一種大面積納米薄膜太陽能電池的製造方法
2023-09-11 07:57:15 2
專利名稱：一種大面積納米薄膜太陽能電池的製造方法
一種大面積納米薄膜太陽能電池的製造方法[技術領域]本發明涉及太陽能電池技術領域，具體的說是一種大面積納米薄 膜太陽能電池的製造方法。 [技術背景]納晶染料敏化太陽能電池DSSC是以染料敏化多孔納米結構薄膜 為光陽極，根據光生伏特原理，將太陽能直接轉換成電能的一種半導 體光電器件，是伴隨著半導體電化學發展起來的一個嶄新的科學研究 領域。1991年，瑞士洛桑高等工業學院Gratzel教授所領導的研究小 組，以高比表面積的納米Ti02多孔膜作為半導體電極，以Ru等有機 金屬化合物作為光敏化染料，選用適當的氧化還原電解質做介質，組 裝成Ti02納米晶染料敏化太陽能電池，其光電轉換效率在AM1.5模擬 太陽光照射下達7.1%,被人們譽為新一代太陽能電池，這一重大突破 為光電化學電池的發展帶來了革命性的創新，引起染料敏化太陽能電 池研究的一次熱潮。1993年，GrStzel等再次報導了光電轉換效率達到 10%的染料敏化太陽能電池，1997年，光電轉效率迸一步提高到 11%， DSSC的光電轉效率這一參數已接近實用化水平。DSSC由納米多孔Ti02薄膜、染料光敏化劑、電解質和對電極幾 部分組成，電池中電子的收集和傳輸主要由導電膜來完成，由於目前 商業應用的導電玻璃表面方塊電阻在IOQ以上，其電阻對電池性能的 影響較大，在DSSC實驗研究中， 一般製作小面積電池，如目前較常 用的5mmX5mm的小面積電池，隨著電池面積的不斷增加，電池的 填充因子迅速減小，電池光電轉換效率變小，比如，電池的面積達到60mmX80mm，電池的伏安特性發生了明顯的變化，幾乎成為一條直 線，與小電池相比，填充因子和光電轉換效率大大減小，其主要原因 是TCO表面電阻的影響，即電子傳輸路程太長，從而導致電子在傳 輸過程中的損耗增大。因此，要想在大面積電池中獲得好的電池伏安 特性曲線，獲得更高的電池效率，必須減少電池中電子在TCO玻璃 表面傳輸的損失。此外，目前的DSSC主要採用含有I37T'氧化還原電對的液體電解 質，雖然具有較高的光電轉換效率，但由於液體電解質易洩漏，有機 溶劑易揮發，造成電池密封困難，電池在長期工作過程中性能下降， 使用壽命縮短，DSSC器件的可靠性、穩定性有很大的局限性，因此 納晶染料敏化太陽能電池製作過程中如何解決溶劑的洩漏、揮發等影 響電池穩定性的問題，解決器件封裝的關鍵技術問題，提高器件的穩 定性和可靠性，是器件加工工藝中面臨的幾個主要難題。液態電介質含有1371鬼化還原對，是一種化學活性、腐蝕性極強 的物質，它的存在使得納晶染料敏化太陽能電池與無機固態太陽能電 池技術不同，造成電池密封困難，且工藝複雜化，納晶染料敏化太陽 能電池組件的封裝比傳統的太陽能電池組件的封裝要困難得多，研 發染料敏化太陽能電池的封裝技術是開發長壽命、高穩定性DSSC的 主要關鍵瓶頸技術；另一方面還需要儘量簡化工藝、降低成本，製備 出高效、穩定、長壽命、價廉的太陽能電池，從而使得DSSC太陽能 電池能最終得到廣泛應用。 [發明內容]本發明的目的是設計克服現有技術的不足，提供一種制 備高效、穩定、長壽命、價廉的染料敏化太陽能電池DSSC及其封裝方法。
為實現上述目的，設計一種大面積納米薄膜太陽能電池的製造
方法，將包括覆在玻璃(1)上的透明導電層TCO (2)、納米氧化物 薄膜(3)、染料、電解質、對電極(4)的單體染料敏化太陽能電池 DSSC進行串並聯後封裝，其特徵在於單體DSSC製成條狀，採用耐 腐蝕互連條(6)將條狀的單體DSSC串聯成實用化的大面積太陽能電 池，耐腐蝕互連條(6)兩側分別採用環氧樹脂類高分子材料或玻璃或 陶瓷材料的封裝材料設一保護隔層(7)，或採用絲網印刷法製備的低 電阻柵網電極(41)，並在低電阻柵網電極(41)表面覆蓋高分子材 料或玻璃或陶瓷材料作為保護膜(43)，然後採用覆蓋有保護膜
(43)的低電阻柵網電極(41)將多個條狀的單體DSSC並聯成大面 積的太陽能電池，內部為串聯或並聯的大面積太陽能電池一側玻璃
(1)與TCO (2)的接觸面設一灌注槽(33)，並在大面積太陽能電 池一端的灌注槽(33)處及大面積太陽能電池另一端均設一灌注口
(32)，從灌注槽(33)通過灌注口 (32)向儲液室(5)泵入電解質 和染料後，折斷灌注槽(33)，然後在大面積太陽能電池的外端採用 環氧樹脂類高分子材料或玻璃或陶瓷材料進行密封。所述的耐腐蝕互 連條是在低電阻電極表面覆蓋環氧樹脂類高分子材料或玻璃或陶瓷材 料作為電極保護膜。所述的透明導電層TCO是採用磁控濺射或真空蒸 發或旋塗或超聲鍍的方法將透明導電薄膜SnO: F或透明導電薄膜 ZnO: Al或透明導電薄膜ITO做為導電層製備到透明導電玻璃上而成 的。所述的納米氧化物薄膜採用氧化物半導體Ti02或ZnO或Sn02或 ln203。所述的電解質採用以I—VL—1為氧化還原對的液態電解質，或採
用以rVi3—'為氧化還原對的準固太電解質，或採用以rvi3—'為氧化還原對的離子電解質，或採用以r/i3—1為氧化還原對的固態複合電解 質。所述的對電極採用鉑或碳納米管或碳納米纖維或碳黑電極。所述的低電阻柵網電極是釆用Pt或Au或Ag或Ti或Ni或Mo材料通過磁 控濺射或真空蒸發或化學鍍或電化學鍍或絲網印刷或浸鍍或旋塗或超 聲鍍方法製備而成的。其特徵在於所述的低電阻電極是採用Pt或Au 或Ag或Ti或Ni或Mo材料通過磁控濺射或真空蒸發或化學鍍或電化 學鍍或絲網印刷或浸鍍或旋塗或超聲鍍方法製備而成的。本發明與現有技術相比，簡化了封裝工藝、降低了成本，所 製備出的大面積DSSC電池的性能與單元小面積電池的性能相當，可 以獲得理想的電池伏安特性曲線，保證了產品的長壽命、高穩定性。 [
]附圖1為本發明實施例中串聯結構DSSC的局部示意圖， 其中箭頭方向為電子傳輸路徑。附圖2 (a) - (c)為本發明的實施例中串聯結構大面積 DSSC電池的製備和封裝步驟。附圖3為本發明實施例中串聯結構大面積DSSC電池組件 的結構示意圖。附圖4為本發明另一實施例中並聯結構大面積DSSC電池 組件局部示意圖，其中，圖(b)為圖(a)框線中的局部放大圖。 指定圖3為摘要附圖。參見附圖1、圖2、圖3、圖4，l為覆TCO用的玻璃；2為TCO; 3為納米氧化物薄膜；4為對電極；5為儲存電解質及染料 的儲液室；6為耐腐蝕互連條；7為保護隔層；21為雷射刻槽；31為 條狀單體DSSC電池；32為灌注口； 33為灌注槽；41為低電阻柵網電極；42為電池密封膜；43為低電阻柵網電極保護膜。 [具體實施方式
]
下面結合附圖對本發明作進一步說明，本工藝技術對本 專業的人來說還是比較清楚的。
單體太陽能電池器件不能直接作為實用化的電池使用，作電源用 必須將若干單體電池串、並聯連接並嚴密封裝成組件後使用，對於染 料敏化太陽能電池DSSC也是如此使用。
本發明採用了類似傳統矽太陽電池電極的製備方法，如果把單體 DSSC電池改為條狀結構，就可以減少電子的傳輸距離，電池性能得到 較大的改善，再通過印刷低電阻的柵電極，減小電子傳輸路徑的電 阻，使得電池的性能接近小面積電池的性能，考慮大面積DSSC的實用 化，在優化設計的基礎上，可以採用兩種途徑來減少電池內部電阻 一種是通過增加內部耐腐蝕電極的連接，把上述條狀單體DSSC串聯成 大面積實用化電池；另一種是通過印刷低電阻的柵網電極，同時利用 高分子材料或玻璃或陶瓷等覆蓋電極表面對電極進行保護，製備成內 部並聯的大面積DSSC電池，上述兩者連接方式都可以獲得較為理想的 電池伏安特性曲線。
電池組件中每一個電池必須是一個封閉體，即相鄰條狀單體DSSC 電池間電解質的質量交換必須被阻止，串聯連接的電池在開路時接受 光照時，每個電池的化學勢不一樣，如果相鄰電池間電解質發生離子 交換，氧化還原對將被分離，該過程叫光致遷移，光致遷移過程中， 電池組件的電性能參數會下降，為了阻止電解質離子交換，玻璃介質 或陶瓷或其他抗腐蝕的高分子材料作為相鄰電池的阻擋層，同時每個 條狀單體DSSC電池需要為染料和電解液的填充備兩個開口 ，為了避免在玻璃基板上鑽許多洞帶來封裝的麻煩，在電池組件中設計一灌注槽，該槽可用來向各個條狀單體DSSC電池注入染料和電解質，電池組 件染料和電解質的灌注通過灌注槽左上方的一個小孔和右下方另一個 小孔進行，染料和電解質填充以後，灌注槽將被折斷，電池組件邊緣 所有小開口將被密封。 實施例l參見圖1，為本發明的串聯型結構太陽電池組件的基本結構示意 圖，由多個條狀單體DSSC電池串聯成大面積DSSC電池，串聯結構 大面積DSSC電池通過增加內部耐腐蝕互連條的連接，耐腐蝕互連條 是由採用高分子材料或玻璃或陶瓷等覆蓋電極表面作為保護膜形成的 電極保護膜和低電阻電極接線柱組成；相鄰條狀單體DSSC電池的耐 腐蝕互連條，即被保護隔層如玻璃料保護的低電阻線是用絲網印刷法 鍍上去的。參見圖2和圖3，按照製作染料敏化單體太陽電池的工藝方法制 備Ti02膠體溶液並配成漿料，並準備鉑對電極、銀膠線、玻璃粉等絲 網印刷漿料，準備製備Ti02納米多孔薄膜，鉑對電極，銀膠線，玻 璃粉線等各功能層，(1)雷射切割透明導電層TCO，在預設位置刻出雷射刻槽21; (2)在上下兩塊基板上分別利用絲網印刷製備Ti02納米多孔薄膜， 鉑對電極，作為耐腐蝕互連條的銀膠線，作為保護隔層的玻璃粉線， 其中玻璃粉線作為銀膠線的保護隔層而分布在銀膠線的兩側；(3 ) 乾燥處理，每印刷完一功能層，樣品置於對流爐於100—150。C乾燥 處理10—15分鐘；(4)焙燒，樣品置於玻璃熔化爐在550—600。C 焙燒10—15分鐘；(5)焙燒後，將樣品對電極與作為工作電極的納米氧化物薄膜對準，在620—650。C高溫下進行玻璃粉線熔化、嚴密 密封銀線，只要玻璃粉線寬和厚度與銀膠線的線寬和厚度匹配，在玻 璃粉線熔化、冷卻後會自然形成Z型電極接線柱或Z型互連條，此串 聯型電池組件設計中，死區為玻璃粉線/銀膠線/玻璃粉線，寬度為 2mm; (6)利用氣壓系統6—8Bar，室溫下從灌注槽泵入染料，染料 注入時間大約為1.5—2.5h; (7)室溫下從灌注槽泵入液態電解質，並 保持持續泵入1-1.5分鐘，去除染料渣子，然後停止泵入，讓電解質 保持在電池組件中，如果是採用離子電解質，樣品需加熱到70。C，以 減少電解質的粘度，再灌入離子電解質；(8)折斷灌注槽，利用玻璃 料或陶瓷材料或高分子材料，如密封Surlyn^ Dupont密封電池組件邊 緣所有小開口，玻璃基板的面積為30x30cm2，主動面積為505.5
實施例2
參見圖4a、 4b，為本發明的串聯型結構太陽電池組件的基本結 構示意圖，由多個條狀單體DSSC電池通過低電阻柵網電極並聯成大 面積電池，低電阻柵網電極通過絲網印刷製備，同時利用高分子材料 或玻璃或陶瓷等材料覆蓋電極表面以實現對電極的保護，製備成內部 並聯的大面積DSSC。
按照製作染料敏化單體太陽電池的工藝方法製備Ti02膠體溶液並 配成漿料，並準備鉑對電極、銀膠、玻璃粉等絲網印刷漿料，在玻璃 基板相應位置處準備製備包括Ti02納米多孔薄膜，鉑對電極，銀膠線 的各功能層。
(l)透明導電TCO玻璃清洗，TCO依次用丙酮、酒精、去離子水 分別超聲清洗15分鐘，再用純氮吹乾；(2)絲網印刷各功能層，包括納米Ti02薄膜、鉑對電極層、銀膠柵網電極；(3)乾燥處理，每印 刷完一功能層，樣品置於對流爐於100—150。C乾燥處理10—15分 鍾；(4)焙燒處理，樣品置於玻璃熔化爐在450—600。C焙燒IO— 15分鐘；(5)利用自準、定位系統將封裝箔墊片轉移到TCO玻璃 上，並覆蓋住電流收集柵網電極，如圖4(b)所示；(6)注入染 料；(7)利用真空層壓機將作為工作電極的納米Ti02薄膜和鉑對電 極對準並壓在一起製備電池模塊；(8)灌入電解質並密封液體流入 和流出開口； (9)焊接引線，然後放置在聚氨脂邊框裡，完成封裝 和製備過程。
權利要求
1、一種大面積納米薄膜太陽能電池的製造方法，將包括覆在玻璃(1)上的透明導電層TCO(2)、納米氧化物薄膜(3)、染料、電解質、對電極(4)的單體染料敏化太陽能電池DSSC進行串並聯後封裝，其特徵在於單體DSSC製成條狀，採用耐腐蝕互連條(6)將條狀的單體DSSC串聯成實用化的大面積太陽能電池，耐腐蝕互連條(6)兩側分別採用環氧樹脂類高分子材料或玻璃或陶瓷材料的封裝材料設一保護隔層(7)，或採用絲網印刷法製備的低電阻柵網電極(41)，並在低電阻柵網電極(41)表面覆蓋高分子材料或玻璃或陶瓷材料作為保護膜(43)，然後採用覆蓋有保護膜(43)的低電阻柵網電極(41)將多個條狀的單體DSSC並聯成大面積的太陽能電池，內部為串聯或並聯的大面積太陽能電池一側玻璃(1)與TCO(2)的接觸面設一灌注槽(33)，並在大面積太陽能電池一端的灌注槽(33)處及大面積太陽能電池另一端均設一灌注口(32)，從灌注槽(33)通過灌注口(32)向儲液室(5)泵入電解質和染料後，折斷灌注槽(33)，然後在大面積太陽能電池的外端採用環氧樹脂類高分子材料或玻璃或陶瓷材料進行密封。
2、 如權利要求1所述的一種大面積納米薄膜太陽能電池的製造方 法，其特徵在於所述的耐腐蝕互連條是在低電阻電極表面覆蓋環氧 樹脂類高分子材料或玻璃或陶瓷材料作為電極保護膜。
3、 如權利要求1所述的一種大面積納米薄膜太陽能電池的製造方 法，其特徵在於所述的透明導電層TCO是採用磁控濺射或真空蒸發 或旋塗或超聲鍍的方法將透明導電薄膜SnO: F或透明導電薄膜ZnO:Al或透明導電薄膜ITO做為導電層製備到透明導電玻璃上而成的。
4、 如權利要求1所述的一種大面積納米薄膜太陽能電池的製造方法，其特徵在於所述的納米氧化物薄膜採用氧化物半導體Ti02或ZnO或SnO^In203o
5、 如權利要求1所述的一種大面積納米薄膜太陽能電池的製造方法，其特徵在於所述的電解質採用以r/i3—1為氧化還原對的液態電 解質，或採用以r/:u—'為氧化還原對的準固太電解質，或採用以r/i3一 '為氧化還原對的離子電解質，或採用以r/i,1為氧化還原對的固態復 合電解質。
6、 如權利要求i所述的一種大面積納米薄膜太陽能電池的製造方 法，其特徵在於所述的對電極採用鉑或碳納米管或碳納米纖維或碳 黑電極。
7、 如權利要求i所述的一種大面積納米薄膜太陽能電池的製造方法，其特徵在於所述的低電阻柵網電極是採用Pt或Au或Ag或Ti 或Ni或Mo材料通過磁控濺射或真空蒸發或化學鍍或電化學鍍或絲網印刷或浸鍍或旋塗或超聲鍍方法製備而成的。
8、 如權利要求2所述的一種大面積納米薄膜太陽能電池的製造方 法，其特徵在於所述的低電阻電極是採用Pt或Au或Ag或Ti或Ni 或Mo材料通過磁控濺射或真空蒸發或化學鍍或電化學鍍或絲網印刷或 浸鍍或旋塗或超聲鍍方法製備而成的。
全文摘要
本發明涉及太陽能電池技術領域，具體的說是一種大面積納米薄膜太陽能電池的製造方法，其特徵在於單體DSSC製成條狀，採用耐腐蝕互連條將條狀的單體DSSC串聯成大面積太陽能電池，耐腐蝕互連條兩側分別設一保護隔層，或採用絲網印刷法製備的低電阻柵網電極，並在低電阻柵網電極表面覆蓋保護膜，然後採用覆蓋有保護膜的低電阻柵網電極將多個條狀的單體DSSC並聯成大面積的太陽能電池，大面積太陽能電池一側玻璃與TCO的接觸面設一灌注槽，並在大面積太陽能電池一端的灌注槽，從灌注槽泵入電解質和染料後，折斷灌注槽，然後進行密封。與現有技術相比，本發明簡化了封裝工藝、降低了成本，保證了產品的長壽命、高穩定性。
文檔編號H01M14/00GK101241956SQ20081003255
公開日2008年8月13日 申請日期2008年1月11日 優先權日2008年1月11日
發明者卓 孫, 李曉冬, 黃素梅 申請人:上海納晶科技有限公司