專利名稱：光化學(xué)電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到一種制備光化學(xué)電池，更具體地講是制備一種染料太陽能電池的方法，所述電池包括至少一種承載基體和其上的復(fù)合層。
一般制造這種光化學(xué)電池需要復(fù)雜的特殊設(shè)備，許多步驟必須手工操作完成。這種在實(shí)驗(yàn)室完成的單個(gè)的制造方法，單元成本高，且無重現(xiàn)性。
因而本發(fā)明目的是提供一種可低成本和可重復(fù)生產(chǎn)光化學(xué)電池的方法。具體地講本發(fā)明旨在制造由在瑞士洛桑的Ecole Politechnique Féderale的Michael Grtzel教授研究出的染料太陽能電池，于此可參見國際專利申請(qǐng)說明書WO 91/16719。
本發(fā)明的目的通過由許多連續(xù)進(jìn)行的印刷操作涂布的復(fù)合層來達(dá)到的。采用印刷技術(shù)將一單層疊印刷另一單層上有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)，一是很小的制造工差，二是制造成本很低，這樣就可以短時(shí)間內(nèi)批量生產(chǎn)。一個(gè)完整的染料太陽能電池就能夠在一次生產(chǎn)程序中生產(chǎn)完成，且可高精度地得到必須的極薄層的厚度。尤其是如果生產(chǎn)是采用輪轉(zhuǎn)印刷裝置進(jìn)行，那么可以大面積涂布，特別是以連續(xù)方式，即理論上講對(duì)面積無限制。因而依據(jù)本發(fā)明，用于涂布，自由結(jié)構(gòu)的印刷機(jī)可用于制造光化學(xué)電池，這樣可能僅允許極小的張力和壓縮力作用在疊印層上，使得生產(chǎn)過程可以均衡地進(jìn)行，無裂痕或類似損傷產(chǎn)生。
依據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步研究提出在完成印刷操作的同時(shí)，得到膠印方式的各層都是完整面積的粘附層。于此的“膠印方式”是指對(duì)“粘附”涂布來說，它與印刷圖像不同，所產(chǎn)生的不是著色斑點(diǎn)而是整面涂層。不管怎樣，所有的或大部分公知的膠印裝置和設(shè)備都可以用來生產(chǎn)光化學(xué)電池。
特別是應(yīng)保證各層都通過印刷機(jī)的各自單元操作方式涂布。為達(dá)到此目的，每個(gè)操作單元都供應(yīng)相對(duì)應(yīng)的物料，一層不同于另一層。優(yōu)選地所述物料是粘稠介質(zhì)。
為將整個(gè)基體分離成單個(gè)電池，尤其應(yīng)保證至少某些層電絕緣帶分開成數(shù)個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域構(gòu)成一個(gè)單體電池，例如制成電壓為1伏的電池。
所述絕緣帶優(yōu)選是同樣通過印刷過程生產(chǎn)。如果為了疊印成跨接多層的絕緣帶，則有必要形成相應(yīng)的帶長度，那么最好涂布許多絕緣層，印刷操作的次數(shù)增加逐步堆積成絕緣帶。
特別優(yōu)選的是在印刷過程中，承載基體沿一平面定向或支承在一平面上。如果印刷設(shè)備是固定位置，承載基體移動(dòng)，則沿平面定向是必需的。如果在印刷過程中承載基體有固定位置，則印刷機(jī)構(gòu)必須作適當(dāng)?shù)囊苿?dòng)。當(dāng)然也可以有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使得兩部分實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。不考慮前述的各種因素，然而必須保證承載基體免受不允許的彎折，否則在印刷過程中都會(huì)有涂層的破損，因?yàn)檫@種破損可能一直滯留在染料太陽能電池合乎要求的操作中的危險(xiǎn)。因此，與常規(guī)設(shè)計(jì)的印刷工藝不同的是要被印刷的基體不能以彎曲的方式傳送通過印刷機(jī)，在印刷過程中需以平面方式夾持或定向。
本發(fā)明進(jìn)一步提供了印刷制成的導(dǎo)電層，它用作傳導(dǎo)電流。所述的導(dǎo)電層在操作染料太陽能電池中用來匯集和輸送載荷子，還用來相互聯(lián)接整個(gè)基體上的單個(gè)電池，如為了使單個(gè)電池串聯(lián)，可以將導(dǎo)電帶設(shè)計(jì)成伸展到絕緣間的方式來實(shí)現(xiàn)。這同樣可以通過一次或多次印刷操作來完成，如果是相當(dāng)長的導(dǎo)電帶，則許多導(dǎo)電層小段一層疊一層印刷，這樣制得所需的導(dǎo)電帶。
本發(fā)明還涉及到一種光化學(xué)電池，特別是一種染料太陽能電池，所述電池包括至少一承載基體和其上的復(fù)合層，其中所述復(fù)合層是通過許多連續(xù)進(jìn)行的印刷操作疊印制造的。
本發(fā)明進(jìn)一步涉及到使用印刷機(jī)，具體講是膠印機(jī)，進(jìn)行多次印刷單元操作來制造光化學(xué)電池，特別是染料太陽能電池的方法。
最后，本發(fā)明涉及到用于制造光化學(xué)電池，尤其是染料太陽能電池的印刷機(jī)，特別是膠印機(jī)，所述的電池包括至少一承載基質(zhì)和其上的復(fù)合層，其中在印刷操作中為達(dá)到在一層上面疊印其它層設(shè)置了許多印刷單元，還為承載基體提供了平坦的支撐面。
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更為詳細(xì)的說明。


圖1示意出根據(jù)本發(fā)明方法制造出的染料太陽能電池的橫截面。
圖2示意說明用于制造染料太陽能電池的印刷機(jī)。
圖3表示出根據(jù)本發(fā)明的方法實(shí)施制造出的電池的橫截面。
圖4表示出根據(jù)本發(fā)明的方法實(shí)施制造出的另一個(gè)電池的橫截面。
在圖1中，太陽能電池1的結(jié)構(gòu)由復(fù)合層2構(gòu)成，所述的復(fù)合層2位于承載基體3上面。另一承載基體4設(shè)置在位于與承載基體3相對(duì)的復(fù)合層2的另一側(cè)。承載基體3是玻璃平板5或塑料板，也可選用塑料薄膜。這同樣適用于承載基體4，它可采用玻璃平板6或相應(yīng)的塑料構(gòu)件(平板或薄膜)。玻璃平板5和6允許光透入到此染料太陽能電池的內(nèi)部，以產(chǎn)生電流。
涂布到玻璃板5上的是導(dǎo)電層7，它通常是TCO層。在導(dǎo)電層7上有一層二氧化鈦(TiO2)層8。在導(dǎo)電層8上設(shè)置的是染料層9，接著是電解質(zhì)層10，依次電解質(zhì)層10上是導(dǎo)電層11，它與層7一樣。導(dǎo)電層7和11可以在制造染料太陽能電池1的過程中涂布到玻璃板5和6上，或者它們?cè)谥圃觳ＡО?和6的過程中已經(jīng)形成。7和11兩層用于匯集自由電子；即它們構(gòu)成集電極以將電荷供給外電路。極薄的染料層9涂布到二氧化鈦層8上，層8的厚度約為10μm。涂布到二氧化碳層8上的染料吸收入射光并給層8供應(yīng)激發(fā)電子。將能量傳送給二氧化鈦，產(chǎn)生出染料中的正電荷。自由電子通過導(dǎo)電層7到達(dá)如參見序號(hào)12所示的外電路。在導(dǎo)電層10上的媒介物(如碘—碘)中平衡載流子，該層通過電解質(zhì)層11的介質(zhì)連接到電路上。從結(jié)構(gòu)上考慮，二氧化鈦層8具有容納染料層9的有效表面，該表面遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其幾何表面。這樣提高了染料太陽能電池1的效率。
根據(jù)本發(fā)明，至少層8、9和10，如果適合也包括層7和11都采用多次連接完成印刷操作的方法涂布。圖2由此示意說明了印刷機(jī)，它包括許多印刷單元13，為簡潔起見僅將其中的輥輪14示意，所述輥輪14分別轉(zhuǎn)印那些構(gòu)成層所需的介質(zhì)。帶有或不帶有TCO層(導(dǎo)電層7)的玻璃板5通過傳運(yùn)裝置15沿著箭頭16的方向運(yùn)動(dòng)。依次經(jīng)過各種印刷單元13。傳送裝置15，如采用圖2舉例的傳運(yùn)帶方式，保證承載基體(即玻璃板5)和在印刷操作過程中疊印形成層免受不允許的彎曲、絞結(jié)、變形或類似損害，這樣可使被涂布上的各種介質(zhì)粘附地轉(zhuǎn)印刷整個(gè)面積上而無裂紋和損傷。當(dāng)承載基體途經(jīng)各個(gè)印刷單元時(shí)，印刷操作和分別涂布的8、9、10(或再加上7和11)層是以快速連續(xù)方式進(jìn)行，“快速連續(xù)方式”中也包括溶液(未示出)，如在兩個(gè)印刷單元之間安裝一熱硬化設(shè)備或類似裝置。
整個(gè)基體上各層的次序從圖1中清楚示出，根據(jù)圖3可見在制造過程中還配置有用于分隔單個(gè)電池18的絕緣帶17、17′。絕緣帶17、17′以反方向伸展，更具體講是垂直于各層面。絕緣帶17′設(shè)置在兩絕緣帶17之間，在介子絕緣帶17和相鄰絕緣帶17′之間區(qū)域內(nèi)的層序不同于毗連的單個(gè)電池18的層序，單個(gè)電池18位于絕緣帶17′和緊挨的絕緣帶17之間的區(qū)域中。這種差別構(gòu)成了二氧化鈦層8和電解質(zhì)層10的交替。在這種方式中，相鄰單個(gè)電池18的電極性相反。這樣設(shè)置絕緣帶17和17′，使得所述帶形成分隔墻，結(jié)果使在某高度層的二氧化鈦層8不會(huì)接觸到同樣層高的相鄰電解質(zhì)層10。然而，為形成單個(gè)電池18，導(dǎo)電層7和11以及染料層9也被絕緣帶17和17′隔開，對(duì)于隔開那導(dǎo)電層7和11的情況，在圖3所示的實(shí)施方案中采用的是下面方案，絕緣帶17從玻璃板6起始，一直延伸到導(dǎo)電層7，但不分隔所述層7。相應(yīng)的絕緣帶17′從玻璃板5起始，一直延伸到導(dǎo)電層11，但不分隔所述導(dǎo)電層11。這種交替分隔不同層的方式形成了不同于導(dǎo)電層7和11的傳導(dǎo)層19，每個(gè)傳導(dǎo)層19都將一個(gè)單體電池18的正極或負(fù)極連接到相鄰的另一個(gè)單體電池18的相反極(如負(fù)極或正極)上。這樣通過串聯(lián)得到導(dǎo)電模數(shù)。
同樣，絕緣層17和17′也必需在印刷過程中產(chǎn)生。印刷機(jī)是這樣設(shè)計(jì)的，比如在生產(chǎn)層級(jí)A時(shí)(從左到右看)，印刷機(jī)在所述層級(jí)上先涂布電解質(zhì)層10，然后(沿印刷方向觀察)涂布形成絕緣帶17(即帶17的一部分)的材料。接著涂布二氧化鈦層8，然后又接著涂布形成絕緣帶17′的一小段層。為簡單起見，組成整個(gè)長度的絕緣帶17和17′在圖中并未示意成分開的單個(gè)小段層，因?yàn)樗鼈冊(cè)谝粚咏右粚盈B印過程形成了均勻的單元。
在圖4所示的實(shí)施方案中，正如前所述，各個(gè)層采用印刷機(jī)通過印刷操作涂布而成。然而在這種情況相鄰單個(gè)電池18的層序總是相同的，這樣為達(dá)到串聯(lián)單體電池18的目的，必須構(gòu)成極性相反的聯(lián)接20。所述的極性相反的連接20是這樣實(shí)現(xiàn)的，將單體電池18的導(dǎo)電層7通過導(dǎo)電帶21電連接到相鄰的單體電池18的導(dǎo)電層11上。每個(gè)導(dǎo)電帶21都伸展于絕緣帶17和17′之間，所述絕緣帶17和17′在其間形成了提供給傳導(dǎo)帶21的專門空間。
在印刷過程結(jié)束后，這時(shí)所有層都已涂布完畢，用前述的玻璃板6將此染料太陽能電池或整個(gè)基體都密封。
權(quán)利要求
1.制造光化學(xué)電池，尤其是染料太陽能電池的方法，所述電池包括至少一承載基體和其上的復(fù)合層，其特征在于各層(7，8，9，10，11；8，9，10)都是通過許多連續(xù)完成的印刷操作涂布得到。
2.權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在進(jìn)行完印刷操作同時(shí)，以膠印方式得到了完整面的各粘著層(7，8，9，10，11；8，9，10)。
3.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的方法，其特征在于印刷操作是以緊接著快速連續(xù)方式進(jìn)行。
4.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的方法，其特征在于各層(7，8，9，10，11；8，9，10)都是通過印刷機(jī)的獨(dú)立印刷單元(13)的操作來涂布完成。
5.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的方法，其特征在于至少某些層(7，8，9，10，11；8，9，10)是由絕緣帶(17，17′)分隔成區(qū)(單體電池18)。
6.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的方法，其特征在于絕緣帶(17，17′)由印刷生產(chǎn)。
7.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的方法，其特征在于涂布了許多絕緣帶層，結(jié)果疊印復(fù)到跨接得合層(7，8，9，11)的絕緣帶(17，17′)。
8.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的方法，其特征在于在印刷操作過程中，承載基體(玻璃板5)沿一平面導(dǎo)向，或者支承在一平面上。
9.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的方法，其特征在于各層(7，8，9，10，11)是以粘稠介質(zhì)的形式印刷上的。
10.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的方法，其特征在于用作傳導(dǎo)電流的導(dǎo)電層19是印刷上的。
11.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的方法，其特征在于由導(dǎo)電層19構(gòu)成的傳導(dǎo)帶(21)是在絕緣帶(17，17′)之間形成。
12.光化學(xué)電池，特別是染料太陽能電池，所述電池包括至少一承載基體和其上的復(fù)合層，其特征在于各層(7，8，9，10，11；8，9，10)是通過許多連續(xù)進(jìn)行的印刷操作一層接一層上疊印產(chǎn)生。
13.使用一種印刷機(jī)，尤其是膠印機(jī)的方法，設(shè)置許多印刷單元(13)來制造光化學(xué)電池，特別是染料光化學(xué)電池。
14.用于制造光化學(xué)電池，尤其是染料太陽能電池的印刷機(jī)，尤其是膠印機(jī)，所述電池包括至少一承載基體和其上的復(fù)合層，其特征在于在印刷操作中設(shè)置許多印刷單元(13)來印刷層(7，8，9，10，11；8，9，10)，并為承載基體(玻璃板5)配備一平坦支撐面。
全文摘要
本發(fā)明涉及到一種制造光化學(xué)電池，尤其是染料太陽能電池的方法，所述電池包括至少一承載基體和其上的復(fù)合層。本發(fā)明提出通過許多連續(xù)完成的印刷操作涂布出各層(7，8，9，10，11；8，9，10)。本發(fā)明還涉及到由此制得的光化學(xué)電池以及使用印刷機(jī)制造這種電池的方法，還涉及到用于制造光化學(xué)電池的印刷機(jī)。
文檔編號(hào)H01G9/20GK1143834SQ9610451
公開日1997年2月26日 申請(qǐng)日期1996年4月9日 優(yōu)先權(quán)日1995年4月15日
發(fā)明者霍爾斯特·霍夫曼, 安圖恩·羅迪 申請(qǐng)人:海德堡印刷機(jī)械股份公司