CN101232052A

CN101232052A - 染料敏化太阳能电池模块

Info

Publication number: CN101232052A
Application number: CN 200810010368
Authority: CN
Inventors: 杨希川; 陈瑞奎
Original assignee: DALIAN HEPTACHROMA SOLARTECH Co Ltd
Current assignee: DALIAN HEPTACHROMA SOLARTECH Co Ltd
Priority date: 2008-02-01
Filing date: 2008-02-01
Publication date: 2008-07-30

Abstract

一种染料敏化太阳能电池模块，属于光电转换的器件技术领域，包括第一电极、第二电极，第一电极和第二电极相对间隔设置，周边密封形成封闭的腔体，在所述腔体中填充有电解质；第一电极工作区域一侧设置纳米多孔半导体薄膜，所述纳米多孔半导体薄膜浸渍有光敏染料，第二电极工作区域一侧设置催化剂层；所述的第一电极和第二电极至少有一个是透明的；其特征是，至少在一个电极上设有一个或多个小孔，小孔的周边密封，从小孔内对电极上引出工作电流。本发明增加了电池的有效工作面积；同时由于避免了金属栅电极的保护，降低了电解质渗透性腐蚀的可能性，使电池的安全系数大大提高；因而扩大了密封材料的选择范围。

Description

染料敏化太阳能电池模块

技术领域

本发明涉及一种光电转换的器件，特别是一种染料敏化太阳能电池模块。

背景技术

染料敏化太阳能电池，由于其结构简单、成本低廉且光电转换效率较高而受到关注。现有技术的染料敏化太阳能电池模块一般包括以下几个主要部分：吸附了光敏染料的纳米多孔半导体薄膜和透明导电基板组成的第一电极、与之相对且间隔开的含催化层的第二电极、两电极之间填充的电解质、以及密封材料。两电极中至少包含一个透明电极以保证电池对光的吸收，通常使用透明导电性基板为导电玻璃或柔性透明导电膜。电解质材料通常为含有碘电对的有机溶液。

由于半导体电极具有粗糙因子大于1000的大比表面积多孔膜结构，可以大大提高染料对光的吸收效率。目前，该类电池的光电转换效率达到了11％以上。因为在染料敏化太阳能电池的生产中，不一定需要使用复杂的、大规模制造设备，同时避免了高温或者高真空等高能耗过程，据估计，染料敏化太阳能电池的生产成本为硅系太阳能电池的1/10～1/5。染料敏化太阳能电池作为下一代的廉价大规模生产的太阳能电池成为可能。

电池生产中所使用的透明导电性基板，一般为包覆了掺锡氧化铟(ITO)或掺氟氧化锡(FTO)等透明导电膜的玻璃基板或其它柔性透明材料，ITO或FTO层可以通过溅射法或CVD法进行制备。但是，ITO或FTO的电阻率为10^-4～10^-3Ω·cm左右，是银、铜等金属电阻率的100倍左右。因此，市售的透明导电基底具有较高的电阻值，在用于染料敏化太阳能电池时，特别是大面积的电池模块的时候，光电转换效率下降明显。可以考虑通过提高透明导电层(ITO或FTO等)的厚度来降低透明导电基底的电阻。但是，导电层厚度的增大会导致其对光的吸收率增大，同样会降低太阳能电池的光电转换效率。

为了解决这一问题，目前常用的方法是通过在导电基底设置金属或其它高电导率材料作为栅电极，并通过大量的金属栅电极将大面积电池分割为若干个长条状单电池，减少电子在导电膜中传输的距离，提高电池的性能。金属栅电极所用材料通常为银、铜、镍等金属，并通过印刷或电镀的方法进行制备。但是，必须在金属栅电极的表面设置另外一层绝缘屏蔽层，以防止电解液对栅电极金属的腐蚀。如中国专利ZL200410014456.X公开了该种结构的内部并联大面积电池的制备方法，利用高分子材料、高分子粘合剂、或玻璃材料、或陶瓷材料进行栅电极的保护和电池的密封。该方法带来的显著问题包括一下几个部分：首先，透明基底上制备的大量栅电极和屏蔽层阻挡了光线的入射，大大降低了透明电极窗体的光利用率；文献(大面积染料敏化太阳电池的实验研究，翁坚/肖尚锋/陈双宏/戴松元，物理学报；2007年，56卷，第六期，3602-3606)报道了使用上述结构的15×20cm电池模块，其有效面积仅187.2cm²，其窗体开口率仅为62.4％；其次，该屏蔽层必须将栅电极金属完全致密的包覆，微小的瑕疵将会使栅电极发生渗透性腐蚀，导致整个电池模块的失效，使电池的废品率大大提高；另外，这种方法使电池的内部结构变的复杂，不利于控制电池的生产成本。

中国专利CN1755948A以及CN1674303A也公开了类似的结构，其专利公开的内容在此引用。

发明内容

本发明的目的是提供一种染料敏化太阳能电池模块结构，本发明的染料敏化太阳能电池模块避免了栅电极的制备和保护，从而使电池模块具有更大的有效面积，同时扩大了材料的选择范围。

本发明的另外一个目的是提供了一种大面积并联/串联染料敏化太阳能电池。

本发明具体采用如下技术方案：

一种染料敏化太阳能电池模块，包括第一电极、第二电极，第一电极和第二电极相对间隔设置，周边密封形成封闭的腔体，在所述的腔体中填充有电解质；所述第一电极工作区域一侧设置纳米多孔半导体薄膜，所述纳米多孔半导体薄膜浸渍有光敏染料，所述第二电极工作区域一侧设置催化剂层；所述的第一电极和第二电极至少有一个是透明的；其特征是，至少在一个电极上设有一个或多个小孔，小孔的周边密封，从所述的小孔内将对电极的工作电流引出。

本发明可以在其中一个电极上设置小孔，开孔的电极可以是透明电极，也可以是不透明电极。透明电极的基板一般是导电玻璃，考虑到在上面开孔的难度以及开孔后可能降低其机械物理性能，因此，本发明优选在不透明电极上预留小孔，具体的技术方案是：

所述的第一电极和第二电极有一个是不透明的，仅在不透明的电极上设有一个或多个小孔。所述的不透明电极是不锈钢板、钛板、镍板、碳板、镀镍钢板、镀镍铁板、镀钛铁板、镀钛钢板、不锈钢塑料复合板。

应当这样认为，只要同时具备：1)是电的良导体；2)能够耐受电解质的腐蚀的材料均可以作为不透明电极。

本发明的电池模块结构也可以是两个电极都是透明的，此时，仅在一个电极上预留小孔时，优先的技术方案是：所述的第一电极和第二电极都是透明的，仅在其中一个电极上设有一个或多个小孔，每个小孔内设有导电膜孤岛，导电膜孤岛与开孔电极电气联接，从小孔内导电膜孤岛与背电极上分别引出工作电流。

设置导电膜孤岛是为了使引出工作电流更加方便，在某些情况下(例如：小孔的尺寸足够大，能够方便的引出工作电流)，本发明也可以这样设置：所述的第一电极和第二电极都是透明的，仅在其中一个电极上设有一个或多个小孔，小孔在密封时，开孔电极预留出足够面积用来引出电流，电池的另一极从小孔内将工作电流引出。

本发明也可以在两个电极都设有小孔，具体的技术方案是：

在两个电极上都设有小孔，两个电极上的小孔位置错开；优选的方案是：在两个电极上都设有小孔，两个电极上的小孔相切，周边密封的截面为长圆孔。该方案的优点是：浪费的有效面积最少，且密封方便。

应当这样认为，小孔的位置设置原则上只要能够方便的从小孔内将对电极的工作电流引出即可。

考虑到电池模块的面积等因素，所述的电池模块可以设置1个(或1对)小孔，优选的方案是设置多个小孔，其排列方式是规则的或者其排列方式是不规则的。

所述太阳能电池模块的透明电极采用导电玻璃或者在透明塑料基板的表面覆有一层透明的导电膜；所述导电膜一般材质为掺锡氧化铟(ITO)、掺氟氧化锡(FTO)、ZnO-Ga₂O₃、ZnO-Al₂O₃或者SnO₂-Sb₂O₃等，所述导电膜可以通过溅射法、CVD法或其他技术进行制备。

所述的纳米多孔半导体薄膜的材质为Ti、Nb、Zn、Sn、Ta、W、Ni、Fe、Cr、V、Pm、Zr、Sr、In、Ir、La、Mo、Mg、Al、Y、Sc、Sm、Ga或其混合物的金属氧化物。薄膜厚度可在0.1微米至1毫米之间，其制备方法和现有技术相同；

所述催化剂层的的材质为Pt、Ru、Pd、Rh、Ir、Os、WO₃、TiO₂、石墨或它们的混合物，其制备方法和现有技术相同；

所述电解质液为液体电解质、离子液体电解质、类固体电解质、聚合物电解质、固体电解质中的一种；

所述的密封是采用适合的密封材料并选用合适的密封方法进行的，例如热塑性聚合物膜，如Surlyn。热塑性聚合物膜设置在两基片之间，并通过真空热压的方式将第一和第二电极密封。也可使用其它高分子粘结剂，例如硅橡胶、聚氨酯橡胶、UV固化胶，或玻璃材料、或陶瓷材料密封。

本发明的电池模块可以采用如下技术方案串联或者并联成大面积电池，具体是：

一种大面积串/并联染料敏化太阳能电池，包括第一基片，其特征是，第一基片是整板式结构，在第一基片上设置多个单元电池区域；第一基片作为单元电池的第一电极或第二电极与相对设置在单元电池区域的对电极形成如上所述的单元电池模块，单元电池模块相互之间的电气连接方式为串联或并联；所述的第一基片与单元电池区域的对电极至少有一个是透明的。

所述第一基片和单元电池区域的对电极有一个是不透明的，不透明部分的材质是不锈钢板、钛板、镍板、碳板、镀镍钢板、镀镍铁板、镀钛铁板、镀钛钢板、不锈钢塑料复合板中的一种。或者

所述的第一基片和单元电池区域的对电极都是透明的。

本发明所述的单元电池之间的导电膜通过激光刻蚀、化学腐蚀或者其他的现有技术断开电气连接。

本发明的制法具体包括如下步骤：

1)在透明导电基板或者耐腐蚀金属基板上，按照设计好的尺寸，通过转、磨、冲压、激光刻蚀或其他方法进行预留孔的制备后，将电极基板冲洗干净；

2)在第一电极基板上，通过丝网印刷、或喷涂、或溅射、或其他镀膜方法制备纳米或多孔半导体薄膜材料并烧结，通过浸渍使纳米或多孔半导体薄膜中均匀吸附染料；

3)在第二电极基板上，通过丝网印刷、或喷涂、或溅射、或其他镀膜方法制备催化层；

4)在预留孔的周围和电极的周边位置，通过印刷、或喷涂、或挤压、或其他方法把密封材料均匀置于设定位置，将两电极基板合上并密封；

5)将电解质通过真空或者手工方法注入，并密封注入孔；

6)将导线、或其他导电材料，经过电极预留孔，通过粘接、或焊接、或其他方法连接到另一电极的电流引出点上，将电流引出。

本发明中所述对电极是与开孔电极相对的另一电极。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)本发明可以大大增加电池的有效工作面积，根据制备精度，其窗体的开口率为85％～95％；

2)本发明的染料敏化太阳能电池制作简单，避免了金属栅电极的使用和保护，降低了电解质渗透性腐蚀的可能性，使电池的安全系数大大提高；

3)本发明扩大了密封材料的选择范围。

附图说明

图1是实施例1的正视图；

图2是图1的A向剖面结构放大示意图；

图3是实施例2的剖面结构示意图；

图4是实施例3的剖面结构示意图；

图5是实施例4的立体透视图；

图6是实施例4的剖面结构示意图；

图7是实施例5的结构示意图；

图8是实施例6的后视图；

图9是实施例7的主视图；

图10是实施例7的后视图；

图11是实施例8的后视图。

具体实施方式

实施例1

如图1、2所示，一种染料敏化太阳能电池模块，包括：第一电极、第二电极，第一电极包括不透明基片11，不透明基片11的工作区域一侧设置催化剂层16，不透明基片11的材质为是不锈钢板、钛板、镍板、碳板、镀镍钢板、镀镍铁板、镀钛铁板、镀钛钢板、不锈钢塑料复合板一种；第二电极包括透明基片12，透明基片12上覆有导电膜15，其工作区域一侧设置纳米多孔半导体薄膜17，纳米多孔半导体薄膜17浸渍有光敏染料，透明基片12的材质为玻璃或透明塑料。

第一电极和第二电极相对间隔设置，周边密封形成封闭的腔体18，在腔体18中填充有电解质。

在不透明基片11设置有小孔13；小孔13周边用密封材料14密封，从小孔内将第二电极上的工作电流通过电流引出点19引出。

实施例2

如图3所示，电池模块与实施例1结构基本相同，只是第一电极和第二电极都是透明的，第一电极的基片23的材质为透明塑料或玻璃，在第一电极上设置小孔13，小孔13周边用密封材料14密封；采用现有技术在小孔内基片12上的导电膜15刻蚀断形成导电膜孤岛21，采用导电材料22将导电膜孤岛21与第一电极基片11上的导电膜15联接；从小孔内导电膜孤岛21、第二电极电流引出点19分别引出两电极的工作电流。

实施例3

如图4所示，电池模块与实施例1结构基本相同，只是第一电极和第二电极都是透明的，第一电极的基片23的材质为透明塑料或玻璃，在第一电极上设置小孔13，小孔13周边用密封材料14密封；第一电极的工作电流利用导体材料41直接将电流由小孔13引出；第二电极上的工作电流通过电流引出点19引出。

实施例4

如图5、6所示，电池模块与实施例1结构基本相同，只是在第一和第二电极上都设有多个小孔，两个电极上的小孔相切，周边密封14的截面为长圆孔；

如图6所示，在第一电极设置小孔13，在第二电极上设置小孔33，小孔13和33相切，从小孔13中的第二电极、小孔33中的第一电极引出工作电流。

实施例5

如图7所示，电池模块结构与实施例4基本相同，只是小孔13与33的位置相错。

实施例6

如图8所示，一种大面积并联染料敏化太阳能电池，包括第一基片51，在第一基片51上设置多个单元电池区域54，第一基片51作为每个单元电池的透明电极，每个单元电池区域54的对电极52上设置一个或者多个小孔53，对电极52是不锈钢板、钛板、镍板、镀镍钢板、镀镍铁板、镀钛铁板、镀钛钢板、不锈钢塑料复合板中的一种。单元电池54之间的电气连接方式为并联。

单元电池54的剖面结构如实施例1至3中任一种所述。

实施例7

如图9、10所示，一种大面积并联染料敏化太阳能电池，包括第一基片62，在第一基片62上设置多个单元电池区域64，所述第二基片62是不透明的，材质为是不锈钢板、钛板、镍板、镀镍钢板、镀镍铁板、镀钛铁板、镀钛钢板、不锈钢塑料复合板中的一种。每个单元电池区域64都有对电极61，在与对电极61相对的第一基片62上设置一个或者多个小孔63，从小孔63内将第二电极61的工作电流引出。单元电池64之间的电气连接方式为并联。

单元电池64的剖面结构如实施例1至3中任一种所述。

实施例8

如图11所示，结构与实施例6基本相同，只是本实施例是串联的方式联接，将第一电极71上单元电池74周围的导电膜通过现有技术断开电气连接，第二电极72上设置多个小孔73，从每个小孔73内的第一电极71引出的电流，通过导线75汇总后与相邻单元电池的第二电极72’串联。

单元电池74的剖面结构如实施例1至3中任一种所述。

本发明的大面积串/并联电池的单元电池结构也可以是两面开孔的结构。

本发明上述的实施例是对本发明的说明而不能限制本发明，在与本发明权利要求书相当的含义和范围内的任何改变和组合，都应认为是在权利要求书的范围内。

Claims

1.一种染料敏化太阳能电池模块，包括第一电极、第二电极，第一电极和第二电极相对间隔设置，周边密封形成封闭的腔体，在所述腔体中填充有电解质；第一电极工作区域一侧设置纳米多孔半导体薄膜，所述纳米多孔半导体薄膜浸渍有光敏染料，第二电极工作区域一侧设置催化剂层；所述的第一电极和第二电极至少有一个是透明的；其特征是，至少在一个电极上设有一个或多个小孔，小孔的周边密封，从小孔内对电极上引出工作电流。

2.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池模块，其特征是，所述的第一电极和第二电极中有一个是不透明的，仅在不透明的电极上设有一个或多个小孔。

3.根据权利要求2所述的染料敏化太阳能电池模块，其特征是，所述的不透明电极是不锈钢板、钛板、镍板、碳板、镀镍钢板、镀镍铁板、镀钛铁板、镀钛钢板、不锈钢塑料复合板中的一种。

4.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池模块，其特征是，在两个电极上都设有小孔，两个电极上的小孔位置相互错开。

5.根据权利要求4所述的染料敏化太阳能电池模块，其特征是，在两个电极上都设有小孔，两个电极上的小孔相切，周边密封的截面为长圆孔。

6.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池模块，其特征是，所述的第一电极和第二电极都是透明的，仅在其中一个电极上设有一个或多个小孔，小孔内对电极上设有导电膜孤岛，导电膜孤岛与开孔电极电气联接，从小孔内导电膜孤岛与对电极上分别引出工作电流。

7.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池模块，其特征是，所述的第一电极和第二电极都是透明的，仅在其中一个电极上设有一个或多个小孔，从小孔内将开孔电极和对电极的电流引出。

8.一种大面积串/并联染料敏化太阳能电池，包括第一基片，其特征是，第一基片是整板式结构，在第一基片上设置多个单元电池区域；第一基片作为单元电池的第一电极或第二电极与相对设置在单元电池区域的对电极形成如权利要求1的单元电池模块，单元电池模块相互之间的电气连接方式为串联或并联；所述的第一基片与单元电池区域的对电极至少有一个是透明的。

9.根据权利要求8所述的大面积串/并联染料敏化太阳能电池，其特征是，第一基片和单元电池区域的对电极有一个是不透明的，不透明部分的材质是不锈钢板、钛板、镍板、碳板、镀镍钢板、镀镍铁板、镀钛铁板、镀钛钢板、不锈钢塑料复合板中的一种。

10.根据权利要求8所述的大面积串/并联染料敏化太阳能电池，其特征是，所述的第一基片和单元电池区域的对电极都是透明的。