用於製造光電化學器件的子組件和生產該子組件的方法

2023-08-10 23:27:31

專利名稱：用於製造光電化學器件的子組件和生產該子組件的方法
技術領域：
本發明涉及用於製造光電化學器件的子組件和生產該子組件的方法。在一種形式 中，該子組件(assembly)包括介孔(meso-porous)TiO2膜並且用於製造太陽能電池。

發明內容
本發明的第一方面提供了一種用於製造光電化學器件的子組件，該子組件包括 第一層，所述第一層包括半導體材料；第二層，所述第二層可導電；並且其中所述第二層支 撐所述第一層。所述第二層可以採用金屬網的形式。所述第二層可以採用多孔箔片的形式。所述第一層可以包括氧化物顆粒。所述第一層可以包括TiO2、Fe203、ZnO、Sn2O3和WO3中的任何材料。所述子組件還可以包括被布置在所述第一層和第二層之間的中間層。所述中間層包括如下材料中的任何材料Ti02、ZrO2或其他氧化物材料；金剛石； 半金屬、金屬(和多金屬)的氮化物、氧化物、硼化物、磷化物、矽化物比如鈮、鉬、鉭、鎢或釩 的矽化物、以及它們的組合；氮氧化合物；氮化鈦(TiN)；氮化鋯；碳化硼；惰性金屬如Ti、W 和稀有金屬(貴金屬)如Pt、Rh、Pd。本發明的第二方面提供了一種生產用於製造光電化學器件的子組件的方法，該方 法包括如下步驟在載體片材上使第一層與第二層結合；所述第一層包括氧化物顆粒；所 述第二層可導電；以及移除所述載體片材。所述第一層可以被施加(apply)於所述載體片材上，然後所述第二層可以接著被 施加於所述第一層上。所述第二層可以被施加於所述載體片材上，然後所述第一層可以接著被施加於所
述第二層上。可以通過塗覆溶液而施加所述第一層。所述溶液可以包括分散劑。所述溶液可以包括粘結劑。所述溶液可以包括增塑劑、脫泡劑、增稠劑或溼潤劑中的任何溶液。所述第一層的厚度在5um(微米)至IOOum範圍內。所述第一層的厚度在IOum至IOOum範圍內。所述第一層的厚度在5um至20um範圍內。所述層通過中間層而被結合。所述中間層可以包括如下材料中的任何材料Ti02、ZrO2或其他氧化物材料；金剛 石；半金屬、金屬(和多金屬)的氮化物、氧化物、硼化物、磷化物、矽化物比如鈮、鉬、鉭、鎢 或釩的矽化物、以及它們的組合；氮氧化合物；氮化鈦(TiN)；氮化鋯；碳化硼；惰性金屬如 Ti、W和稀有金屬(貴金屬)如Pt、Rh、Pd。
所述方法還包括步驟烘焙(fire)所述子組件。所述第一層可以包括TiO2、Fe203、ZnO、Sn2O3和WO3中的任何一種。所述方法還包括步驟向所述載體片材施加分離劑。


現在將參考附圖僅通過示例說明本發明的實施方式，在附圖中圖1為根據本發明實施方式的用於形成子組件的第一步的示意性側視圖；圖2示出了第二步並且示出了隨後施加到圖1所示構造上的金屬網；圖3示出了圖2中移除了承載膜後的構造；圖4是圖3的子組件的俯視圖；圖5和圖6示出了圖1至圖3說明的方法的變形；圖7是圖6所示子組件的俯視圖；圖8至圖11示出了本發明方法的另一實施方式中的步驟；圖12示出了使用圖3所示的子組件製造的太陽能電池。
具體實施例方式本發明包括被施加到金屬網或金屬柵格上、然後被烘焙的薄的二氧化鈦膜。結果 是在金屬網或金屬柵格上產生預燒結的二氧化鈦層。所述網或者柵格的存在使得不需要在 隨後的用於製造光電化學器件如太陽能電池的處理步驟中將TCO或任何導電性塗層施加 到膜的附近。其中處理步驟用於製造比如太陽能電池的光電化學器件。由此，能夠使用簡 單的透明密封層。另外，該子組件能夠形成太陽能電池的工作電極，衝擊所述電池的光不需 要在衝擊所述工作電極之前穿透電解質層，由此改進了電池效率。所述網還允許容易地處 理所述膜(例如，用於傳送到其他的基板上)。這樣的膜能夠在相對較低的溫度下被施加到 塑料基板上，如施加到PET或PEN膜上。本發明的一個優點在於製備膜和烘焙膜的步驟與施加膜的處理分離。由此，本發 明的方法允許器件製造處理中的更大的靈活性和簡易性、在相對低的溫度下易於操作用於 傳送到其他支撐體上如聚合體膜上的材料、一次處理較大的表面區域和方便地傳送預製的膜。現在將說明用於形成根據本發明的子組件的兩個處理過程。實施方式1參考圖1，在承載膜或承載箔片14(纖維素乙酸酯、邁拉(Mylar，聚酯薄膜的商品 名))上通過塗覆處理如刮片(doctor blade)處理(流延鑄塑(tape casting))製備綠色 (未烘焙)TiO2膜12。TiO2溶液包括TiO2粉末、分散劑、粘結劑和增塑劑，使得所述膜能夠 被鑄塑成非常小的厚度(IOum至IOOum)並且在乾燥後從所述承載體脫離。通常的膜厚度是 大約IOum至20um。參考圖2，金屬網16或金屬柵格被置於膜12上，並且施加較小的壓力 以使所述網部分地嵌入所述膜中，所述金屬網16或金屬柵格是基於金屬如鋼、不鏽鋼、Ti、 Mo、W的，表面由這些金屬修飾和表面塗覆這些金屬或具有適當厚度的(根據實際應用)其 他導電材料如TiN。所述網由鋼絲形成且厚度在IOum至50um之間。可選地，可以通過薄的中間層來改進網12以提供改進的粘結特性和/或電氣接觸
5特性。所述中間層可以由TiO2、&O2或其他氧化物材料；金剛石；半金屬、金屬(和多金屬) 的氮化物、氧化物、硼化物、磷化物、矽化物比如鈮、鉬、鉭、鎢或釩的矽化物、以及它們的組 合；氮氧化合物；氮化鈦(TiN)；氮化鋯；碳化硼；對光電化學器件的其他部件(對光電化學 器件而言意圖使用這些其他部件)呈現惰性的金屬如Ti、W、Mo ；稀有金屬如Pt、Rh、Pd。所述中間層可用於在製造太陽能電池時保護膜層不受電解液的傷害。所述中間層 可以被製成稠密的膜。參考圖3和圖4，在氧化層乾燥後，移除塑料承載體14，並且根據需要(以金屬網 能夠承受的任何溫度)烘焙(所述網在下方(meshdown))金屬網16和膜12以從膜12中 移除有機物。由於要求相對高的孔隙度，因此僅發生非常小的收縮，消除了在適當的烘焙狀 態下在所述網的未支撐區域發生所述膜破裂的危險。結果是生成了子組件10，該子組件10 隨後能夠用於製造光電化學器件，比如太陽能電池、雜質的光電化學分離器、光化學水處理 器、電致變色器件和傳感器。參考圖5、圖6和圖7，在本實施方式的變形中，使用多孔箔18來替代網12。製造 步驟與參考圖1至圖4說明的步驟相同。所產生的子組件以附圖標記20表示。實施方式2參考圖8和圖9，金屬網16或金屬柵格被置於塑料承載體14上以確保精確的平面 度，所述金屬網16或金屬柵格是基於如鋼、不鏽鋼、Ti、Mo、W的，表面由這些金屬修飾和表 面塗覆有這些金屬或者具有適當厚度的導電材料如TiN。然後，包括TiO2粉末、分散劑、粘 結劑和增塑劑的TiO2溶液通過塗覆處理如刮片處理(流延鑄塑)被沉積到所述網上。根 據特定應用的需求，該溶液以這種方式被鑄塑，即，使得最終的乾燥的膜12的厚度與所述 網的厚度相同，或者略大於所述網的厚度。然後，所述塑料承載體14被移除並且網16和膜12被烘焙以生產出附圖標記30 所示的子組件。參考圖10和圖11，在本實施方式的變形中，使用多孔箔片18來代替網12。其制 造步驟與參考圖8和圖9所說明的步驟相同。用於所述多孔箔片的可用材料與用於所述網 的可用材料相同。所產生的子組件用附圖標記40標記。在烘焙之後，網12或者箔片18的固態結構使得易於操作。具體的尺寸可能被切割 (建議採用雷射切割以減少處理中的振動應力)出並應用到聚合物基板膜如PET或者PEN。 可選地，可以施加一些熱處理以優化兩種材料之間的接觸。根據本發明的實施方式的子組件能夠被容易地操作和輸送以在高速的卷到卷 (reel-to-reel)處理中用於對於染料敏感(dye-sensitised)的太陽能電池。然後，他們能 夠在室溫或與聚合物基板兼容的相對低的溫度下得以應用。在上述的實施方式的變形中，可以使用分離劑以有助於移除所述載體片材。在上述的實施方式的變形中，所述網可以由任意能夠承受熱處理步驟的導電材料 比如Mo、W或TiN形成。在上述的實施方式的變形中，所述膜可以通過熱處理、機械壓力、紫外光(UV)固 化或者使用粘結劑而附接到導電層。在上述的實施方式的變形中，用以形成所述膜層的溶液還可以包括脫泡劑、增稠 劑或溼潤劑。
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參考圖12，示出了使用子組件10構造成的太陽能電池100。電池100以如下方式 被構造成。首先，子組件被裝入基板105中，該基板105由透明聚合物如PET或PEN形成。 下部的玻璃基板101設置有導電層102。該導電層可以由導電性透明氧化物如IT0、FT0、以 及不與所述電池中的其他部件發生化學反應的任何材料形成。組件10的氧化物層通過適 當的染料(dye)感光，並且由連接有子組件10的上部基板105遮蓋。所述電池由側壁104 密封並且電解液106被注入到所述電池中。能夠看到，由箭頭標識的太陽光衝擊形成所述 電池的工作電極的子組件10。除非另外註明，這裡包含的對於現有技術的引用並不意味著認為該信息是公知技 術。最終，應理解在不偏離本發明的精神和範圍的前提下，可以對先前說明的部分進 行各種替換和添加。
權利要求
一種用於製造光電化學器件的子組件，包括第一層，所述第一層包括半導體材料；第二層，所述第二層可導電；並且其中所述第二層支撐所述第一層。
2.根據權利要求1所述的子組件，其特徵在於，所述第二層採用金屬網的形式。
3.根據權利要求1所述的子組件，其特徵在於，所述第二層採用多孔箔片的形式。
4.根據任一前述權利要求所述的子組件，其特徵在於，所述第一層包括氧化物顆粒。
5.根據權利要求4所述的子組件，其特徵在於，所述第一層包括Ti02、Fe203>ZnO、Sn2O3 和TO3中的任何材料。
6.根據任一前述權利要求所述的子組件，其特徵在於，還包括被布置在所述第一層和 所述第二層之間的中間層。
7.根據權利要求6所述的子組件，其特徵在於，所述中間層包括如下材料中的任何材 料Ti02、Zr02或其他氧化物材料；金剛石；半金屬、金屬(和多金屬)的氮化物、氧化物、硼 化物、磷化物、矽化物比如鈮、鉬、鉭、鎢或釩的矽化物、以及它們的組合；氮氧化合物；氮化 鈦(TiN)；氮化鋯；碳化硼；惰性金屬如Ti、W和稀有金屬如Pt、Rh、Pd。
8.—種生產用於製造光電化學器件的子組件的方法，該方法包括如下步驟在載體片材上使第一層與第二層結合；所述第一層包括氧化物顆粒；所述第二層可導電；以及移除所述載體片材。
9.根據權利要求8所述的方法，其特徵在於，所述第一層被施加於所述載體片材上，然 後所述第二層接著被施加於所述第一層上。
10.根據權利要求8所述的方法，其特徵在於，所述第二層被施加於所述載體片材上， 然後所述第一層接著被施加於所述第二層上。
11.根據權利要求8所述的方法，其特徵在於，通過塗覆溶液而施加所述第一層。
12.根據權利要求11所述的方法，其特徵在於，所述溶液包括分散劑。
13.根據權利要求11所述的方法，其特徵在於，所述溶液包括粘結劑。
14.根據權利要求11所述的方法，其特徵在於，所述溶液包括增塑劑、脫泡劑、增稠劑 或溼潤劑中的任何溶液。
15.根據權利要求8至14中的任一項所述的方法，其特徵在於，所述第一層的厚度在 5um至IOOum範圍內。
16.根據權利要求8至14中的任一項所述的方法，其特徵在於，所述第一層的厚度在 IOum至IOOum範圍內。
17.根據權利要求8至14中的任一項所述的方法，其特徵在於，所述第一層的厚度在 5um至20um範圍內。
18.根據權利要求8至17中的任一項所述的方法，其特徵在於，所述層通過中間層而被糹口口。
19.根據權利要求18所述的方法，其特徵在於，所述中間層包括如下材料中的任何材 料TiO2、&O2或其他氧化物材料；金剛石；半金屬、金屬(和多金屬)的氮化物、氧化物、硼化物、磷化物、矽化物比如鈮、鉬、鉭、鎢或釩的矽化物、以及它們的組合；氮氧化合物；氮化 鈦(TiN)；氮化鋯；碳化硼；惰性金屬如Ti、W和稀有金屬如Pt、Rh、Pd。
20.根據權利要求8至19中的任一項所述的方法，其特徵在於，還包括步驟烘焙所述 子組件。
21.根據權利要求8至20中的任一項所述的方法，其特徵在於，所述第一層包括Ti02、 Fe2O3> ZnO, Sn2O3 和 WO3 中的任何一種。
22.根據權利要求8至21中的任一項所述的方法，其特徵在於，還包括步驟向所述載 體片材施加分離劑。
全文摘要
本發明公開了一種用於製造光電化學器件的子組件，所述子組件包括第一層，所述第一層包括半導體材料；第二層，所述第二層可導電；其中，所述第二層支撐所述第一層。另外公開了生產該子組件的方法。
文檔編號H01L31/18GK101983410SQ200980112214
公開日2011年3月2日 申請日期2009年2月25日 優先權日2008年2月26日
發明者奧利維爾·貝婁娜, 西爾維亞·梅德林·塔洛克 申請人:戴索有限公司