CN101533721A - 一种染料敏化太阳能电池封装方法 - Google Patents

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王宁
李华伟
何泓材
韩黎
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Abstract

一种染料敏化太阳能电池封装方法，属于化工技术领域，涉及太阳能电池，具体涉及染料敏化太阳能电池的封装方法。本发明核心思想是采用有机高分子粘结剂和有机分散剂混合并溶于无水乙醇，得到粘性胶体B；然后加入玻璃粉，制得粘结用浆料C；采用刮涂法或者丝网印刷法在光阳极和对电极导电玻璃表面涂覆一层粘结用浆料C，然后经干燥处理后进行对接拼装，在高于步骤2所用玻璃粉熔点的温度条件下加热1~24小时，即可将染料敏化太阳能电池封装起来。采用本发明封装方法所封装的染料敏化太阳能电池，具有很好的热稳定性和化学稳定性，可以很好的解决电解液泄露问题，实现在不同环境下长时间稳定工作，使电池的光电转化效率无明显变化。

Description

一种染料敏化太阳能电池封装方法
技术领域
本发明属于化工技术领域，涉及太阳能电池，具体涉及染料敏化太阳能电池的封装方法。
背景技术
与具有明显地域限制的风能，水能，地热，潮汐等相比，太阳能的开发利用已经成为新能源开发领域的热点。首先太阳能资源丰富染料，太阳光40分钟照射地球辐射的能量相当于全球人类一年的能量需求，其次太阳能是洁净能源，并且不受地域限制，利用成本很低。太阳能利用的重要途径之一就是研制太阳能电池。
染料敏化纳米晶太阳能电池是新一代的太阳能电池。1991年，
Figure A200910058940D0003154847QIETU
 M.在《Nature》上发表了关于染料敏化纳米晶体太阳能电池(Dye Sensitized Solar Cells，简称DSSCs)的文章以较低的成本得到了大于7％的光电转化效率，1997年，该电池的光电转换效率达到了10％～11％，短路电流达到18mA/cm2，开路电压达到720mV；从而引起了全世界的关注。与传统的半导体太阳能电池相比，DSSCS制备工艺简单，不需要在高洁净度下环境制造，加工成本低(制造成本仅为硅太阳能电池的1/5～1/10)；具有很好的透光性，可以与窗饰材料等集成作为新一代节能建筑材料；DSSCS可以在在各种光照条件下使用，不必阳光直射，在阳光散射的条件下也可以很好的利用太阳光，对光阴影不敏感；可在很宽温度范围内正常工作等优点；并且可以在柔性基板上制作。以上的特点使得染料敏化纳米晶太阳能电池具有很好的大规模应用前景。
但是，目前该电池的封装问题是影响其应用的一个关键性问题。由于染料敏化纳米晶太阳能电池采用的是光阳极—电解液—对电极的三明治结构，光阳极采用的是制作在导电玻璃基板上多孔二氧化钛膜，对电极采用的是制作在导电玻璃基板上的铂膜，而电解液采用的是具有高挥发性和高氧化性的液态电解液。所以该电池要想具备很稳定的光电转化效率和很长的使用寿命，就必须有效地防止夹在导电玻璃中间的电解液的挥发和泄露。由于电解液自身的高挥发性和高氧化性以及太阳能电池不同的工作环境，使得封装问题成为影响该电池应用的一个关键性问题，特别是大面积太阳能电池的封装更是重点之中的难点问题。
目前，封装小面积染料敏化纳米晶太阳能电池所采用的是由美国杜邦公司生产的Surlyn胶，它属于一种有机高分子热熔胶，由于小面积染料敏化纳米晶太阳能电池只用于实验室研究和测试用，不涉及到大面积太阳能电池的长期稳定性和寿命等问题，所以这种热熔胶可以满足小面积电池封装的需要。但是一旦用于大面积染料敏化纳米晶太阳能电池的封装，这种热熔胶就会面临很多问题，首先是电解液的高氧化性，由于这种Surlyn胶是由一种有机高分子，而封装大面积电池时需要与大量的电解液接触，时间稍长就会被高氧化的电解液腐蚀而造成局部泄露等情况。其次是Surlyn胶的热膨胀系数与导电玻璃基板本身有很大差别，当电池面积较大时，在Surlyn胶热熔过程中由于外加机械力等原因会造成玻璃基板的弯曲变形，对电池的转化效率造成很大影响。再次，由于太阳能电池要处于不同的工作环境，环境所带来的局部高温是不可避免的，而热熔胶的软化点仅为100℃所有，极易被环境温度融化而造成泄露。
发明内容
本发明的目的是提供一种可用于封装大面积染料敏化太阳能电池的封装方法，能够提高大面积染料敏化太阳能电池的稳定性和使用寿命。
本发明的技术方案如下：
一种染料敏化太阳能电池封装方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1：采用有机高分子粘结剂和有机分散剂按质量比1:5～1:100的比例混合为浆料A，然后通过机械研磨、超声分散的方式使浆料A充分溶解于无水乙醇中，制得粘性胶体B。所述有机高分子粘结剂可以是乙基纤维素或聚乙二醇；所述有机分散剂可以是乙酰丙酮或松油醇。
步骤2：采用玻璃粉和步骤1所得的粘性胶体B按质量比10:1～1:1的比例混合，然后通过机械研磨、超声分散使其分散均匀，制得粘结用浆料C。所述玻璃粉可以是无铅玻璃粉或者其他玻璃粉，其中无铅玻璃粉可以是硼锌玻璃粉或硼钡锂玻璃粉。
步骤3：在光阳极导电玻璃或对电极导电玻璃的封装区域内开出两个小孔(如图2中的图标5所示)，以备灌注染料和电解液用。
步骤4：采用刮涂法或者丝网印刷法在光阳极导电玻璃的光阳极表面封装区域的边缘涂覆一层5～30微米厚的粘结用浆料C(如图3所的图标2示)；同理，在电极导电玻璃的对电极表面相对应的位置同样涂覆一层5～30微米厚的粘结用浆料C(如图4中的图标2所示)。
步骤5：将铺有粘结用浆料C的光阳极导电玻璃和对电极导电玻璃进行干燥处理。
步骤6：将干燥处理后的光阳极导电玻璃和对电极导电玻璃对接拼装在一起，在高于步骤2所用玻璃粉熔点的温度条件下加热1～24小时。
步骤7：把经步骤6粘结好的光阳极导电玻璃和对电极导电玻璃取出，通过步骤3所开出的小孔，往其内部灌注染料和电解液。
步骤8：采用熔融的玻璃粉密封步骤3所开出的小孔。
采用本发明封装方法所封装的染料敏化太阳能电池，具有很好的热稳定性和化学稳定性，可以很好的解决电解液泄露问题，实现在不同环境下长时间稳定工作，使电池的光电转化效率无明显变化。
附图说明
图1是本发明所述染料敏化太阳能电池封装方法的工艺流程图。
图2是采用本发明制备出的染料敏化太阳能电池整体示意图。其中：1是镀有铂层对电极的导电玻璃，2是粘结用浆料C，3是光阳极导电玻璃上的光阳极，4是光阳极导电玻璃，5是步骤3所开出的小孔。
图3是涂敷了粘结用浆料C后的光阳极导电玻璃示意图。其中：6是导电玻璃的导电层。
图4是涂敷了粘结用浆料C后的对电极导电玻璃示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例：
实施例1
原料：硼锌玻璃粉，乙基纤维素，松油醇，无水乙醇。制备工艺：称取5g乙基纤维素与45g松油醇溶于无水乙醇，采用机械研磨超声分散等方法使其充分混合，制得粘性胶体B；然后称取100g硼锌玻璃粉与粘性胶体B混合，采用机械研磨超声分散等方法使其充分混合，用刮涂法在制备好的大面积光阳极边缘以及其他所需密封处，涂一层20微米厚的混合浆料；然后在对电极的相对位置同样刮涂一层20微米厚的浆料，放入干燥箱80℃干燥10分钟后，将其对齐放入马弗炉中在400℃下烧结2小时，炉冷降至室温。取出，通过事先预留小孔灌注染料，自然晾干后灌注电解液。然后用玻璃粉把小孔封好。技术效果：封装完后立刻检测该电池得到了效率为4.6％的大面积电池。过30天后在相同条件下再次检测，该电池效率仍可达到4.58％，并无明显变化。这个结果说明该电池封装效果较好，在30天内并未发生泄露现象。
实施例2
原料：硼锌玻璃粉，乙基纤维素，松油醇，无水乙醇。制备工艺：称取5g乙基纤维素与450g松油醇溶于无水乙醇，采用机械研磨超声分散等方法使其充分混合，制得粘性胶体B；然后称取500g硼锌玻璃粉与粘性胶体B混合，采用机械研磨超声分散等方法使其充分混合，用刮涂法在制备好的大面积光阳极边缘以及其他所需密封处，涂一层10微米厚的混合浆料；然后在对电极的相对位置同样刮涂一层10微米厚的浆料，放入干燥箱80℃干燥10分钟后，将其对齐放入马弗炉中在400℃下烧结4小时，炉冷降至室温。取出，通过事先预留小孔灌注染料，自然晾干后灌注电解液。然后用玻璃粉把小孔封好。技术效果：封装完后立刻检测该电池得到了效率为4.38％的大面积电池。过30天后在相同条件下再次检测，该电池效率仍可达到4.32％，并无明显变化。这个结果说明该电池封装效果较好，在30天内并未发生泄露现象。
实施例3
原料：硼锌玻璃粉，聚乙二醇，乙酰丙酮，无水乙醇。制备工艺：称取15g聚乙二醇与150g乙酰丙酮溶于无水乙醇，采用机械研磨超声分散等方法使其充分混合，制得粘性胶体B；然后称取1000g硼锌玻璃粉与粘性胶体B混合，采用机械研磨超声分散等方法使其充分混合，用刮涂法在制备好的大面积光阳极边缘以及其他所需密封处，涂一层10微米厚的混合浆料；然后在对电极的相对位置同样刮涂一层10微米厚的浆料，放入干燥箱80℃干燥10分钟后，将其对齐放入马弗炉中在400℃下烧结4小时，炉冷降至室温。取出，通过事先预留小孔灌注染料，自然晾干后灌注电解液。然后用玻璃粉把小孔封好。技术效果：封装完后立刻检测该电池得到了效率为4.53％的大面积电池。过30天后在相同条件下再次检测，该电池效率仍可达到4.46％，并无明显变化。这个结果说明该电池封装效果较好，在30天内并未发生泄露现象。
实施例4
原料：硼钡锂璃粉，乙基纤维素，松油醇，无水乙醇。制备工艺：称取1.5g乙基纤维素与150g松油醇溶于无水乙醇，采用机械研磨超声分散等方法使其充分混合，制得粘性胶体B；然后称取1500g硼钡锂璃粉与粘性胶体B混合，采用机械研磨超声分散等方法使其充分混合，用刮涂法在制备好的大面积光阳极边缘以及其他所需密封处，涂一层10微米厚的混合浆料；然后在对电极的相对位置同样刮涂一层30微米厚的浆料，放入干燥箱80℃干燥20分钟后，将其对齐放入马弗炉中在400℃下烧结6小时，炉冷降至室温。取出，通过事先预留小孔灌注染料，自然晾干后灌注电解液。然后用玻璃粉把小孔封好。技术效果：封装完后立刻检测该电池得到了效率为4.54％的大面积电池。过30天后在相同条件下再次检测，该电池效率仍可达到4.46％，并无明显变化。这个结果说明该电池封装效果较好，在30天内并未发生泄露现象。
实施例5
原料：硼钡锂璃粉，乙酰丙酮，聚乙二醇，无水乙醇。制备工艺：称取1.5g聚乙二醇与100g乙酰丙酮溶于无水乙醇，采用机械研磨超声分散等方法使其充分混合，制得粘性胶体B；然后称取1200g硼钡锂璃粉与粘性胶体B混合，采用机械研磨超声分散等方法使其充分混合，用刮涂法在制备好的大面积光阳极边缘以及其他所需密封处，涂一层10微米厚的混合浆料；然后在对电极的相对位置同样刮涂一层10微米厚的浆料，放入干燥箱60℃干燥10分钟后，将其对齐放入马弗炉中在400℃下烧结4小时，炉冷降至室温。取出，通过事先预留小孔灌注染料，自然晾干后灌注电解液。然后用玻璃粉把小孔封好。技术效果：封装完后立刻检测该电池得到了效率为4.58％的大面积电池。过30天后在相同条件下再次检测，该电池效率仍可达到4.42％，并无明显变化。这个结果说明该电池封装效果较好，在30天内并未发生泄露现象。
对比实施例6
原料：Surlyn热熔胶制备工艺：取制备好的大面积光阳极和对电极，在需要位置贴一层25微米厚的热熔Surlyn胶，放入烘箱内在100℃下加热20min取出。通过事先预留小孔染色，灌注电解液。然后再次用热熔Surlyn胶把小孔封好。技术效果：封装完成后立刻检测得到效率4.2％的大面积电池.过30天后在相同条件下再次检测，该电池效率仅为2.4％，有明显的下降。

Claims (4)

1、一种染料敏化太阳能电池封装方法，包括以下步骤：
步骤1：采用有机高分子粘结剂和有机分散剂按质量比1:5～1:100的比例混合为浆料A，然后通过机械研磨、超声分散的方式使浆料A充分溶解于无水乙醇中，制得粘性胶体B；
步骤2：采用玻璃粉和步骤1所得的粘性胶体B按质量比10:1～1:1的比例混合，然后通过机械研磨、超声分散使其分散均匀，制得粘结用浆料C；
步骤3：在光阳极导电玻璃或对电极导电玻璃的封装区域内开出两个小孔，以备灌注染料和电解液用；
步骤4：采用刮涂法或者丝网印刷法在光阳极导电玻璃的光阳极表面封装区域的边缘涂覆一层5～30微米厚的粘结用浆料C；同理，在电极导电玻璃的对电极表面相对应的位置同样涂覆一层5～30微米厚的粘结用浆料C；
步骤5：将铺有粘结用浆料C的光阳极导电玻璃和对电极导电玻璃进行干燥处理；
步骤6：将干燥处理后的光阳极导电玻璃和对电极导电玻璃对接拼装在一起，在高于步骤2所用玻璃粉熔点的温度条件下加热1～24小时；
步骤7：把经步骤6粘结好的光阳极导电玻璃和对电极导电玻璃取出，通过步骤3所开出的小孔，往其内部灌注染料和电解液；
步骤8：采用熔融的玻璃粉密封步骤3所开出的小孔。
2、根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池封装方法，其特征在于，步骤1中所述有机高分子粘结剂是乙基纤维素或聚乙二醇；所述有机分散剂是乙酰丙酮或松油醇。
3、根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池封装方法，其特征在于，步骤2中所述玻璃粉是无铅玻璃粉或者其他玻璃粉。
4、根据权利要求3所述的染料敏化太阳能电池封装方法，其特征在于，所述无铅玻璃粉是硼锌玻璃粉或硼钡锂玻璃粉。
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