CN101002292A - 光电化学光伏板及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种光电化学光伏板(PPP)，包括若干独立基片(1)和共用基片(2)，其中：基片是导电体，或至少部分被导电材料(3)覆盖；至少一个基片光学透明；在共用基片(3)和独立基片(1)之间具有光电化学光伏电池(PPC)，每个光电化学光伏电池包括光敏电极、反电极和电解质。
Description
技术领域
本发明涉及光电化学光伏电池(PPC)。更具体地，本发明涉及包括在一个光伏源中集成的多个PEC的大型光电化学光伏模块(柔性的和坚固的)。
在下文中的专利说明书中公开了PEC的实例：
US4927721，Photoelectrochemical cell；Michael Graetzel and PaulLiska，1990.
US5350644，Photovoltaic cells；Michael Graetzel，Mohammad KNazeeruddin and Brian O’Regan，1994.
US5525440，Method of manufacture of photo-electrochemical celland a cell made by this method；Andreas Kay，Michael Graetzel and BrianO’Regan，1996.
US5728487，Photoelectrochemical cell and electrolyte for this cell；Michael Graetzel，Yordan Athanassov and Pierre Bonhote，1998.
WO98/05084，Photoelectrochemical cell，S.Brodie et all.
US6297900-Electrophotochromic Smart Windows and Methods，Gavin Tulloch and Igor Skryabin，2000.
US6555741-Methods to Implement Interconnects in Multi-cellRegenerative Photovoltaic Photoelectrochemical Devices，G.Phani，I.Skryabin and J.Hopkins，2001
US6664623-Methods to Implement Sealing and ElectricalConnections to Single Cell and Multi-cell Regenerative PhotovoltaicPhotoelectrochemical Devices，G.Phani，J.Hopkins，D.Vitoorio，I.Skryabin，2002
背景技术
如以上专利中公开的光电化学光伏电池(PPC)通常制作成两个基片之间的叠层设置。在典型的设置中，至少一个基片对可见光透明，并包括透明支撑(通常对于坚固模块是玻璃，并且对于柔性模块是塑料)，且对该透明支撑涂布透明导电(TEC)涂层。另一基片不是必须对可见光透明。在现有技术中描述了适于非透明基片的各种材料，包括：
由玻璃、陶瓷或聚合物支撑的薄金属膜、
金属箔、
金属网、
碳基导体。
然而，通常包括金属氧化物的TEC涂层与普通金属导体相比具有较高的电阻率，对大面积电池引起较高的电阻损耗。从而，在实际应用中，这些电池组合成模块。
然而，由于必须维持均匀的模块厚度(通常20-50微米)，所以模块的尺寸受到限制。为了制作大的光伏光电化学板(PPP)，模块电连接并在两个另外的大长方块之间层压，其中两个大长方块之一是透明的(例如，参见澳大利亚外观设计号2093/2002)。然而，制造这样的板需要另外的制造装备和步骤。
本发明的目的
本发明的目的是提供具有成本效率的大尺寸光伏光电化学板。
发明内容
总的来说，本发明提供光电化学光伏板(PPP)，该PPP包括一个共用基片和若干独立基片。共用基片是导电体或至少部分地被导电材料覆盖。类似地，独立基片全部是导电体，或部分由导电材料覆盖。
在一个实施例中，共用基片对至少一部分太阳光辐射透明。
在另一实施例中，独立基片全部对至少一部分太阳光辐射透明。
在另外的实施例中，独立基片和共用基片(下文中称为基片)全部对至少一部分太阳光辐射透明。
在另外的实施例中，所述导电材料是透明导电体(TEC)，例如掺氟的氧化锡或氧化铟锡。
光电化学光伏电池(PPC)在共用基片和独立基片之间形成。每个PPC包括光敏电极、反电极和在光敏电极与反电极之间分布的电解质。光敏电极通常包括由薄染料层光敏化的纳米颗粒宽带半导体(例如二氧化钛)。
在一个实施例中，PPC的光敏电极由共用基片支撑，而PPC的反电极由独立基片支撑。
在另一实施例中，光敏电极中只有一些由共用基片支撑，而其余的光敏电极由独立基片支撑。
在实际实施本发明时，共用基片充分地大于每个独立基片，允许大量PPC在一个板上形成。尽管本发明对共用基片的形状没有特殊限制，矩形形状对于使用和制造有利，尤其是对于卷筒生产有利，这在共用基片和全部独立基片由柔性材料制成时是优选的。
在本发明的一个方面中，共用基片分成电隔离区域；每个区域与至少一个相邻的独立基片相对，并且PPC在独立基片和相对的共用基片的隔离区域之间形成。
在根据本发明的这方面的一个实施例中，至少一个基片由被透明导电体(TEC)覆盖的玻璃制成。
在根据本发明的这方面的另一个实施例中，至少一个基片由被TEC覆盖的聚合材料制成。
在另一实施例中，至少一个基片由金属或金属合金制成。优选的金属包括钛、钨、镍、锌或诸如不锈钢的合金。
在另一实施例中，至少一个基板由被不可渗透的氮化物(例如，TiN)覆盖的金属制成。
在另一实施例中，至少一个基片包括金属箔或金属网。
在另一实施例中，至少一个基片包括由金属覆盖或层压有金属箔的聚合物薄片。
在另一实施例中，共用基片包括由TEC覆盖的聚合材料，并且全部独立基片包括金属箔。
在优选实施例中，共用基片由被TEC覆盖的聚合材料制成，并且全部的独立基片包括金属箔，其中PPC的光敏电极形成在独立基片上，而反电极形成在共用基片上。
本发明提供多种形状和尺寸的独立基片，然而优选使用圆形的独立基片(和PPC电极)以最小化电阻损耗。圆形的另一优势是，对于给定面积的PPC电极周长最小，因为每个PPC需要沿着独立基片的周边密封。每个PPC的尺寸取决于导体的类型。独立基片的尺寸取决于选择的TEC材料的电阻率。已经发现如果TEC材料的电阻率大约为10Ohms/square，则对于全日光操作，每个PPC的直径必须不能超过10-15mm。
在优选实施例中，独立基片电连接到公共基片的选定电隔离区域。这允许PPC之间的电连接，以形成PPP的两端电源。有利地，以电源的负端和正端都位于共用基片上的方式连接PPC。
在本发明的另一方面，在至少一个基片上形成第二导电材料的图案。选择材料，使之具有比第一导电材料的电导率更高的电导率。第二导电材料提高基片的电导率而没有显著降低其光学透明度。第二导电材料的实例包括使用丝网印刷、真空掩模沉积、电镀等而在基片上沉积的金属(例如，Ag、Cu、Au)图样(track)。
在一个实施例中，导电材料由抛光或聚合材料的不可渗透保护层保护。当导电材料暴露到PPC的电解质时，保护特别重要。
在另一实施例中，其中通过以下方式改变第一导体材料的厚度，从而形成第二导电材料的图案，即，需要高透射比的基片区域(在光敏电极下或与光敏电极相对)由相对薄的TEC(第一导电材料)覆盖，而需要高电导率的基片其它区域由厚的导电材料或(第二导电材料)覆盖。
根据本发明的另一方面，在共用或公共基片中制备小孔。孔用来采用电解质来填充电池。孔还由聚合材料，优选地由包括热熔聚合材料和金属箔的叠层密封。
从本发明的另一方面，共用基片的至少一个隔离区域还再分成电隔离子区域，并且相对的独立基片也分成电隔离子区域，每个PPC形成在两个对着的子区域(一个在共用基片上，另一个在独立基片上)的部分之间，并且相邻的PPC由互连材料串联地电互连。
为了能串联连接电池，互连材料被放置在与第n个PPC的光敏电极相邻的子区域的分离部分和与第n+1个PPC的反电极相邻的子区域的分离部分之间。
在一个实施例中，互连材料包括金属粒子和/或石墨片。
在另一实施例中，互连材料包括金属线、金属丝编织层或金属丝辫。
在另一实施例中，电互连材料包括金属网。
在另一实施例中，通过嵌入导电成分的不可渗透的电绝缘材料，优选为聚合材料，来保护互连材料免于PPC的电解质。
在优选实施例中，聚合材料是热熔材料。
在一个处理中，绝缘的热熔材料由于在互连材料中生成的热而熔化并粘附到两个基片上。本发明使电流通过互连材料，以产生足以熔化和粘附热熔材料的热。在优选处理中，热是由电磁场的感应效应产生的。
这里主要关注当独立基片粘附到公共基片时在独立基片之间形成的空间。
在一个实施例中，这些空间采用气密密封材料而密封。
在另一实施例中，湿气吸收材料(例如分子筛)放置在这些空间中，以确保光电化学装置的长时间稳定。
在另一实施例中，采用与光电化学电池中的电解质相同化学性质的溶剂来全部填充或部分填充这些空间。这用于最小化由电池中的溶剂损失而产生的长期退化效应。
附图说明
已经大体描述了本发明的性质，以下将仅通过实例和示例的方式来说明本发明的实施例。在下文的描述中，将参照附图，其中：
图1是根据本发明的第一实例形成的PPP的3D示意图。
图2是根据本发明的第一实例形成的光电化学光伏板的部分放大横剖面。
图3是根据本发明的第二实例形成的PPP的部分放大横剖面视图。
图4是根据本发明的第二实施例形成的PPP的部分平面图。
图5是根据本发明的第三实例形成的柔性共用基片的3D示意图。
图6是根据本发明的第三实例形成的柔性PPP的3D示意图。
具体实施方式
参照图1，示出了PPP的3D示意图。板包括12个独立基片2和共用基片1。这些基片被TEC(掺氟的氧化锡)层3覆盖。透明导电体3的电隔离区域是通过沿着隔离线4去除导体而形成。该步骤利用激光辐射，并可应用到所有的基片；从图1中的3D显示只能看到共用基片上的这些线。PPC在公共基片的隔离区域5的部分之间形成，并面对隔离基片的隔离区域。PPC互连形成PPP的双端子电力输出端，端子通过沉积银母线6而形成。还示出了平面A，图2中示出了平面A的横剖面。
参照图2，示出了包括三个独立玻璃基片的横剖面。共用基片2(也是玻璃)和独立基片1被TEC层3覆盖。通过沿着线4去除TEC材料而形成电隔离区域。使用标准丝网印刷技术在独立基片1的电隔离区域的部分上形成反电极7(超薄层的基于Pt的催化剂)。在共用基片2的隔离区域3a的部分上形成光敏电极8。光敏电极8包括由Ru基染料光敏化的二氧化钛的纳米颗粒层(15微米厚)。二氧化钛的纳米颗粒层的形成(通过丝网印刷，再接着烘烤)和光敏化根据现有技术中已知的标准步骤执行。PPC通过互连材料9而互连，该材料9包括W颗粒，该W颗粒嵌入到硅基格板，并由氧化还原电解质10通过公用基片(未示出)中的小填充孔而充满。外部的负和正端8通过使用Ag母线而形成。
参照图3，第二实例的横剖面视图仅示出一个独立基片1。该图中带有附图标记的元件与图1和图2中的一致。该实例与本发明的第一实例不同之处在于这里光敏化电极在独立基片上形成，而反电极形成在公共基片上。
参照图4，呈现了仅示出1个独立基片的PPP的部分平面图。另外，示出了密封材料11和填充孔12。这些孔用于采用电介质对电池进行真空反向填充(vacuum back filling)。
参照图5，根据本发明的第三实例制备共用柔性基片2。基片包括由透明导电体3覆盖的塑料薄片。透明导电体3由隔离线4分成四个电隔离区域。如图中所示，为提高TEC材料的电导率并提供电连接，将四个Ag母线6沉积到TEC上。在共用基片的三个(四个中的三个)隔离区域的部分上，形成圆形的反电极7，从而在三个隔离区域的每个中形成8个等间距的反电极。这在将并联连接的共用基片的每个隔离区域中设置8个PPC。如图6中进一步示出，每组8个PPC的三组将串联连接。
参照图6，根据本发明的第三实例制备柔性PPP。本发明利用预制共用基片(如图5中详细所示)和24个独立基片1。每个独立基片包括Ti箔，在Ti箔上形成光敏电极。独立基片以这样的方式与共用基片密封，即使得独立基片的光敏电极对着共用基片的反电极。通过采用氧化还原电解质来填充光敏电极和对着的反电极之间的空间而形成24个PPC。电池通过外部电连接器13而并联连接成三组，并通过电跳线14而串联(成三组)。也示出了PPP的正和负电端子。
Claims (32)
1.一种光电化学光伏板(PPP)，包括多个独立基片和一共用基片(多个基片)，其中
所述基片是导电体，或至少部分被导电材料覆盖；
至少一个基片对于太阳光辐射的至少一部分基本透明(光学透明)；
光电化学光伏电池(PPC)，其每个包括光敏电极、反电极和在所述光敏电极之间分布的电解质，所述PPC形成在所述共用基片和所述独立基片之间。
2.根据权利要求1所述的PPP，其中至少一个基片包括被透明导电体(TEC)覆盖的光学透明材料。
3.根据权利要求2所述的PPP，其中所述光学透明材料包括玻璃或塑料。
4.根据权利要求2和权利要求3所述的PPP，其中所述TEC包括掺氟的氧化锡、氧化铟锡或金属网。
5.根据权利要求1所述的PPP，其中所有所述基片是光学透明的。
6.根据权利要求1所述的PPP，其中所述共用基片包括金属薄片或箔，且所有所述独立基片是光学透明的。
7.根据权利要求1所述的PPP，其中所述独立基片包括金属薄片或箔，且所述共用基片是光学透明的。
8.根据权利要求1所述的PPP，其中所述光敏电极包括纳米颗粒宽带半导体(例如，二氧化钛)，所述纳米颗粒宽带半导体由薄层染料光敏化，并电连接到所述基片中的一个或其导电材料。
9.根据权利要求1所述的PPP，其中PPC的所述光敏电极由所述共用基片支撑。
10.根据权利要求1所述的PPP，其中PPC的所述光敏电极的至少一部分由所述共用基片支撑，而剩余PPC的光敏电极由所述独立基片支撑。
11.根据权利要求1所述的PPP，其中所述共用基片是矩形。
12.根据权利要求1所述的PPP，其中所述独立基片是矩形或圆形。
13.根据权利要求1所述的PPP，其中所述共用基片分成电隔离区域；每个区域与至少一个相邻的独立基片相对，且所述PPC形成在所述独立基片和所述共用基片的所述相对的隔离区域之间。
14.根据权利要求13、权利要求4和权利要求7所述的PPP，其中所述共用基片由被TEC覆盖的聚合材料制成，且所有所述独立基片包括金属箔，其中所述PPC的所述光敏电极形成在所述独立基片上，而反电极形成在所述共用基片的所述电隔离区域的部分上。
15.根据权利要求14所述的PPP，其中所述独立基片电连接到公共基片的选定电隔离区域。
16.根据权利要求2所述的PPP，其中TEC材料的电导率通过施加第二导电材料的图案而被提高。
17.根据权利要求16所述的PPP，其中所述第二导电材料的所述图案包括在TEC层上形成的金属图样。
18.根据权利要求17所述的PPP，其中所述金属图样由抛光或聚合材料的不可渗透保护层保护。
19.根据权利要求16所述的PPP，其中通过以下方式增加TEC涂层的厚度，以形成所述第二导电材料，即所述基片的需要高透射比的区域(在所述光敏电极下方或与所述光敏电极相对)由相对薄的TEC(所述第一导电材料)覆盖，而所述基片的需要高电导率的其它区域由厚的TEC(第二导电材料)覆盖。
20.根据权利要求13所述的PPP，其中在所述独立和/或共用基片中制备小孔；所述孔用来采用所述电解质填充PPC。
21.根据权利要求20所述的PPP，其中在采用所述电解质填充所述PPC后，所述孔由聚合材料密封。
22.根据权利要求21所述的PPP，其中所述聚合材料包括层压有金属箔的热熔材料。
23.根据权利要求13所述的PPP，其中所述共用基片的至少一个隔离区域进一步被再分成电隔离子区域，且所述相对的独立基片也被分成电隔离子区域，每个所述PPC形成在两个相对的子区域(一个在所述公共基片上，另一个在分离的基片上)的部分之间，并且所述相邻的PPC由互连材料串联地电互连。
24.根据权利要求23所述的PPP，其中所述互连材料被置于与第n个所述PPC的光敏电极相邻的所述子区域的分离部分和与第n+1个PPC的反电极相邻的所述子区域的分离部分之间。
25.根据权利要求23所述的PPP，其中所述互连材料包括金属粒子和/或石墨片。
26.根据权利要求23所述的PPP，其中互连材料包括金属线、金属网、金属丝编织层或金属丝辫。
27.根据权利要求25或26所述的PPP，其中通过嵌入有所述导电成分的不可渗透电绝缘材料，优选为聚合材料，来保护所述互连材料免受PEC的电解质影响。
28.根据权利要求27所述的PPP，其中所述聚合材料是热熔材料。
29.根据权利要求28所述的PPP，其中所述热熔材料由于在所述互连材料中生成的热而熔化并粘附到所述相对的基片上。
30.根据权利要求29所述的PPP，其中所述热是由电磁场的感应效应产生的。
31.根据权利要求13所述的PPP，其中当所述独立基片连接到所述共用基片时在所述独立基片之间形成的空间利用气密密封材料密封。
32.根据权利要求31所述的PPP，其中所述空间填充有诸如分子筛的湿气吸收材料。
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