專利名稱：光伏器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及用于產(chǎn)生電功率的光伏器件，特別地涉及具有由電解質(zhì)滲透以用于傳輸電荷的光伏活性層的光伏器件。
背景技術(shù)：
光伏器件已在過去幾十年中被用作電功率源。這些器件傳統(tǒng)上為主要由硅制成的固態(tài)結(jié)器件。然而，相對(duì)高的制造成本和相對(duì)高的用于生產(chǎn)這些器件的能量需求限制了它們作為替代能源的應(yīng)用。此外，它們的剛性構(gòu)造限制了它們在相對(duì)剛性和平坦的支撐表面上的應(yīng)用，并還使得它們?nèi)菀资艿經(jīng)_擊損害。更多的最新進(jìn)展關(guān)注于需要較少能量進(jìn)行生產(chǎn)并具有較低制造成本的光伏器件。 顯現(xiàn)出巨大潛力的進(jìn)展是被稱作“染料敏化太陽能電池(DSC) ”的太陽能電池。這些太陽能電池是對(duì)傳統(tǒng)的無機(jī)半導(dǎo)體太陽能電池的可行的低成本替代方案。染料敏化太陽能電池可以采用低技術(shù)制造方法由低成本原材料制成，能量轉(zhuǎn)換效率最多達(dá)到11%。雖然傳統(tǒng)的太陽能電池具有大約15%到20%的更高效率，但是這被它們的與DSC相比的原本就高得多的制造成本所抵消。在附圖中，圖1示出了公知的DSC 1，該DSC 1包括涂覆有納米多孔(二氧化鈦) 半導(dǎo)體電極層5形式的光伏活性層的傳導(dǎo)性電極(陽極)3、覆蓋該納米多孔半導(dǎo)體電極層 5的表面的光敏染料薄涂層(即一層或若干層分子單層)7、滲透納米多孔半導(dǎo)體電極層5 的電解質(zhì)9、以及對(duì)電極(陰極)11，以形成DSC 1的最終夾層結(jié)構(gòu)。公知的DSC需要傳導(dǎo)性電極9和對(duì)電極11中的至少一個(gè)由透明傳導(dǎo)性材料制成， 以進(jìn)行工作。然而，使用消除了電極對(duì)于使用透明傳導(dǎo)性材料的需求的替代電池結(jié)構(gòu)將是有利的。因?yàn)榭梢允褂孟鄬?duì)不昂貴的材料，所以這可以顯著地降低制造成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種光伏器件，該光伏器件包括陰極電極和陽極電極，以及位于兩個(gè)所述電極之上的光伏活性層。在本發(fā)明中，陽極電極和陰極電極均位于光伏器件的相同面。在位于電極上方的光伏活性層內(nèi)產(chǎn)生正、負(fù)電荷載流子。陽極電極選擇地從光伏活性層收集負(fù)電荷載流子，而陰極電極則選擇地從光伏活性層收集正電荷載流子。根據(jù)一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，陰極電極和陽極電極優(yōu)選地以指型交叉設(shè)置的方式設(shè)置在公共基底上?？梢詫?duì)電極中的一個(gè)或?qū)烧哌M(jìn)行電鍍，優(yōu)選地是電鍍陰極電極。例如，可以優(yōu)選地用鉬來電鍍電極?？梢钥蛇x地在至少一個(gè)電極上沉積絕緣層，以分隔所述電極和光伏活性層。該絕緣層可以是多孔的，或者可以是離子傳導(dǎo)體。絕緣層例如可以由氧化鋯形成。根據(jù)另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，電極優(yōu)選地以共平面的設(shè)置方式來定位，其中一系列的孔穿過上面的所述電極，以露出下面的所述電極。
在以上任一實(shí)施例中，光伏活性層優(yōu)選地由納米多孔半導(dǎo)體電極層形成，該納米多孔半導(dǎo)體電極層具有在所述半導(dǎo)體電極的表面上的的光敏染料單分子涂層，其中電解質(zhì)滲透該納米多孔半導(dǎo)體電極層，透明窗口封裝該太陽能電池。該窗口不需要是傳導(dǎo)性的，因此可以由較低成本的材料制成。半導(dǎo)體電極層可以優(yōu)選地由二氧化鈦(TiO2)形成。還可以設(shè)想使用其他半導(dǎo)體材料，諸如氧化鋅(ZnO)、二氧化錫(SnO2)、硒化鎘(CdSe)或碲化鎘 (CdTe)等，以形成納米多孔半導(dǎo)體層。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種包括一對(duì)如上所述的光伏器件的多結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)，其中這些光伏器件以夾層設(shè)置方式來設(shè)置，使得用于傳輸電荷的第二介質(zhì)在所述器件之間被共享。這使得能夠使用上述光伏器件來制造3結(jié)和4結(jié)太陽能電池。根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供了一種用于生產(chǎn)光伏器件的方法，該方法包括以下步驟a)激光燒蝕在支撐基底上的傳導(dǎo)性涂層，以形成陰極電極和陽極電極；b)在用傳導(dǎo)性層來電鍍至少一個(gè)電極；以及c)用納米多孔半導(dǎo)體層來涂覆兩個(gè)電極。電極可以例如用鉬進(jìn)行電鍍?？梢酝ㄟ^電泳沉積步驟在電極中的一個(gè)上沉積多孔絕緣層。該步驟使得不用任何微制造工藝而生產(chǎn)出微結(jié)構(gòu)。半導(dǎo)體層可以由暴露于光敏染料的二氧化鈦形成。還可以如之前提到地設(shè)想使用其他半導(dǎo)體材料。根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供了一種用于制造光伏器件的方法，該方法包括以下步驟a)在用電絕緣層來涂覆形成陽極電極的第一傳導(dǎo)性層；b)用第二傳導(dǎo)性層來涂覆絕緣層以形成陰極電極；c)使用激光燒蝕將第二傳導(dǎo)性層和絕緣層打出一系列的孔，由此露出在下面的第一傳導(dǎo)性層，從而形成電極結(jié)構(gòu)；以及d)用納米多孔半導(dǎo)體層涂覆所述電極結(jié)構(gòu)。第一傳導(dǎo)性層可以由鈦板形成，而第二傳導(dǎo)性層可以由鉬形成。雖然該領(lǐng)域的當(dāng)前進(jìn)展已使用染料層作為光敏介質(zhì)，但是還可以設(shè)想由可替代光敏介質(zhì)(諸如無機(jī)吸附劑薄層上的量子點(diǎn))來替代染料。此外，電解質(zhì)可以替換為有機(jī)電荷傳輸材料，或者甚至是起電荷傳輸材料作用、同時(shí)具有光吸收性質(zhì)從而使得光敏介質(zhì)變得多余的材料。


現(xiàn)在將參照示出了本發(fā)明的優(yōu)選示例的附圖來描述本發(fā)明。也可以設(shè)想其他的示例，并且因此附圖的特殊性不能被理解為取代了本發(fā)明的前述描述的總體性。圖中圖1是現(xiàn)有技術(shù)的染料敏化太陽能電池的橫截面示意圖；圖2是本發(fā)明的DSC的第一示例性實(shí)施例的指型交叉的電極的示意圖；圖3是示出了生產(chǎn)圖2的指型交叉的電極所需要的制造步驟的示意圖；圖4是本發(fā)明的DSC的完整的第一示例性實(shí)施例的橫截面示意圖5是本發(fā)明的DSC的第二示例性實(shí)施例的示意圖；圖6(a)和圖6(b)分別是根據(jù)本發(fā)明的第三示例性實(shí)施例的串疊型DSC的示意圖。
具體實(shí)施例方式圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)的DSC設(shè)置，為了清楚起見，在以下描述中對(duì)相對(duì)應(yīng)的特征使用了相同的附圖標(biāo)記。首先參照圖2，該示例性實(shí)施例中的DSC 1，一組陰極電極和陽極電極3、11沉積在公共基底2上。該基底由不透明材料制成。兩個(gè)電極指型交叉的區(qū)域加印有納米多孔TiA 層5、以染料來敏化并且充滿氧化還原電解質(zhì)。圖2所示的指型交叉電極結(jié)構(gòu)可以借助于與在陰極處的選擇性材料沉積步驟相配合的微制造或納米制造方法來生產(chǎn)。第一步驟可以通過用如圖3(b)所示的圖案對(duì)基底進(jìn)行低成本的光刻或激光燒蝕工藝來實(shí)現(xiàn)(如圖3(a)所示)，該基底例如為鍍鈦塑料膜或摻氟氧化錫(傳導(dǎo)性透明涂層)鍍膜玻璃6。可替代地，基底可以是金屬箔，諸如鈦或鉻。使用激光燒蝕以從傳導(dǎo)性涂層去除帶條(strip)，從而產(chǎn)生兩個(gè)相互電絕緣的電極區(qū)域(陰極電極3和陽極電極11)。激光燒蝕是并行的工藝，允許通過一個(gè)或多個(gè)激光脈沖來燒蝕出復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。第二步驟可以以電化學(xué)方式控制，例如通過用例如鉬對(duì)陰極進(jìn)行電鍍。這一步驟是關(guān)鍵的步驟，以產(chǎn)生暴露于不同的接觸材料的一組兩個(gè)電極，這兩個(gè)電極分別優(yōu)先收集正電荷載流子和負(fù)電荷載流子。步驟1和步驟2的結(jié)合提供了一種低成本的微構(gòu)造方法來產(chǎn)生不對(duì)稱的電極組，該方法避免了復(fù)雜的配準(zhǔn)(registration)問題。依賴一系列平版印刷步驟的微制造方法需要針對(duì)先前平版印刷步驟中所創(chuàng)建的圖案的掩模對(duì)準(zhǔn)。這被稱為“配準(zhǔn)”。為了完成太陽能電池，雙電極基底涂覆有暴露于染料溶液的納米多孔(TiO2)半導(dǎo)體層5，且半導(dǎo)體層5充滿電解質(zhì)9 (諸如碘/碘化物)。然后，可以用層壓在基底2之上的透明窗口 10將DSC 1封裝起來(見圖4)。應(yīng)當(dāng)注意，該窗口不需要如在傳統(tǒng)DSC中由傳導(dǎo)性材料來形成?？商娲?，為了避免在(收集負(fù)電荷載流子的)(TiO2)半導(dǎo)體層5與(收集正電荷載流子的)陰極3之間的直接接觸，可以例如通過作為絕緣體的膠態(tài)金屬氧化物(例如氧化鋯)的電泳沉積來沉積多孔絕緣體(未示出)的斷續(xù)層(intermittent layer)。在電泳沉積期間，帶電粒子遷移到兩個(gè)電極之間的施加場中，并且沉積在帶有與該粒子電荷極性相反的電荷的電極上。只在兩個(gè)電極中的一個(gè)上的選擇性沉積再次可以以電化學(xué)方式控制，使得可以避免復(fù)雜的配準(zhǔn)問題。多孔絕緣體將允許離子電荷傳輸?shù)疥帢O(在這種情況下碘被還原成碘化物)，同時(shí)阻止電荷從T^2轉(zhuǎn)移到陰極。圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的DSC 1的另一個(gè)示例性實(shí)施例。該DSC 1包括覆蓋有絕緣層8的鈦板(陽極)11和第二傳導(dǎo)性層3 (陰極，例如鉬).陽極層11可以可選地被支撐在獨(dú)立的基底2上。使用激光燒蝕將陰極層3和絕緣層8打孔，以使得下面的鈦金屬陽極層11暴露出來。這種激光燒蝕工藝可以在一個(gè)單工藝步驟中產(chǎn)生不對(duì)稱的電極對(duì)(鈦陽極，鉬陰極)。如上所述，簡單地通過將納米多孔TiO2電極印刷在電極結(jié)構(gòu)的頂部上，然后使該層暴露在染料溶液中，使電解質(zhì)充滿該層，并用透明窗口材料封裝這些層，就可以根據(jù)這個(gè)基底裝配出完整的太陽能電池?？蛇x地沉積物多孔絕緣體8 (變型)也適用于該幾何結(jié)構(gòu)。該多孔絕緣體可以相似地涂覆在層11上，并且可以在激光燒蝕步驟期間被選擇性地去除。也可以容易地適應(yīng)性地修改上述DSC配置的構(gòu)造來生產(chǎn)串疊型太陽能電池，其中頂部窗口的材料可以用分別如圖6(a)和圖6(b)所示，替換為傳統(tǒng)DSC的光陽極或光陰極 (3端電池)、或者第二背接觸電極G端電池)。如圖6 (a)所示，簡單的3端DSC可以簡單地通過用傳統(tǒng)DSC電極13 (例如，印刷在傳導(dǎo)性玻璃3a上的染料敏化TW2層5a)替代圖4所示配置中的透明窗口材料10來實(shí)現(xiàn)。4端DSSC可以由將2個(gè)背接觸DSC結(jié)合到如圖6(b)所示的夾層器件來進(jìn)行制造。在這種情況下，這2個(gè)背接觸電極3、11中的至少一個(gè)需要布置在透明基底加上。具有根據(jù)本發(fā)明的配置的DSC有很多重要的實(shí)際優(yōu)點(diǎn)。首先，該配置是迄今唯一的允許以非傳導(dǎo)性的頂部窗口材料在不透明的基底上生產(chǎn)DSC的架構(gòu)。該配置還允許以非傳導(dǎo)性的頂部窗口材料來生產(chǎn)DSC。由于避免了穿過傳統(tǒng)上所用的透明傳導(dǎo)性電極材料(摻氟氧化錫(FTO)或摻錫氧化銦(ITO))的傳輸損失，這樣的太陽能電池具有獲得優(yōu)良的集光能力的潛力。所提出的DSC架構(gòu)使得易于將低成本DSC集成到電子消費(fèi)產(chǎn)品上，諸如智能卡、射頻識(shí)別(RFID)標(biāo)簽或任何集成電路板。此外，新的器件架構(gòu)兼容于卷對(duì)卷(role-to-role)制造方法，該方法允許DSC的低成本的、高生產(chǎn)量的規(guī)模生產(chǎn)。新的DSC架構(gòu)允許多結(jié)或串疊型太陽能電池的制造。串疊型太陽能電池具有高得多的用于將太陽光轉(zhuǎn)化為電的理論能量轉(zhuǎn)換效率。對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員被認(rèn)為是明顯的修改和變型包括在如所附權(quán)利要求所要求的本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種光伏器件，包括陰極電極和陽極電極，其中光伏活性層位于兩個(gè)所述電極之上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏器件，其中所述陰極電極和陽極電極以指型交叉設(shè)置的方式位于公共基底上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光伏器件，其中至少一個(gè)電極被電鍍。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光伏器件，其中用鉬來電鍍所述電極。
5.根據(jù)權(quán)利要求2至4中任一項(xiàng)所述的光伏器件，包括在所述電極和所述光伏活性層之間的、沉積在至少一個(gè)所述電極上的多孔電絕緣層。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光伏器件，其中所述絕緣層由氧化鋯形成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏器件，所述電極以共平面的設(shè)置方式來定位，其中一系列的孔穿過兩個(gè)所述電極，以露出下面的所述電極。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光伏器件，還包括在所述電極之間的絕緣層。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光伏器件，其中所述光伏活性層由納米多孔氧化鈦半導(dǎo)體電極層形成，所述納米多孔氧化鈦半導(dǎo)體電極層具有在所述半導(dǎo)體電極表面上的光敏染料薄涂層，并且電解質(zhì)滲透所述納米多孔半導(dǎo)體電極層以用于傳輸電荷。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的光伏器件，還包括用于封裝所述光伏器件的透明非傳導(dǎo)性窗口。
11.一種多結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)，包括一對(duì)根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的光伏器件，其中所述器件以夾層設(shè)置方式來設(shè)置，使得用于傳輸電荷的第二介質(zhì)在所述器件之間被共享。
12.一種用于生產(chǎn)光伏器件的方法，包括以下步驟a)激光燒蝕在支撐基底上的傳導(dǎo)性涂層，以形成陰極電極和陽極電極；b)用傳導(dǎo)性層來電鍍至少一個(gè)所述電極；以及c)以納米多孔半導(dǎo)體層來涂覆兩個(gè)所述電極。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，包括用鉬來電鍍所述電極。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的方法，包括借助于電泳沉積步驟將多孔絕緣層沉積在所述電極中的一個(gè)上。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述多孔絕緣層是膠態(tài)金屬氧化物。
16.根據(jù)權(quán)利要求12至15中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述半導(dǎo)體層由暴露于光敏染料的二氧化鈦形成。
17.一種用于制造光伏器件的方法，包括以下步驟a)用電絕緣層來涂覆形成陽極電極的第一傳導(dǎo)性層上涂覆電絕緣層；b)用第二傳導(dǎo)性層來涂覆所述絕緣層以形成陰極電極；c)使用激光燒蝕將所述第二傳導(dǎo)性層和所述絕緣層打上一系列的孔，由此露出下面的所述第一傳導(dǎo)性層，從而形成電極結(jié)構(gòu)；以及d)用納米多孔半導(dǎo)體層來涂覆所述電極結(jié)構(gòu)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述第一傳導(dǎo)性層由鈦板形成。
19.根據(jù)權(quán)利要求17或18所述的方法，其中所述第二傳導(dǎo)性層由鉬形成。
20.根據(jù)權(quán)利要求17至19中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述半導(dǎo)體層由納米多孔二氧化鈦電極形成。
全文摘要
一種光伏器件，包括陰極電極和陽極電極(3，11)，以及位于兩個(gè)所述電極之上的光伏活性層。
文檔編號(hào)H02N6/00GK102265406SQ200980152940
公開日2011年11月30日 申請日期2009年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月27日
發(fā)明者烏多·巴克, 傅東川 申請人:莫納什大學(xué)