專利名稱：大面積內(nèi)部并聯(lián)染料敏化納米薄膜太陽電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及太陽電池領(lǐng)域，具體是一種大面積內(nèi)部并聯(lián)染料敏化納米薄膜太陽電池。
技術(shù)背景1991年瑞士洛桑高等理工學(xué)院M.Grtzel教授實(shí)驗(yàn)室在Nature(O’Regan，B.；Grtzel.M，1991，353，737)上報(bào)道一種全新的染料敏化納米薄膜太陽電池的研究成果，立即得到國際上廣泛關(guān)注和重視。自1991年至今一直是國際上的研究熱點(diǎn)。其廉價(jià)和生產(chǎn)成本和易于工業(yè)化生產(chǎn)的工藝技術(shù)，以及廣闊的應(yīng)用前景，吸引了眾多的科學(xué)家與企業(yè)投入。
染料敏化納米薄膜太陽電池是利用有機(jī)光敏功能分子與半導(dǎo)體納米材料結(jié)合的復(fù)合體系對(duì)太陽能進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，它綜合了有機(jī)和無機(jī)光電材料的功能和特點(diǎn)利用有機(jī)光敏染料高效的采集光性能，半導(dǎo)體材料的快速電荷轉(zhuǎn)移與分離優(yōu)勢(shì)，結(jié)合半導(dǎo)體納晶薄膜的多孔性和高的比表面積，充分利用有機(jī)分子設(shè)計(jì)的靈活性以及半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)材料的不同于體材料的一些新特性。
染料敏化納米薄膜太陽電池主要由以下幾個(gè)部分組成含納米多孔半導(dǎo)體薄膜的光陽極、染料光敏化劑、電解質(zhì)和反電極、以及密封材料(如圖1所示)。由于染料敏化納米薄膜太陽電池的內(nèi)部物理和化學(xué)的環(huán)境復(fù)雜，電子在電解液的過程傳遞中伴隨著復(fù)雜的反應(yīng)過程，這些都對(duì)密封材料和電極材料更高的要求，而且要有足夠的密封強(qiáng)度防止電解液的揮發(fā)和泄漏，這是達(dá)到一個(gè)長壽命的染料敏化納米薄膜太陽電池的基本要求。
目前該電池在小面積(小于1cm2)最高轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到11％左右，但在大面積電池及其組件，由于電池密封和電極材料等關(guān)鍵問題上未能解決，一直阻礙這種太陽電池的廣泛應(yīng)用。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供適合于工業(yè)化制備大面積、高效率染料敏化納米薄膜太陽電池。該技術(shù)不僅工藝簡(jiǎn)單，而且電池比較穩(wěn)定，可以達(dá)到長壽命的目的。
本實(shí)用新型大面積內(nèi)部并聯(lián)染料敏化納米薄膜太陽電池，克服制備大面積染料敏化納米薄膜太陽電池所帶來的技術(shù)難題和材料選擇困難，該種電池通過內(nèi)部并聯(lián)，獲得比單節(jié)電池更高的輸出電流，避免了通過電池外部并聯(lián)所帶來穩(wěn)定性問題和工業(yè)化技術(shù)問題。
本實(shí)用新型提出兩種不同的方法、技術(shù)和材料組合，制備獲得大面積染料敏化納米薄膜太陽電池。
本實(shí)用新型的技術(shù)方案是大面積內(nèi)部并聯(lián)染料敏化納米薄膜太陽電池，包括有上、下兩面透明基板，透明基板周邊密封成腔體，腔體中有電解液，透明基板上有透明導(dǎo)電膜，其特征在于所述的透明導(dǎo)電膜上有導(dǎo)電電極與催化劑層間隔排布，另一透明導(dǎo)電膜上導(dǎo)電電極與納米多孔半導(dǎo)體材料間隔排布，納米多孔半導(dǎo)體材料中浸漬有染料。
所述的太陽電池，其特征在于兩塊透明基板的導(dǎo)電電極之間一一對(duì)應(yīng)，各組對(duì)應(yīng)電極之間通過高分子材料、或高分子粘結(jié)劑、或玻璃材料、或陶瓷材料密封固化。
所述的太陽電池，其特征在于兩塊透明基片的周邊電極之間通過高分子材料、或高分子粘結(jié)劑、或玻璃材料、或陶瓷材料固化。
所述的太陽電池，其特征在于兩塊透明基片的各電極均覆蓋有高分子材料、或高分子粘結(jié)劑、或玻璃材料、或陶瓷材料，透明基板材料是透明玻璃，透明塑料，透明高分子材料。
所述的太陽電池，其特征在于并聯(lián)導(dǎo)電電極上燒結(jié)覆蓋有玻璃材料或陶瓷材料。
所述的太陽電池，其特征在于所述的納米或多孔半導(dǎo)體薄膜材料為納米TiO2多孔膜、或納米ZnO多孔膜，薄膜厚度可在0.1微米至1毫米之間。
所述的太陽電池，其特征在于催化層為鉑層，厚度可在0.001微米至1毫米之間。
太陽電池制作方法，其特征在于包括以下步驟(1)、在透明基板上覆蓋透明導(dǎo)電膜，(2)、在導(dǎo)電膜上，間隔印刷、或噴涂、或?yàn)R射、或其它鍍膜方法制備上并聯(lián)導(dǎo)電電極，并按照材料本身特性進(jìn)行加熱和處理，使并聯(lián)導(dǎo)電電極材料與導(dǎo)電膜很牢固的結(jié)合，(3)、在一塊導(dǎo)電膜上，各導(dǎo)電電極之間，絲網(wǎng)印刷、或噴涂、或?yàn)R射、或其它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)體薄膜中吸附均勻的染料，(4)、在另一塊導(dǎo)電膜上，各導(dǎo)電電極之間，印刷，或噴涂，或?yàn)R射等方法制備催化層，并加溫?zé)Y(jié)，(5)、將(3)、(4)步制得的兩塊基板合上，四周密封，并注入電解質(zhì)溶液。
上述的太陽電池制作方法，其特征在于利用絲網(wǎng)印刷、或噴涂或擠壓方法把玻璃材料或陶瓷材料均勻的覆蓋在并聯(lián)導(dǎo)電電極上，并加溫?zé)Y(jié)。
上述的太陽電池制作方法，其特征在于所述的納米或多孔半導(dǎo)體薄膜材料為納米TiO2多孔膜、或納米ZnO多孔膜，薄膜厚度可在0.1微米至1毫米之間，透明基板為導(dǎo)電玻璃時(shí)納米或多孔半導(dǎo)體薄膜材料燒結(jié)溫度450至600攝氏度，時(shí)間為30至200分鐘。
上述的太陽電池制作方法，其特征在于所述的催化層為含鉑的溶液或膠體印刷、或噴涂、或?yàn)R射的方法鍍一層鉑層或其它催化物質(zhì)，薄膜厚度可在0.001微米至1毫米之間，透明基板為導(dǎo)電玻璃時(shí)催化層燒結(jié)溫度為350至550攝氏度，時(shí)間為20至120分鐘。
上述的太陽電池制作方法，其特征在于所述的第(5)步是指制作一張高分子密封材料的電極墊，將二塊基板合上，電極墊的兩面正好和電極粘合在一起，并加熱固化；或者是指在一塊或二塊基板的電極上，利用絲網(wǎng)印刷、或噴涂、或擠壓方法，在電極保護(hù)層外面涂上粘結(jié)劑或其它密封膠，疊放在一起，進(jìn)行固化。
本實(shí)用新型太陽電池是以透明導(dǎo)電薄膜材料為電極，以染料敏化納米多孔半導(dǎo)體薄膜材料為光陽極，以含有催化劑薄膜層為光陰極，以碘/碘離子溶液、溴/溴離子溶液等鹵素/鹵素離子電解質(zhì)組成的液體電解質(zhì)系統(tǒng)；以有機(jī)高分子化合物，如聚氧乙烯醚(PEO)、聚丙烯腈(PAN)、環(huán)氧氯丙烷和環(huán)氧乙烷的共聚物等組成的膠凝液體電解質(zhì)的，以有機(jī)小分子膠凝劑，如通過胺與鹵代烴形成季銨鹽反應(yīng)而在有機(jī)液體中形成凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)而使得液體電解質(zhì)固化，而得到的膠凝液體電解質(zhì)；以離子液體介質(zhì)如有機(jī)陽離子是烷基銨陽離子、烷基咪唑陽離子和烷基吡啶陽離子等，常見的無機(jī)陰離子是BF4-、AlCl4-、PF6-、AsF6-、SbF6-、F(HF)n-、CF3SO3-、CF3(CF2)3SO3-、(CF3SO2)2N-、CF3COO-、CF3(CF2)2COO-等，為基礎(chǔ)的溶膠—凝膠電解質(zhì)；以有機(jī)空穴傳輸材料主要是OMeTAD、P3HT、P3OT、PDTI、PTPD等取代三苯胺類的衍生物和聚合物、噻吩和吡咯等芳香雜環(huán)類衍生物的聚合物等為基礎(chǔ)的固體電解質(zhì)系統(tǒng)；以無機(jī)p-型半導(dǎo)體材料，如CuI和CuSCN等組成的固體電解質(zhì)系統(tǒng)。本實(shí)用新型利用在該種太陽電池內(nèi)部制作電極，并采用保護(hù)電極的方法，制作電池內(nèi)部并聯(lián)電極，使該種太陽電池可以利用該種方法任意內(nèi)部并聯(lián)，獲得所需要的該太陽電池輸出電流。該方法同時(shí)具有很好的電池密封功能，保證了電池運(yùn)行的長期穩(wěn)定性。該方法突破了大面積染料敏化納米薄膜太陽電池制作的難點(diǎn)，對(duì)大面積電池的制作和實(shí)現(xiàn)起到關(guān)鍵的作用。本實(shí)用新型的技術(shù)和方法操作簡(jiǎn)單易行，價(jià)格低廉，電池性能穩(wěn)定。


圖1為染料敏化納米薄膜太陽電池的內(nèi)部構(gòu)造圖。
101—玻璃 102—透明導(dǎo)電膜 103—納米多孔半導(dǎo)體膜 104—有機(jī)染料吸附層 105—密封材料 106—電解液 107—負(fù)載圖2為染料敏化納米薄膜太陽電池的并聯(lián)導(dǎo)電電極密封膜結(jié)構(gòu)圖。
201—密封材料圖3為染料敏化納米薄膜太陽電池的結(jié)構(gòu)示意圖。
301—透明導(dǎo)電膜 302—并聯(lián)電極保護(hù)材料 303—催化劑層 304—密封材料 305—電解質(zhì) 306—并聯(lián)電極 307—透明襯底材料 307—吸附染料的納米多孔薄膜圖4為染料敏化納米薄膜太陽電池的另一結(jié)構(gòu)示意圖。
401—透明導(dǎo)電膜 402—透明襯底材料 403—密封材料 404—催化劑層 405—并聯(lián)電極保護(hù)材料 406—并聯(lián)電極 407—電解質(zhì) 408—吸附染料的納米多孔薄膜具體實(shí)施方式
實(shí)施例1參見附圖。
1.導(dǎo)電玻璃準(zhǔn)備選用導(dǎo)電玻璃作為透明導(dǎo)電電極材料(TEC-15，3毫米，LOF，USA)，切割成10厘米×10厘米，清洗干凈待用。
2.并聯(lián)電極印刷利用絲網(wǎng)印刷技術(shù)均勻印制梳子狀銀電極(如FERRO，CN33-246)，500攝氏度燒結(jié)(500攝氏度恒溫30分鐘)，銀電極寬度約1.5毫米，厚度約20微米，共8條。在銀電極上面利用絲網(wǎng)印刷銀刷玻璃漿料，使玻璃漿料完全保護(hù)銀電極(其中裸露寬邊銀電極)，550攝氏度燒結(jié)后(550攝氏度恒溫30分鐘)每條保護(hù)后的電極總寬度約3毫米，厚度約30微米。
3.光陽極(負(fù)電極)準(zhǔn)備印刷納米TiO2漿料，500攝氏度燒結(jié)(500攝氏度恒溫30分鐘)，獲得納米多孔TiO2薄膜，厚度約10微米。在濃度為0.5mM的cis-(SCN-)2bis(2，2’-bipyridyl-4，4’-dicarboxylate)ruthenium(II)染料中浸泡一晝夜，取出后用己醇(分析純)清洗一下，用氮?dú)獯蹈伞?br> 4.光陰極(正電極)準(zhǔn)備按設(shè)計(jì)需要的尺寸和圖形，另一塊完成了并聯(lián)電極的導(dǎo)電玻璃上，絲網(wǎng)印刷含有H2PtCl6·6H2O 1mM濃度催化劑漿料，450攝氏度燒結(jié)(450攝氏度恒溫30分鐘)。催化層薄膜厚度0.1微米。
5.利用激光切割的辦法，把密封膜(厚度150微米)切割好。見圖2。
6.光陽極與光陰級(jí)之間加入密封膜，通過加熱和加壓的辦法，使兩個(gè)電極完全粘結(jié)在一起，利用真空或手工方法注入電解質(zhì)材料，并密封電解質(zhì)注入小孔，即完成該種內(nèi)部并聯(lián)染料敏化納米薄膜太陽電池制作過程。見圖3。
實(shí)施例2參見附圖。
1.導(dǎo)電玻璃準(zhǔn)備選用導(dǎo)電玻璃作為透明導(dǎo)電電極材料(TEC-15，3毫米，LOF，USA)切割成10厘米×10厘米，清洗干凈待用。
2.并聯(lián)電極印刷利用絲網(wǎng)印刷技術(shù)均勻印制梳子狀銀電極(FERRO，CN33-246)，500攝氏度燒結(jié)(500攝氏度恒溫30分鐘)，銀電極寬度約1.5毫米，銀電極厚度約20微米，共8條。
3.光陽極(負(fù)電極)準(zhǔn)備絲網(wǎng)印刷納米TiO2漿料，500攝氏度燒結(jié)(500攝氏度恒溫30分鐘)，成為納米多孔TiO2薄膜，厚度約10微米。
4.光陰極(正電極)準(zhǔn)備按設(shè)計(jì)需要的尺寸和圖形，另一塊完成了并聯(lián)電極的導(dǎo)電玻璃上，絲網(wǎng)印刷含有H2PtCl6·6H2O 1mM濃度催化劑漿料，450攝氏度燒結(jié)(450攝氏度恒溫30分鐘)，催化劑層薄膜厚度0.1微米。
5.在光陰極和光陽極的銀電極上面分別利用絲網(wǎng)印刷玻璃漿料，使玻璃漿料完全保護(hù)銀電極(其中裸露寬邊銀電極)，并把兩個(gè)電極疊放在一起，外加上5公斤壓力，使兩電極很好結(jié)合，但要避免短路，550攝氏度燒結(jié)(550攝氏度恒溫30分鐘)。見圖4。利用循環(huán)的方法和裝置使染料(染料濃度為0.5mM的cis-(SCN-)2bis(2，2’-bipyridyl-4，4’-dicarboxylate)ruthenium(II))在電池內(nèi)循環(huán)，待染料均勻吸附在多孔薄膜內(nèi)以后，停止染料循環(huán)，取出后用己醇(分析純)清洗一下，用氮?dú)獯蹈伞?br> 6.利用真空或手工方法注入電解質(zhì)材料，并密封電解質(zhì)注入小孔，即完成該種內(nèi)部并聯(lián)染料敏化納米薄膜太陽電池制作過程。
實(shí)施例3參見附圖。
1.導(dǎo)電玻璃準(zhǔn)備選用導(dǎo)電玻璃作為透明導(dǎo)電電極材料(TEC-15，3毫米，LOF，USA)切割成10厘米×10厘米，清洗干凈待用。
2.并聯(lián)電極印刷利用絲網(wǎng)印刷技術(shù)均勻印制梳子狀銀電極(FERRO，CN33-246)，500攝氏度燒結(jié)(500攝氏度恒溫30分鐘)，銀電極寬度約1.5毫米，銀電極厚度約20微米，共8條。
3.光陽極(負(fù)電極)準(zhǔn)備印刷納米TiO2漿料，500攝氏度燒結(jié)(500攝氏度恒溫30分鐘)，成為納米多孔TiO2薄膜，厚度約10微米。在濃度為0.5mM的cis-(SCN-)2bis(2，2’-bipyridyl-4，4’-dicarboxylate)ruthenium(II)染料中浸泡一晝夜，取出后用已醇(分析純)清洗一下，用氮?dú)獯蹈伞?br> 4.光陰極(正電極)準(zhǔn)備按設(shè)計(jì)需要的尺寸和圖形，在另一塊完成了并聯(lián)電極的導(dǎo)電玻璃上，絲網(wǎng)印刷含有H2PtCl6·6H2O 1mM濃度催化劑漿料，450攝氏度燒結(jié)(450攝氏度恒溫30分鐘)。薄膜厚度0.1微米。
5.利用激光切割的辦法，把密封膜(厚度150微米)切割好。見圖2。
6.在光陽極與光陰級(jí)之間加入密封膜，通過加熱和加壓的辦法，使兩個(gè)電極完全粘結(jié)在一起，利用真空或手工方法注入電解質(zhì)材料，并密封電解質(zhì)注入小孔，即完成該種內(nèi)部并聯(lián)染料敏化納米薄膜太陽電池制作過程。見圖3。
權(quán)利要求1.大面積內(nèi)部并聯(lián)染料敏化納米薄膜太陽電池，包括有上、下兩面透明基板，透明基板周邊密封成腔體，腔體中有電解液，透明基板上有透明導(dǎo)電膜，其特征在于所述的透明導(dǎo)電膜上有并聯(lián)導(dǎo)電電極與催化劑層間隔排布，另一透明導(dǎo)電膜上并聯(lián)導(dǎo)電電極與納米多孔半導(dǎo)體材料間隔排布，納米多孔半導(dǎo)體材料中浸漬有染料。
2.如權(quán)利要求1所述的太陽電池，其特征在于兩塊透明基板的導(dǎo)電電極之間一一對(duì)應(yīng)，各組對(duì)應(yīng)電極之間通過高分子材料、或高分子粘結(jié)劑、或玻璃材料、或陶瓷材料密封固化。
3.如權(quán)利要求1所述的太陽電池，其特征在于兩塊透明基片的周邊電極之間通過高分子材料、或高分子粘結(jié)劑、或玻璃材料、或陶瓷材料固化。
4.如權(quán)利要求1所述的太陽電池，其特征在于兩塊透明基片的各電極均覆蓋有高分子材料、或高分子粘結(jié)劑、或玻璃材料、或陶瓷材料，透明基板材料是透明玻璃，透明塑料，透明高分子材料。
5.如權(quán)利要求1所述的太陽電池，其特征在于并聯(lián)導(dǎo)電電極上燒結(jié)覆蓋有玻璃材料或陶瓷材料。
6.如權(quán)利要求1所述的太陽電池，其特征在于所述的納米或多孔半導(dǎo)體薄膜材料為納米TiO2多孔膜、或納米ZnO多孔膜，薄膜厚度可在0.1微米至1毫米之間。
7.如權(quán)利要求1所述的太陽電池，其特征在于催化層為鉑層，厚度可在0.001微米至1毫米之間。
專利摘要本實(shí)用新型涉及大面積內(nèi)部并聯(lián)染料敏化納米薄膜太陽電池，包括有上、下兩面透明基板，透明基板上有透明導(dǎo)電膜，透明導(dǎo)電膜上有導(dǎo)電電極與催化劑層間隔排布，另一透明導(dǎo)電膜上導(dǎo)電電極與納米多孔半導(dǎo)體材料塊間隔排布，納米多孔半導(dǎo)體材料中浸漬有染料。將兩塊透明基板疊放在一起，周邊密封成腔體，腔體中有電解液。本實(shí)用新型制作電池內(nèi)部并聯(lián)電極，獲得所需要的該太陽電池輸出電流。電池密封功能好，保證了電池運(yùn)行的長期穩(wěn)定性。本實(shí)用新型的技術(shù)和方法操作簡(jiǎn)單易行，價(jià)格低廉，電池性能穩(wěn)定。
文檔編號(hào)H01M14/00GK2724205SQ20042002572
公開日2005年9月7日 申請(qǐng)日期2004年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月23日
發(fā)明者戴松元, 王孔嘉, 隋毅峰, 黃陽, 肖尚鋒 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院等離子體物理研究所