兩個儲液槽內(nèi)的液體電解質(zhì)中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微流控染料敏化太陽能電池，其特征是所述的通孔為等間距設(shè)置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微流控染料敏化太陽能電池，其特征是所述的電池封口盲 板不遮擋納晶膜的受光面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微流控染料敏化太陽能電池，其特征是所述的電能輸出正 極表面的金屬鉬層大小與納晶膜適配。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的微流控染料敏化太陽能電池，其特征是所述的金屬鉬 層是采用離子濺射、氣相沉積或化學(xué)鍍方法將金屬鉬附著在電能輸出正極的表面；所述的金屬鉬層的厚度小于10μ g/cm2。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的微流控染料敏化太陽能電池，其特征是所述的金屬鉬層的 厚度為 5 μ g/cm2 8 μ g/cm2。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微流控染料敏化太陽能電池，其特征是所述的電池光陽極 板的作為電能輸出負(fù)極的導(dǎo)電區(qū)域和電池對電極板的作為電能輸出正極的導(dǎo)電區(qū)域均大 于納晶膜的尺寸。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微流控染料敏化太陽能電池，其特征是所述的微槽的當(dāng)量 直徑為10 μ m 500 μ m。
9.根據(jù)權(quán)利要求1、3、4或7所述的微流控染料敏化太陽能電池，其特征是所述的納 晶膜是由以下方法制備得到的采用噴涂、印刷、刮涂或附膜方法，將含有微顆粒材料的溶 液附著到電能輸出負(fù)極的表面，在400°C 600°C的溫度下固化，在電能輸出負(fù)極的表面形 成微顆粒材料膜；然后將帶有微顆粒材料膜的電能輸出負(fù)極浸泡在有機(jī)染料溶液或無機(jī)染 料溶液中以吸附染料；取出干燥，得到納晶膜；所述的納晶膜的厚度為5μπι 50μπι ；所述的微顆粒材料選自Ti02、ZnO, SnO2, Nd2O5所組成的組中的至少一種。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的微流控染料敏化太陽能電池，其特征是所述的含有微顆粒 材料的溶液中含有質(zhì)量濃度為5% 15%的微顆粒材料，質(zhì)量濃度為 5%的聚乙烯 醇，質(zhì)量濃度為30% 50%的乙醇，余量為去離子水；所述的微顆粒材料的顆粒尺寸為IOnm 500nm ；所述的有機(jī)染料溶液或無機(jī)染料溶液的摩爾濃度為0. 03mM/L 3mM/L ；所述的有機(jī)染料溶液或無機(jī)染料溶液中的溶劑選自乙醇，甲苯，甲醇，乙腈，3-甲氧基 丙烯腈，四特丁基吡啶，丙酮，異丙醇所組成的組中的至少一種；所述的有機(jī)染料是羧酸聯(lián)吡啶釕或羧酸多吡啶釕；所述的無機(jī)染料選自CdS、CdSe, FeS2, RuS2所組成的組中的至少一種。
11.根據(jù)權(quán)利要求1或7所述的微流控染料敏化太陽能電池，其特征是所述的電池對 電極板和電池光陽極板是ITO導(dǎo)電玻璃或FTO導(dǎo)電玻璃。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微流控染料敏化太陽能電池，其特征是所述的電池壓膠膜 的厚度為5μπι 50μπι ；所述的電池封口膜的厚度為5μπι 50μπι。
13.根據(jù)權(quán)利要求1或12所述的微流控染料敏化太陽能電池，其特征是所述的電池 壓膠膜或電池封口膜是聚對苯二甲酸乙二醇酯。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微流控染料敏化太陽能電池，其特征是所述的電池封口盲 板是具有平滑表面的導(dǎo)電玻璃、普通玻璃、有機(jī)玻璃或金屬板。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微流控染料敏化太陽能電池，其特征是所述的液體電解質(zhì) 是在混合溶劑中含有0. 05mol/L 0. 5mol/L的碘，0. 01mol/L lmol/L的碘化物，0. Imol/ L 5mol/L的改性劑的混合液。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的微流控染料敏化太陽能電池，其特征是所述的混合溶劑 是按離子液體與有機(jī)溶劑的摩爾比為0 100 100 0配制而成的混合液；所述的離子液體選自1-甲基-3-丙基咪唑碘鹽，1-甲基-3-乙基咪唑碘鹽，1-甲 基-3- 丁基咪唑碘鹽，1-甲基-3-己基咪唑碘鹽，1. 2- 二甲基-3-丙基咪唑碘鹽，四丙基碘 化銨，碘化N-乙基吡啶，溴化N- 丁基吡啶，N- 丁基吡啶四氟硼酸鹽，氯化N- 丁基-3-甲基吡啶所組成的組中的至少一種； 所述的有機(jī)溶劑選自乙醇，甲醇，乙腈，3-甲氧基丙烯腈，四特丁基吡啶，丙酮，異丙醇 所組成的組中的至少一種；所述碘化物選自碘化鋰，碘化鈉，碘化鉀，碘化銨所組成的組中的至少一種； 所述改性劑為N-甲基苯并咪唑或叔丁基吡啶。
全文摘要
本發(fā)明涉及將微流控器件與染料敏化太陽能電池集成一體的微流控染料敏化太陽能電池。在電池光陽極板的電能輸出負(fù)極的導(dǎo)電區(qū)域與電池對電極板的電能輸出正極的導(dǎo)電區(qū)域之間有納晶膜；納晶膜經(jīng)微通道分別與兩個儲液槽相連，相鄰的儲液槽之間有微槽，上述連接形成了微通道循環(huán)回路，該循環(huán)回路中注滿有液體電解質(zhì)；外加電壓的正負(fù)極分別通入儲液槽內(nèi)的液體電解質(zhì)中；外加電壓的正負(fù)極、注滿有液體電解質(zhì)的儲液槽和微槽構(gòu)成“電滲泵”。在該“電滲泵”揚(yáng)程力的驅(qū)動下，實(shí)現(xiàn)了染料敏化太陽能電池中液體電解質(zhì)的循環(huán)和補(bǔ)充，解決了以往因電解質(zhì)流失導(dǎo)致電池失效問題，由此有效延長了染料敏化太陽能電池的使用壽命。
文檔編號H01M14/00GK101958194SQ20091008902
公開日2011年1月26日 申請日期2009年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月20日
發(fā)明者孫中偉, 江雷, 翟錦, 聶富強(qiáng), 金立國 申請人:中國科學(xué)院化學(xué)研究所