專利名稱：制造介觀太陽能電池的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及制造諸如染料敏化太陽能電池(DSSC)和量子點(diǎn)敏化太陽能電池的介觀太陽能電池(mesoscopic solar energy)的方法。本發(fā)明將就具有聚合物基板的柔性DSSC的制造進(jìn)行具體描述。然而，應(yīng)理解，本發(fā)明不限于該應(yīng)用，并且還可應(yīng)用于制造具有包括金屬、陶瓷和玻璃以及聚合物的其它材料基板的介觀太陽能電池的用途。
背景技術(shù)：
染料敏化太陽能電池(DSSCs)或其他介觀太陽能電池(例如量子點(diǎn)敏化太陽能電池)為較常規(guī)的硅基光伏裝置提供一種低成本的替代物。DSSC裝置由用作不同功能的、厚度為從幾個(gè)納米至幾十微米的多個(gè)薄膜層構(gòu)成。對于常規(guī)DSSC裝置，將薄膜如工作電極 (其通常由納米TW2顆粒制成)涂覆在導(dǎo)電玻璃基板的表面上井隨后被加熱到約500°C以形成機(jī)械上牢固且導(dǎo)電的介孔膜。當(dāng)使用聚合物基板生產(chǎn)柔性DSSC吋，必須使用低溫處理技木，因?yàn)榇蠖鄶?shù)聚合物材料在約250°C是不穩(wěn)定的。柔性DSSC的益處在于，它們的重量相對輕，并且可被支撐在多種不同的表面上，包括具有復(fù)雜曲線的表面。已經(jīng)開發(fā)了機(jī)械壓制技術(shù)如輥壓和單軸壓制來將介孔電極膜壓實(shí)在聚合物基板上。在輥壓制的情形中，涂有用于形成電極膜的材料的聚合物基板在對輥之間的壓力下被輥壓，而經(jīng)涂覆的基板以單軸壓制方式在相対的剛性模中被壓縮。然而，當(dāng)膜較薄且尤其當(dāng)膜尺寸大時(shí)，這些方法難以在基板上獲得良好的膜均勻性。這是因?yàn)椋S著膜可小至僅幾百個(gè)納米厚，輥和模表面必須制造為具有難以實(shí)現(xiàn)的、非常高的容差。輥或模具表面上的任何未對準(zhǔn)或小的表面不完整性都將使它們不能使用，或?qū)е履さ牟灰恢禄虿煌耆珘簩?shí)。而且，這些方法不能夠在彎曲的或具有復(fù)雜形狀的聚合物基板上制造太陽能面板。工作電極膜需要用光敏介質(zhì)來敏化。在DSSC的情形中，該介質(zhì)為光敏染料(在量子點(diǎn)敏化太陽能電池中采用敏化的量子點(diǎn))。DSSC的電極膜一般通過將電極膜長時(shí)間浸泡在光敏染料溶液中以允許染料分子分布在整個(gè)電極膜中來敏化。該浸泡過程一般可花費(fèi)約10到12小吋。能消除該浸泡過程以減少生產(chǎn)DSSC的時(shí)間以及有助于這種DSSC的連續(xù)生產(chǎn)過程，將會是有利的。與DSSC裝置有關(guān)的其他更普遍的問題在干，光敏染料可僅具有有限的光吸收范圍。這限制了可從染料敏化的電極膜釋放的電子的程度，由此還限制了 DSSC的總體光電轉(zhuǎn)換效率。將具有不同光吸收波長的多重敏化劑并入DSSC裝置中將會是合乎期望的，但這使用目前的制造方法是不可能的。

發(fā)明內(nèi)容
因此，能夠具有一種避免與已知制造方法相關(guān)的問題的制造介觀太陽能電池的方法將會是有利的。基于這個(gè)想法，根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種制造染料敏化太陽能電池或其他介觀太陽能電池的方法，包括步驟
a)用電極膜或其他功能層涂覆基板的表面的至少一部分，和b)在所涂覆的基板上施加等靜壓，由此將所述電極膜或功能層壓實(shí)在所述基板上。根據(jù)本發(fā)明可制造不同形式的介觀太陽能電池，包括其中功能層為染料敏化電極膜的染料敏化太陽能電池，或其中功能層為量子點(diǎn)敏化電極膜的量子點(diǎn)敏化太陽能電池。功能層可還包括介觀太陽能電池的對電極或其他導(dǎo)電層。電極膜或功能層可為由諸如TiO2、碳或碳納米管制成的顆粒、棒、管或板的層形式。作為ー個(gè)替代方案，電極膜或功能層可由已被預(yù)敏化/染色的經(jīng)表面修飾的TiO2顆粒、 棒、管或板制成。對于DSSC層而言，具有預(yù)染色的電極膜的優(yōu)點(diǎn)在于不再需要一般用于使電極膜染料敏化的浸泡過程。根據(jù)本發(fā)明的其他優(yōu)選特征，兩個(gè)或更多個(gè)電極層可支撐在基板上，其中每個(gè)電極層用不同的染料敏化。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在干，DSSC的光吸收范圍可比僅由單一染料敏化的常規(guī)DSSC更寬。因此，根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選方面的制造方法包括在第一所述基板上形成第一所述電極膜，在第二所述基板上形成第二所述電極膜，使所述第一和第二電極膜面對面地接觸， 使所述第一和第二電極膜經(jīng)受等靜壓，由此將第二電極膜壓實(shí)到第一電極膜，以及將第二基板與第二電極膜分離。作為ー個(gè)替代方案，根據(jù)本發(fā)明的制造方法還可包括在所述基板上形成第一所述電極膜，將粉末形式的第二所述電極膜施加在第一電極膜上，以及在第一和第二電極膜上施加等靜壓，以將所述電極膜壓實(shí)在第一電極膜上。優(yōu)選地，第一電極膜用第一敏化劑敏化，而第二電極膜用第二敏化劑敏化。基板可由柔性聚合物材料形成。也能想到基板可由金屬、陶瓷或玻璃形成。柔性袋可為真空袋，并且經(jīng)涂覆的基板可通過從真空袋排出空氣而被真空密封在真空袋內(nèi)。等靜壓為所有方向的均勻壓力，可以以自由模(free mould)(濕袋)或糙模 (coarse mould)(潮袋)或固定模(fixed mould)(干袋)壓制在壓カ室內(nèi)施加至經(jīng)涂覆的基板?？墒褂萌N方式的等靜壓縮加工。在自由模(濕袋)加工中，將經(jīng)涂覆的基板放入密封的柔性?；蛉嵝源?，然后將其浸沒到壓カ室中。在自由模加工中，移除模或袋并填充壓カ室的外側(cè)。在糙模(潮袋)加工中，模具或袋不是位于壓カ室內(nèi)，而是從室的外側(cè)填充。在固定模(干袋)加工中，?；虼菁{并填充在壓力室內(nèi)，這有助于過程的自動化。在濕袋壓制中，諸如水或油的液體可用作壓カ室內(nèi)的壓カ介質(zhì)。作為ー個(gè)替代方案，在干袋壓制中，固定到壓カ容器的弾性體模具可用作壓カ介質(zhì)。壓カ介質(zhì)也可為諸如空氣的氣體形式。優(yōu)選地，可施加5MPa至2000MPa范圍內(nèi)的壓カ。利用本發(fā)明的方法，向經(jīng)涂覆的基板施加任何的熱不是必要的。因此，經(jīng)涂覆的基板可在壓カ室內(nèi)經(jīng)受冷等靜壓(CIP)。然而，也可設(shè)想，經(jīng)涂覆的基板可經(jīng)受一定程度的加熱。例如，壓カ室內(nèi)的壓カ介質(zhì)可被加熱，由此在等靜壓制過程中向經(jīng)涂覆的基板施加熱。 最高加熱溫度將由基板材料的熱穩(wěn)定溫度限制。根據(jù)本發(fā)明的方法可用來制作多孔和致密的電極膜和功能層。電極膜或功能層可以多種不同的圖案被印刷或以其他方式沉積到基板的表面上。例如，電極膜可作為一系列離散的條沉積在基板表面上。作為ー個(gè)替代方案，電極膜可沉積在整個(gè)基板表面上。膜可使用已知的印刷方法施加到基板，包括膠印和噴墨印刷、浸涂、噴涂、卷到卷印刷、絲網(wǎng)印刷或刮刀等。與針對大多數(shù)DSSC的情形一祥，電極膜可由納米TW2顆粒的層來形成，納米TiO2顆粒的層形成導(dǎo)電介孔膜，其可然后被染料敏化。電極膜也可由預(yù)涂有敏化劑或染料分子的納米T^2顆粒形成。致密阻擋層也可通過冷或曖等靜壓制來生產(chǎn)。根據(jù)本發(fā)明的方法也可用于強(qiáng)化用于金屬或玻璃基板上的DSSC或其他介觀太陽能電池的電極膜。壓カ室內(nèi)等靜壓的施加確?？蛇_(dá)到具有合乎期望的多孔性、高強(qiáng)度和均勻度的電極膜。等靜壓還確保電極膜恰當(dāng)?shù)馗街诨宓谋砻妗８鶕?jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種根據(jù)上述方法制造的染料敏化太陽能電池。根據(jù)本發(fā)明的方法允許使用具有大的表面積的DSSC制造太陽面板，該面板待生產(chǎn)為具有彎曲或復(fù)雜的形狀。本發(fā)明相對于當(dāng)前在生產(chǎn)柔性DSSC或介觀太陽能電池中使用的輥壓和單軸壓制技術(shù)提供多種優(yōu)勢。根據(jù)本發(fā)明的方法可生產(chǎn)具有高均勻度的膜，由此改善太陽能電池效率和耐久性。根據(jù)本發(fā)明的方法還更適合于處理具有納米到毫米厚度的大尺寸薄膜。根據(jù)本發(fā)明的方法還有利于生產(chǎn)聚合物、金屬或玻璃基板上的非平坦太陽能面板。


參考圖示本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案的附圖將方便進(jìn)ー步描述本發(fā)明。其他實(shí)施方案也是可能的，因此，附圖的特殊性不應(yīng)被理解為取代本發(fā)明前述描述的通則。附圖中圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的壓カ室內(nèi)冷等靜壓制的示意圖；圖2是針對不同11 電極獲得的光電轉(zhuǎn)換效率的表；圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的兩種不同光敏染料的入射光子到電流效率(IPCE)以及它們組合的IPCE譜的圖；圖4是示出根據(jù)本發(fā)明的生產(chǎn)DSSC需要的各個(gè)步驟的示意性視圖。
具體實(shí)施例方式首先參考圖1，示出壓カ室1，其內(nèi)支撐有密封在柔性袋5內(nèi)的基板3。在制造柔性DSSC的情形中，基板3由聚合物材料(通常為ITO-PEN膜)制成，并涂有TiO2膜7。經(jīng)涂覆的基板3被真空密封在柔性袋5內(nèi)，井隨后在壓カ室1內(nèi)經(jīng)歷冷等靜壓制(CIP)8。這通過使用液體介質(zhì)9 (其通常為水或油)作為壓カ室1內(nèi)的壓カ介質(zhì)來實(shí)現(xiàn)。約為幾十到幾百M(fèi)Pa的高壓通過液體介質(zhì)9在各個(gè)方向上施加在容納經(jīng)涂覆的基板3的袋5周圍，導(dǎo)致TW2膜7壓實(shí)在基板3上。CIP的使用使得容易地實(shí)現(xiàn)具有高強(qiáng)度和均勻性的電極膜。 這還允許制造具有彎曲或復(fù)雜形狀的太陽能面板。圖2是示出對比不同TiO2電極的光電轉(zhuǎn)換效率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的表。除了可商業(yè)獲得的Peccell膏以外，在所有裝置中均使用Degussa P_25Ti02粉末。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以確定根據(jù)本發(fā)明的方法的可行性。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，將商業(yè)產(chǎn)品Degussa P_25Ti02粉末在行星式球磨機(jī)中碾磨5小吋。然后通過刮刀將漿料鋪展在ITO-PEN塑料基板上，然后使基板在壓カ室內(nèi)經(jīng)歷冷等靜壓(CIP)。使用經(jīng)CIP處理的和未經(jīng)CIP處理的TiO2電極兩者來組裝太陽能電池。使用可從Peccell Technologies, Inc.(日本)商業(yè)獲得的低溫TiO2漿料在相同的聚合物基板上制造其他太陽能電池。測試所有這些柔性DSSC的光伏性質(zhì)以進(jìn)行比較。對于通過刮涂 P-25漿液并隨后進(jìn)行CIP處理而制備的具有15微米左右膜厚度的裝置獲得了 6. 27%的能量轉(zhuǎn)換。一旦將電極膜壓實(shí)在支撐基板上，電極膜需要被染料敏化。這在目前涉及將電極膜浸泡在光敏染料的溶液中以使染料分子可被吸附到電極膜中井分散在電極膜層的生產(chǎn)步驟。浸泡過程通?？赡芑ㄙM(fèi)10至12小時(shí)左右，以獲得令人滿意的染料到電極膜層中的吸附。如果用于形成電極膜的材料與光敏染料預(yù)混合，則該浸濕過程可以避免。因此，涂覆基板表面的電極膜將已經(jīng)被染料敏化，并將因此不需要經(jīng)歷如前文描述的進(jìn)一歩的浸濕過程。起始電極材料可為干粉形式，如TiO2,或可為溶液中的膠體形式。該起始原料可隨后與敏化劑混合，以形成可然后被涂覆或印刷到基板表面上的液體或膏。敏化劑可為光敏染料分子。然而，諸如量子點(diǎn)的其他敏化劑也可用于敏化電極膜。結(jié)果是，用于制造DSSC或其他介觀太陽能電池的生產(chǎn)周期可顯著減少。而且，生產(chǎn)過程可更容易適合于連續(xù)過程，尤其是當(dāng)使用印刷方法來將電極膜(或功能層)印刷到基板表面上時(shí)如此。在常規(guī)DSSC裝置的制造中，涂覆基板表面的材料需要被加熱到約500°C以形成最終的電極膜。如果暴露于高于200°C的溫度，由于染料變得不穩(wěn)定并因此而無活性，因此不可能使該涂覆材料預(yù)染色。在經(jīng)歷該高溫下的加熱之后，電極膜會因此失去其染料敏感性。 在CIP過程中，電極膜和吸收在膜中的光敏染料不被暴露于高溫，因此染料將保留其光敏性。多種不同的光敏染料可用于DSSC的生產(chǎn)，以提供所需的染料敏化。這些染料各自具有不同的光吸收范圍。ー些染料吸收較多的可見光范圍內(nèi)的光而另ー些染料則吸收較多的紅外范圍內(nèi)的光。然而，這些染料中的任一種的光吸收范圍都相對有限，這具有限制常規(guī)DSSC裝置的光電轉(zhuǎn)換效率的實(shí)際效應(yīng)。圖3是示出兩種不同光敏染料(分別為SQ2和 N719)的IPCE譜的圖。已嘗試了通過在DSSC的電極膜內(nèi)使用不同光敏染料的混合物(其中每種染料具有不同的光吸收范圍)來拓寬光吸收范圍。然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在不同的染料分子之間存在相互作用，其中由一種類型的染料分子發(fā)射的電子傾向于向其他類型的染料分子遷移。兩種染料分子類型之間的這種“淬滅效應(yīng)”限制了向?qū)щ婋姌O的電子轉(zhuǎn)移。因此，通過在電極膜中使用不同染料的混合物僅獲得了少許益處。進(jìn)ー步的實(shí)驗(yàn)已發(fā)現(xiàn)，該淬滅效應(yīng)可通過具有兩個(gè)或更多個(gè)負(fù)載在基板上的電極膜(其中每個(gè)電極膜層負(fù)載不同的光敏染料)來得以避免或最小化。圖3還示出了組合的IPCE譜(N719+SQ2)，其可通過具有負(fù)載ー種染料的第一電極膜，以及在第一電極膜上的負(fù)載其他染料的第二電極膜的DSSC來實(shí)現(xiàn)。組合的范圍從可見光(來自N719)擴(kuò)展至近 IR(來自 SQ2)。
由于不同的染料位于單獨(dú)的電極膜中，這使得不同染料類型之間的任何淬滅效應(yīng)最小化，或得以防止。因此，該DSSC的光吸收范圍可擴(kuò)展到覆蓋更寬的范圍，優(yōu)選從近紅外擴(kuò)展到紅外范圍，并且進(jìn)入可見光范圍中。CIP方法有助于具有多個(gè)層疊的電極膜層(其中每個(gè)電極膜層負(fù)載不同的染料) 的DSSC的制造。圖4(a)到(c)示出該過程如何實(shí)現(xiàn)。圖4 (a)示意性地示出電極材料的松散堆積顆粒或敏化顆粒如何可被壓實(shí)到第一基板13上以利用CIP形成電極膜15。該方法已結(jié)合圖1在前文有描述。圖4(b)示出可以將電極膜15轉(zhuǎn)移到第二基板17上。電極膜15設(shè)置在第二基板17上方，并且施加CIP到第一和第二基板13、17兩者以及電極膜15上。這導(dǎo)致電極膜15轉(zhuǎn)移到第二基板17上，電極膜15從第一基板13分離。圖4(c)示出用第一敏化劑敏化并負(fù)載在第一基板13上的第一電極膜19。用第二敏化劑敏化的第二電極膜21顯示為負(fù)載在第二基板17上。第一和第二電極膜可在被涂覆在它們各自的基板上之后被敏化，或可由如前文討論的敏化顆粒形成。然后將第一和第二基板13、17邊對邊放置，它們的電極膜19、21面對面直接接觸。 最終，使組裝的第一和第二基板一起經(jīng)受CIP。這導(dǎo)致第一電極膜19被壓實(shí)到第二電極膜 21上。然后可將第二基板13從第一電極膜13分離。在需要增加另外的電極膜或其他功能層時(shí)，可重復(fù)該步驟。作為ー個(gè)替代方案，用第一敏化劑敏化的第一電極膜層可如前面描述的最初形成在第一基板表面上。用第二敏化劑敏化的電極材料的松散堆積敏化顆?？扇缓蟊讳佌乖诘?ー電極上。然后可施加等靜壓以將松散堆積材料壓實(shí)到第一電極膜上，以由此形成第二電極膜。如果需要另外的電極膜或其他功能層，可重復(fù)該過程。根據(jù)本發(fā)明制造得到的DSSC具有擴(kuò)展的光吸收范圍，這可潛在導(dǎo)致DSSC具有比目前可用的DSSC更高的光電轉(zhuǎn)換效率。對本領(lǐng)域技術(shù)人員來講可視為明顯的修改和變更均包括在由所附權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種制造染料敏化太陽能電池或其他介觀太陽能電池的方法，包括以下步驟a)用電極膜或其他功能層涂覆基板表面的至少一部分，和b)在經(jīng)涂覆的基板上施加等靜壓，由此將所述電極膜或功能層壓實(shí)在所述基板上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的制造方法，其中形成所述電極膜的材料包括Ti02。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的制造方法，其中形成所述電極膜的材料包括碳。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的制造方法，其中所述功能層包括對電極或?qū)щ妼印?br> 5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的制造方法，其中所述電極膜材料與敏化劑預(yù)混合。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的制造方法，其中所述電極膜材料與光敏染料預(yù)混合。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的制造方法，包括在第一所述基板上形成第一所述電極膜，在第二所述基板上形成第二所述電極膜，使所述第一和第二電極膜面對面接觸，使所述第一和第二電極膜經(jīng)受等靜壓以由此將所述第二電極膜壓實(shí)到所述第一電極膜，并且將所述第二基板與所述第二電極膜分離。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)的制造方法，包括在所述基板上形成第一所述電極膜， 將粉末形式的第二所述電極膜施加在所述第一電極膜上，并且在所述第一和第二電極膜上施加等靜壓以將所述第二電極膜壓實(shí)在所述第一電極膜上。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8的制造方法，其中所述第一電極膜用第一敏化劑敏化，而所述第 ニ電極膜用第二敏化劑敏化。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的制造方法，其中所述基板為柔性的，并且由聚合物材料形成。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)的制造方法，其中所述基板為剛性的，并且由金屬、陶瓷或玻璃材料形成。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求之任一項(xiàng)的制造方法，其中所述等靜壓通過將經(jīng)涂覆的基板密封在柔性?；虼鼉?nèi)并在壓力室內(nèi)向經(jīng)涂覆的基板施加所述等靜壓而施加到所述涂覆的基板。
13.根據(jù)權(quán)利要求10的制造方法，其中液體或氣體被用作所述壓カ室內(nèi)的壓カ介質(zhì)。
14.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的制造方法，其中所述等靜壓在自由模、糙模或固定模過程中施加。
15.根據(jù)權(quán)利要求11的制造方法，其中所述壓カ介質(zhì)被加熱。
16.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的制造方法，其中所述電極膜或其他功能層使用印刷過程來施加。
17.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法制造的介觀太陽能電池。
全文摘要
一種制造染料敏化的太陽能電池或其他介觀太陽能電池的方法，包括用電極膜或其他功能層涂覆基板表面的至少一部分，并且在經(jīng)涂覆的基板上施加等靜壓以由此將所述電極膜或功能膜壓實(shí)在所述基板上的步驟。
文檔編號H01M14/00GK102576753SQ201080048274
公開日2012年7月11日 申請日期2010年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月10日
發(fā)明者哈西塔·維拉辛哈, 普拉薩德·M·西里馬尼, 程一兵, 黃福志 申請人:墨爾本大學(xué), 聯(lián)邦科學(xué)和工業(yè)研究組織, 莫納什大學(xué), 證券票據(jù)國際有限公司