TW202349735A - 包括多個多孔層和穿透該多孔層的電荷傳導介質的太陽能電池 - Google Patents

Abstract

本發明係關於一種太陽能電池（1a），其包含多孔層之一堆疊、用於支撐該堆疊之一支撐基板（2）及穿透這些多孔層之一電荷傳導介質（7）。該堆疊包含：一多孔光吸收層（3）；一多孔第一導電層（4），其包括用於自該光吸收層萃取光生電子之導電材料；一多孔相對電極（6），其包括導電材料；及一分離層（5），其由多孔電絕緣材料製成且經配置於該導電層（4）與該相對電極（6）之間，且其中該導電層（4）經配置成比該相對電極（6）更接近該光吸收層（3）。該支撐基板（2）係多孔的，且該電荷傳導介質（7）穿透該支撐基板（2）。

Description

包括多個多孔層和穿透該多孔層的電荷傳導介質的太陽能電池

本發明係關於用於將光能轉換成電能之太陽能電池，其包含複數個多孔層及穿透多孔層之電荷傳導介質。

用於將光轉換成電能之包含複數個多孔層的太陽能電池在此項技術中為吾人所熟知。

已知包含多孔光吸收層、多孔導電層及多孔隔離層之染料敏化太陽能電池（dye-sensitized solar cell；DSSC）在使用諸如網版印刷、噴墨印刷或狹縫式塗佈之經建立製造方法進行工業規模製造方面具有高潛力。

染料敏化太陽能電池之工業規模製造涉及太陽能電池組件之薄層的大面積加工。此等組件在製造期間經歷各種製程步驟，如印刷、熱處理、真空處理、化學處理。此意謂為了處置太陽能電池的處理，太陽能電池之架構係重要的，以便能夠機械地處置組件並執行各種處理而不損壞底層組件。太陽能電池之架構對於太陽能電池的總體效能亦係重要的。

用於製造染料敏化太陽能電池之已知程序係藉由卷軸式（roll-to-roll）製程。在EnergyTrend 20180614「可撓性太陽能電池的大規模生產的關鍵：電池囊封及耐用性（Keys to Flexible Solar cell's Mass Production: Cell Encapsulation and Durability）」中，研究人員描述了藉由卷軸式製造製程生產的可撓性DSSC可由於生產方法之效率而經商品化。

在卷軸式製程中，太陽能電池包含實體基板，如可撓性導電箔，其可置放於傳送帶上且充當用於定位太陽能電池之其他組件的機械性穩定基板。US8658455描述卷軸式製程，其具有在上面形成有TiO ₂層且燒結TiO ₂層之可撓性基板、具備染料且裝載有電解質，之後，在頂部上添加第二可撓性基板以用於密封包夾型DSSC。據稱亦涉及卷軸式製程之密封步驟提高了液態電解質洩漏或蒸發之風險。

可撓性導電箔片為已知的，諸如導電玻璃之導電聚合物或薄膜的鈦、不鏽鋼、或其他金屬箔片或經塗佈箔片。

染料敏化太陽能電池之卷軸式製造的一個問題涉及，當傳送帶滾動通過烤箱或化學處理箱時，必須進行如熱處理或真空處理等製程中之一些。此等製程需要空間及時間。

EP2834823B1中描述製造染料敏化太陽能電池之另一方式，其中展示單體式染料敏化太陽能電池，在該單體式染料敏化太陽能電池中，組件之所有層係多孔的。由編織及非編織玻璃纖維製成的多孔絕緣基板在製造期間充當支撐結構，且多孔導電金屬層經印刷至多孔絕緣基板之兩側上。在多孔導電層之一側上印刷TiO ₂層，且在另一側上，多孔導電層具備催化劑。TiO ₂層係浸沒在染料中，且當電池經切割成合適的片塊以用於保護性箔片之層壓時添加電解質。在涉及熱處理、真空處理或各種化學處理之製程步驟期間，操作中之工件係完全多孔的，且若干工件可釘住在彼此的頂部上，而不妨礙例如釋放的氣體排出。在製造中用作支撐基板之多孔絕緣基板將為最終太陽能電池中之工作電極與相對電極之間的絕緣層。多孔絕緣基板之厚度因此將為使絕緣層足夠薄以縮減太陽能電池中之電阻損耗與使多孔基板足夠厚以實現充足的機械屬性以用於充當支撐結構之間的折衷。在製造期間，該支撐結構必須轉動以便在該支撐件之兩側印刷。

EP1708301揭示染料敏化太陽能電池，其具有一架構，該架構包括經配置於彼此的頂部上之多孔層之堆疊、整體地定位於多孔層之孔隙中的電解質，及用於支撐多孔層之堆疊的由陶瓷、金屬、樹脂或玻璃製成之支撐結構。

染料敏化太陽能電池之另一問題涉及電解溶液之蒸發或耗盡或可能的電解洩漏，尤其在太陽能電池之長期使用期間。

本發明之目的在於至少部分地克服以上問題且提供經改良太陽能電池。

此目的係藉由經申請專利範圍請求項1中界定之太陽能電池來實現。

太陽能電池包含經配置於彼此之頂部上的多孔層之堆疊、穿透多孔層之電荷傳導介質，及用於支撐多孔層之支撐基板。複數個多孔層包含：光吸收層；第一導電層，其包括用於自光吸收層萃取光生電子之導電材料；相對電極，其包括導電材料；及分離層，其由多孔電絕緣材料製成且經配置於第一導電層與相對電極之間。多孔層之堆疊經配置於支撐基板之頂部上，該支撐基板係多孔的，且電荷傳導介質穿透多孔支撐基板。

多孔層之堆疊係主動層，此意謂其參與發電。必要的為，電荷傳導介質可穿透主動多孔層之堆疊，以使得能夠在光吸收層與相對電極之間傳輸電荷。支撐基板並非太陽能電池中之主動層，亦即其不參與發電。支撐基板之主要功能在於充當主動層之堆疊的支撐件。

支撐基板係多孔的，且電荷傳導介質穿透基板之孔隙以及太陽能電池之多孔層之孔隙。由於支撐基板之孔隙率，支撐基板之孔隙充當電荷傳導介質的儲集器因此，太陽能電池中之電荷傳導介質之總體積增加。因此，若太陽能電池中之電荷傳導介質由於洩漏或蒸發而減少，則在太陽能電池中之電荷傳導介質之總含量達到最低水平且太陽能電池停止工作之前的時間被延長。基板越厚，孔隙率越高，則電荷傳導介質之儲集器越大。由於支撐基板不參與發電，因此支撐基板之厚度並不重要且不影響發電。

多孔基板之另一優點在於在太陽能電池的製造期間更容易實現太陽能電池中之電荷傳導介質的均勻填充。當製造薄而寬的太陽能電池時，此為一個問題。舉例而言，太陽能電池之面積可為1 m ²，且太陽能電池之厚度可為0.2 mm。電荷傳導介質必須滲入至較大太陽能電池之多孔層中，且較佳地，太陽能電池之多孔層中之所有孔隙均填充有電荷傳導介質。由於太陽能電池之底部中之多孔基板，電荷傳導介質可自太陽能電池之底側引入，且藉由毛細管力用電荷傳導介質填充該堆疊中之多孔層中之大多數孔隙。

多孔基板之另一優點為如在先前技術中，不需要用傳導介質對電池進行真空填充。真空填充係耗時的且需要額外裝備。

多孔基板之另一優點為該多孔基板藉由毛細管力保持傳導介質，且藉此防止傳導介質湧出。因此，在太陽能電池破損之狀況下，傳導介質將經保持在多孔基板中且將不會湧出。

如在先前技術中使多孔層堆疊於多孔支撐基板而非實體支撐基板上之另一優點為其促進製造大尺寸之太陽能電池，此係由於其允許在太陽能電池之真空燒結期間且亦在太陽能電池之空氣燒結期間藉由基板排放氣體，其中燃燒氣體必須在當包含二氧化鈦TiO ₂之層經空氣燒結時的稍後階段中經移除，且來自有機物質之燃燒氣體必須藉由燃燒移除。因此，太陽能電池之生產加速。

太陽能電池較佳地為單體式電池。單體式太陽能電池之特徵在於所有多孔層直接地或間接地沈積於同一個支撐基板上。

藉由在多孔主動層之底部處具有多孔支撐基板，單體式太陽能電池結構之製造可受益於在製造製程期間釘合工件之有利的程序。另一優點為，主動層之底部處且上面形成有主動層之支撐基板，在製造製程期間之操作中不需要轉動工件。

本發明之另一優點為由多孔電絕緣材料製成之分離層並非由支撐基板界定。多孔導電層之間的多孔分離層可藉由具成本效益的印刷製程形成且由多種材料製成。分離層之厚度可經設計以最佳化太陽能電池之效率。

根據一態樣，太陽能電池包含囊封多孔層、支撐基板及傳導介質之囊封體，且多孔層經配置在支撐基板之一側上，並且支撐基板之相對側面向囊封體。

多孔層及支撐基板中之每一者具有孔隙。電荷傳導介質穿透多孔層及支撐基板之孔隙。電荷傳導介質整體地定位於多孔層之孔隙及支撐基板之孔隙中。

根據一態樣，複數個多孔層之孔隙之平均大小小於支撐基板之孔隙之平均大小，使得多孔層之孔隙中之毛細管力比支撐基板中之毛細管力強。由於支撐基板之頂部上之多孔層中的孔隙大小小於支撐基板中之孔隙大小之事實，因此多孔層之毛細管力將較佳地向上泵送電荷傳導介質，其中毛細管力比支撐基板中之毛細管力強。此動作係類似於毛細管泵動作。此意謂在上部主動層中之電荷傳導介質洩漏之情況下，電荷傳導介質將較佳地自儲集器向上泵送至主動層，且支撐基板將充當將電荷傳導介質供應至主動層之儲集器。

基板及多孔層中之孔隙之大小可例如使用掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope；SEM）來量測。

根據一態樣，支撐基板中之孔隙中之至少80%大於3 µm，且多孔層中之孔隙中之至少80%小於3 µm。較佳地，支撐基板中之孔隙中之至少90%大於3 µm，且多孔層中之孔隙中之至少90%小於3 µm。較佳地，支撐基板中之孔隙中之至少80%係介於3 µm與10 µm之間，且最佳地，支撐基板中之孔隙中之至少90%係介於3 µm與10 µm之間。因此，多孔層中之孔隙典型地在亞公尺（sub meter）範圍內，亦即小於3 µm，且支撐基板中之孔隙典型地在微米範圍內，亦即3 µm至10 µm。支撐基板與多孔層之間的孔隙大小之差異使得多孔層中之毛細管力比支撐基板中之毛細管力強，且因此，若太陽能電池之主動層中之電荷傳導介質的量縮減，則電荷傳導介質將向上泵送至主動層。

根據一態樣，支撐基板之厚度為至少20 µm，較佳地為至少30 µm，且最佳地為至少50 µm。基板越厚，則電荷傳導介質之儲集器越大。

根據一態樣，支撐基板之厚度係介於20 µm與200 µm之間。

根據一態樣，支撐基板之孔隙率為至少50%，且較佳地為至少70%，且最佳地為至少80%。孔隙率越高，則電荷傳導介質之儲集器越大。

根據一態樣，支撐基板之孔隙率係介於50%與90%之間，且較佳地係介於70%與90%之間。

根據一態樣，支撐基板包含編織及/或非編織微細纖維。微纖維為具有小於10 µm且大於1 nm之直徑的纖維。

根據一態樣，支撐基板包含無機纖維。

根據一態樣，支撐基板包含以下各者中之至少一者：玻璃纖維、陶瓷纖維及碳纖維。

根據一態樣，微細纖維之直徑係介於0.2 µm與10 µm之間，較佳地介於0.2 µm與5 µm之間，更佳地介於0.2 µm與3 µm之間，且最佳地介於0.2 µm與1 µm之間。

根據一態樣，支撐基板包含編織微細纖維層。編織微細纖維係可撓的，且因此，太陽能電池變得可撓的。

根據一態樣，支撐基板包含經配置於編織微細纖維層上之非編織微細纖維層。編織微細纖維及非編織微細纖維係可撓的，且因此，太陽能電池變得可撓的。非編織微細纖維充當有效地吸收且抑制傳入機械能之彈簧墊，且亦將傳入機械能分佈在較大面積上，藉此縮減局域效應。使多孔層堆疊於包含編織微細纖維層及非編織微細纖維層之基板上之優點在於支撐基板變得減震，且因此，在太陽能電池經受例如機械彎曲或扭曲或拉伸或衝擊錘之狀況下，具有較強的機械穩固性。此在太陽能電池經整合至諸如頭戴式耳機、遙控器及蜂巢式電話之消費型產品中時為一優點。

根據一態樣，非編織微細纖維層經配置成比編織微細纖維層更接近相對電極。較佳地，非編織微細纖維層經連續地配置至相對電極。

根據另一態樣，編織微細纖維層經配置成比非編織微細纖維層更接近相對電極。較佳地，編織微細纖維層經連續地配置至相對電極。

根據一態樣，編織微細纖維層包含紗線，其中孔形成於這些紗線之間，且非編織微細纖維之至少一部分累積於紗線之間的孔中。

根據一態樣，分離層之厚度係介於3 µm與50 µm之間，且較佳地介於4 µm與20 µm之間。需要使分離層儘可能薄以縮減太陽能電池中之電阻損耗，且因此改良太陽能電池之效率。然而，若分離層變得太薄，則在導電層與相對電極之間存在短路風險。

根據一態樣，該分離層包含多孔電絕緣材料。較佳地，電絕緣材料係由電絕緣粒子製成。可藉由在彼此的頂部上施加絕緣粒子之若干層以獲得分離層之所要厚度來製造此分離層。因此，有可能控制分離層之厚度，且可視需要選擇分離層之厚度。

根據一態樣，這些電絕緣粒子由絕緣材料組成。

根據一態樣，這些電絕緣粒子包含半導電材料之芯及覆蓋該芯之電絕緣材料的外部層。

根據一態樣，絕緣粒子之外部層之絕緣材料包含由以下各者組成之群組中的材料中之一或多者：氧化鋁（Al ₂O ₃）、氧化鋯（ZrO ₂）、氧化矽（SiO ₂）及鋁矽酸鹽。鋁矽酸鹽為例如Al ₂SiO ₅。

根據一態樣，絕緣粒子之外部層之絕緣材料為由以下各者組成之群組中的材料中之一或多者：氧化鋁（Al ₂O ₃）、氧化鋯（ZrO ₂）、氧化矽（SiO ₂）及鋁矽酸鹽。鋁矽酸鹽為例如Al ₂SiO ₅。

根據一態樣，絕緣粒子之芯中之半導電材料包含二氧化鈦（TiO ₂）。

根據一態樣，絕緣粒子之芯中之半導電材料為二氧化鈦（TiO ₂）。

根據一態樣，絕緣粒子之電絕緣材料包含由以下各者組成之群組中的材料中之一或多者：氧化鋁（Al ₂O ₃）、氧化鋯（ZrO ₂）、氧化矽（SiO ₂）及鋁矽酸鹽。鋁矽酸鹽為例如Al ₂SiO ₅。根據另一態樣，絕緣材料可為玻璃。

根據一態樣，絕緣粒子之電絕緣材料為由以下各者組成之群組中的材料中之一或多者：氧化鋁（Al ₂O ₃）、氧化鋯（ZrO ₂）、氧化矽（SiO ₂）及鋁矽酸鹽。鋁矽酸鹽為例如Al ₂SiO ₅。根據另一態樣，絕緣材料可為玻璃。

根據一態樣，電荷傳導介質為液態電解質。

某些傳導介質，如銅錯合物電解質及鈷錯合物電解質，可具有極低電導率，從而產生極大電阻損耗。低電導率源於電解質具有大離子且擴散率低的事實。當液態電解質傳輸電荷時，電荷隨著布朗運動（Brownian motion）而移動，亦即，其由於與液體中之快速移動的原子或分子碰撞而隨機地移動。銅及鈷具有相對較大離子，其緩慢移動且因此具有低電導率。使用此類電解質之效率係藉由在相對電極與光吸收層之間具有短距離而得以極大地改良。本發明使得有可能選擇分離層之厚度，且因此取決於電解質而選擇相對電極與光吸收層之間的合適距離。

根據一態樣，傳導介質包含銅錯合物。使用銅錯合物以用於電荷傳輸之優點為傳導介質將為無毒的。已經展示將銅用作傳導介質以產生極高所得光電壓。由於可使相對電極與光吸收層之間的距離較短之事實，根據本發明之太陽能電池允許使用銅錯合物。

根據另一態樣，電荷傳導介質包含碘離子（I ^-）及三碘離子（I ₃ ^-）。

本發明之另一目標為提供一種用於生產太陽能電池之方法。該方法包含： -提供多孔支撐基板， -將多孔相對電極沈積在多孔支撐基板上， -將多孔分離層沈積在相對電極上， -將多孔導電層沈積在分離層上， -將多孔光吸收層沈積在導電層上， -將電荷傳導介質引入至堆疊及支撐基板中，直至電荷傳導介質穿透支撐基板及堆疊， -密封太陽能電池。

根據一態樣，沈積多孔相對電極包含沈積多孔第二導電層及第二導電層之頂部上之多孔催化層。

根據一態樣，電荷傳導介質經引入在支撐基板之背離該堆疊之側面上，使得支撐基板及堆疊浸漬有電荷傳導介質。

多孔相對電極、多孔分離層、多孔第一導電層及多孔光吸收層之沈積係例如藉由諸如噴墨印刷或網版印刷之噴塗或印刷技術來進行。

在下文中將參考附圖更全面地描述本發明之態樣。然而，太陽能電池裝置可以許多不同形式實現，且不應理解為限於本文中所闡述之態樣。圖式中之相同編號始終係指相同元件。

圖1展示貫穿根據本發明之太陽能電池1a之實例的橫截面。太陽能電池1a包含支撐基板2及多孔層3-6之堆疊12，該堆疊經配置於支撐基板2之頂部上。多孔層之堆疊12包含：光吸收層3，其充當工作電極；導電層4，其由多孔傳導材料製成，該導電層充當集電器；分離層5，其包含多孔電絕緣材料；及相對電極6，其包含多孔傳導材料。相對電極6形成於多孔基板2之一側上。在此實例中，相對電極為一多孔導電層。分離層5經配置於相對電極6與導電層4之間。分離層5用於使導電層4與相對電極6實體及電分離，以避免其間的直接電子短路。在此實例中，分離層5形成於相對電極6上，且導電層4形成於分離層5上。光吸收層3經配置於導電層4之頂部上。第一導電層4包括用於自光吸收層3萃取光生電子之導電材料。可以不同方式製造光吸收層3。舉例而言，光吸收層可包含經吸附在半導電粒子之表面上的染料分子，或染料之群集，或由半導電材料製成之晶粒，諸如矽。

多孔層3-6係主動層，此意謂其參與發電。支撐基板2並非太陽能電池中之主動層，亦即其不參與發電。支撐基板2支撐多孔層3-6之堆疊12。此外，支撐基板2允許相對電極6在製造太陽能電池期間經印刷在該支撐基板上。多孔層3-6經配置在支撐基板2之一側上。

形成於支撐基板上之多孔層中之每一者具有大量孔隙。太陽能電池進一步包含電荷傳導介質7，其穿透多孔層3-6之孔隙，以使得能夠在光吸收層3與相對電極6之間傳輸電荷。支撐基板2亦為多孔的且包括孔隙。電荷傳導介質7穿透支撐基板2之孔隙以及太陽能電池之多孔層3-6之孔隙。由於支撐基板2之孔隙率，支撐基板之孔隙充當電荷傳導介質的儲集器

在一個態樣中，堆疊12中之多孔層3-6之孔隙的平均大小小於支撐基板2之孔隙之平均大小，使得多孔層3-6之孔隙中之毛細管力比支撐基板2中之毛細管力強。支撐基板2與多孔層3-6之間的孔隙大小之差異使得多孔層中之毛細管力比支撐基板2中之毛細管力強，且因此，若太陽能電池之主動層中之電荷傳導介質的量縮減，則電荷傳導介質7將向上泵送至主動層3-6。

較佳地，支撐基板2中之孔隙中之至少80%大於3 µm，且多孔層中之孔隙中之至少80%小於3 µm。更佳地，支撐基板2中之孔隙中之至少90%大於3 µm，且多孔層3-6中之孔隙中之至少90%小於3 µm。舉例而言，支撐基板2中之孔隙中之至少80%係介於3 µm與10 µm之間。

支撐基板2越厚，則太陽能電池中之電荷傳導介質之儲集器越大。典型地，支撐基板2之厚度係介於20 µm與200 µm之間。較佳地，支撐基板之厚度係至少30 µm。

支撐基板中之孔隙率越大，則電荷傳導介質7之儲集器越大。較佳地，支撐基板之孔隙率為至少50%，且最佳地為至少70%。若支撐基板具有過多孔，則該基板之機械強度將過低。較佳地，支撐基板之孔隙率係介於50%與90%之間。

太陽能電池進一步包含囊封體10，其囊封多孔層3-6、支撐基板2及傳導介質7。多孔層之堆疊12經配置於支撐基板2之一側上，且支撐基板之相對側面向囊封體10。

多孔層之堆疊12可包括經配置於多孔層3-6之間的其他多孔層。舉例而言，可存在安置於支撐基板2與相對電極6之間或安置於相對電極6與分離層5之間的多孔催化層，經圖1b展示。此外，可存在經配置於導電層4與光吸收層3之間的多孔反射層。經上文所提及之關於孔隙大小的相同條件適用於多孔層之堆疊12中之所有層，與層之數目無關。

圖2展示貫穿根據本發明之太陽能電池1b之另一實例的橫截面。太陽能電池1b包含支撐基板2及多孔層3-6之堆疊12，該堆疊經配置於支撐基板2之頂部上。太陽能電池1b與太陽能電池1a之不同之處在於太陽能電池1b之相對電極6包含第二多孔導電層6a及經形成於多孔導電層6a之頂部上的多孔催化層6b。

在此實例中，支撐基板2包含編織微細纖維層2a及經配置於編織微細纖維層2a上之非編織微細纖維層2b。相對電極6安置在非編織微細纖維層2b上。在此實例中，相對電極6之多孔導電層6a形成於非編織微細纖維層2b上。替代地，催化層6b安置在非編織微細纖維層2b上。編織微細纖維層2a包含紗線，其中孔形成於這些紗線之間，且非編織微細纖維之至少一部分累積於紗線之間的孔中。較佳地，非編織微細纖維層6b中之微細纖維之直徑係介於0.2 µm與5 µm之間，以獲得具有大於1 µm之大小的孔隙。EP2834824B1揭示用於製造基板2之方法，該基板包含編織以及非編織微細纖維。

太陽能電池1a及1b屬於單體式類型。此意謂所有多孔層直接地或間接地沈積於同一支撐基板2上。太陽能電池1a及1b可例如為染料敏化太陽能電池（dye sensitized solar cell；DSC）。

圖3展示貫穿本發明之一具體實例之實例的橫截面之SEM影像，其展示支撐基板2在非編織微細纖維層2b之頂部上包含編織微細纖維層2a。在支撐基板2上配置有第二多孔導電層6a，隨後為催化層6b，且在該催化層之頂部上為分離層5。在分離層5之頂部上配置有第一導電層4，且在該第一導電層上為光吸收層3。

圖4展示貫穿本發明之一具體實例之另一實例的橫截面之SEM影像，其展示支撐基板2在編織微細纖維層2a之頂部上包含非編織微細纖維層2b。在支撐基板2上配置有第二多孔導電層6a，隨後為催化層6b，且在該催化層之頂部上為分離層5。在分離層5之頂部上配置有第一導電層4，且在該第一導電層上為光吸收層3。

較佳地，光吸收層3之孔隙大小等於或小於第一導電層4之孔隙大小，第一導電層4之孔隙大小等於或小於分離層5之孔隙大小，且分離層5之孔隙大小等於或小於相對電極6、6a、6b之層之孔隙大小。相對電極6、6a、6b之孔隙大小較佳地小於支撐基板2、2a、2b之孔隙大小。

在本發明之一個具體實例中，多孔層之堆疊12中之孔隙大小自相對電極6至光吸收層3減小。舉例而言，光吸收層3之孔隙大小小於第一導電層4之孔隙大小，第一導電層4之孔隙大小小於分離層5之孔隙大小，且分離層5之孔隙大小小於相對電極6、6a、6b之孔隙大小。相對電極6、6a、6b之孔隙大小小於支撐基板2、2a、2b之孔隙大小。相較於支撐基板2中之毛細管力，此具體實例將加強多孔層中之毛細管力的差異。

光吸收層3面向入射光。光吸收層3可以不同方式製造。舉例而言，光吸收層3可包含多孔TiO ₂層，其經沈積至第一傳導層4上。TiO ₂層可包含TiO ₂粒子，其使染料分子吸附在其表面上。在另一實例中，光吸收層3包含諸如矽之經摻雜半傳導材料之複數個晶粒，其經沈積於傳導層4上。電荷傳導介質整體地定位於形成於這些晶粒之間的孔隙中。光吸收層3之厚度可改變且取決於光吸收層3之類型。

太陽能電池1a、1b之頂側應面向光，以允許光擊中光吸收層3。根據一些態樣，光吸收層為多孔TiO ₂奈米粒子層，其具有經吸附有機染料或有機金屬染料分子或天然染料分子。然而，光吸收層3亦可包含經摻雜半導電材料之晶粒，該經摻雜半導電材料例如Si、CdTe、CIGS、CIS、GaAs或鈣鈦礦。

導電層4充當背接觸，其自光吸收層3萃取物光生電荷。導電層4之孔隙率可較佳地介於30%與85%之間。取決於用於導電層4之材料及所使用之製造方法，導電層4之厚度可在1 µm與50 µm之間變化。舉例而言，導電層4係由選自由以下各者組成之群組之材料製成：鈦、鈦合金、鎳合金、石墨，及非晶碳，或其混合物。最佳地，導電層係由鈦或鈦合金或其混合物製成。在此狀況下，導電層4之厚度較佳地係介於4 µm與30 µm之間。

分離層5充當導電層4與相對電極6之間的電氣分離以避免其間的短路。相對電極2與光吸收層3之間的距離取決於分離層5之厚度且應儘可能小，使得相對電極2與光吸收層3之間的電荷傳輸變得儘可能快且因此縮減太陽能電池中之電阻損耗。分離層之厚度例如係介於3 µm與50 µm之間，且較佳地介於4 µm與20 µm之間。分離層包含多孔電絕緣材料。舉例而言，分離層包含電絕緣粒子之多孔層。舉例而言，絕緣粒子具有半導電材料之芯及電絕緣材料之外部層。舉例而言，絕緣氧化物層形成於半導電材料之表面上。適當地，半導電材料為二氧化鈦（TiO ₂）。絕緣材料為例如氧化鋁或氧化矽。替代地，全部粒子可為絕緣材料，例如氧化鋁（Al ₂O ₃）、氧化矽（SiO ₂）或氧化鋯（ZrO ₂）。

相對電極6包含多孔傳導層6a。相對電極通常亦包含催化層6b。相對電極6可具有分離的多孔催化層6b或具有經整合於多孔傳導層6a中之催化粒子。相對電極6之孔隙率可較佳地介於30%與85%之間。取決於用於相對電極6之材料及製造方法，相對電極6之厚度可在1 µm與50 µm之間變化。舉例而言，相對電極6係由選自由以下各者組成之群組之材料製成：鈦、鈦合金、鎳合金、石墨，及非晶碳，或其混合物。最佳地，相對電極6係由鈦或鈦合金或其混合物製成。在此狀況下，導電層4之厚度較佳地係介於10 µm與30 µm之間。為了實現催化效應，相對電極6可包括諸如經鍍鉑ITO、ATO、PTO及FTO之導電金屬氧化物的經鍍鉑粒子，或經鍍鉑碳黑或石墨之粒子。

支撐基板2可為基於微細纖維之基板，諸如玻璃微細纖維基板或陶瓷微細纖維基板。支撐基板2適當地係由微細纖維製成。微細纖維為具有小於10 µm之直徑及大於1 nm之長度的纖維。適當地，支撐基板2包含編織微細纖維。微細纖維可由諸如玻璃、SiO ₂、Al ₂O ₃及鋁矽酸鹽之耐火及惰性材料製成。有機微細纖維為由有機材料製成之纖維，這些有機材料諸如聚合物，諸如，聚己內酯、PET、PEO等，或纖維素，諸如，奈米纖維素（MFC）或木漿。支撐基板2可包含編織微細纖維及經安置在編織微細纖維上之非編織微細纖維。適當地，支撐基板2包含玻璃纖維。舉例而言，多孔支撐基板可由編織玻璃纖維及非編織玻璃纖維製成。支撐基板2之厚度適當地係介於10 µm與1 mm之間。此層提供所需機械強度。

電荷傳導介質7整體地定位於多孔層3-6之孔隙及支撐基板2之孔隙中，且在相對電極6與光吸收層3之間傳送電荷。傳導介質7可為任何合適的傳導介質，諸如液體、凝膠或固體材料，諸如半導體。電解質之實例為液態電解質，諸如基於碘離子（I ^-）/三碘離子（I ₃ ^-）或鈷錯合物之液態電解質，如氧化還原對，或凝膠電解質，普通聚合物電解質。較佳地，傳導介質為液態電解質，諸如基於離子液體之電解質、基於銅錯合物之電解質或基於鈷錯合物之電解質。

太陽能電池必須經恰當地密封以避免電荷傳導介質洩漏。舉例而言，太陽能電池具備圍封太陽能電池單元之囊封體10。然而，必須以某一方式穿透囊封體，以使得能夠獲取由太陽能電池產生之電力。儘管穿透係密封的，但存在電荷傳導介質自太陽能電池緩慢洩漏的風險。洩漏亦可能自囊封體之密封邊緣發生。電荷傳導介質之緩慢洩漏將導致太陽能電池之效率緩慢降低。當太陽能電池中之電荷傳導介質之量已經達到最小水平時，太陽能電池之光電轉換能力將降低。此製程可能需要數月，或甚至數年，此取決於囊封體及密封之品質。

囊封體10充當障壁以便保護太陽能電池免受周圍大氣影響，且防止電荷傳導介質自電池內部蒸發或洩漏。囊封體10可包括覆蓋太陽能電池之頂側的上部片材及覆蓋太陽能電池之底側的下部片材。太陽能電池之頂側上之上部片材覆蓋光吸收層且需要為透明的，從而允許光穿過。支撐基板2之底側面向囊封體10之下部片材。光吸收層3面向囊封體10之上部片材。上部及下部片材例如係由聚合物材料製成。上部及下部片材之邊緣經密封。

根據一個態樣，太陽能電池1a、1b之囊封體10包含複數個穿透開口（圖中未示），以使得能夠獲取由太陽能電池產生之電力。穿透開口接收導線以電連接至第一導電層4及相對電極6。穿透開口可經配置成連接至第一導電層4及相對電極6。較佳地，穿透開口經配置在囊封體之經配置於支撐基板2下方的側面中。

圖5展示根據本發明之製造太陽能電池之方法的實例之方塊圖。圖5中之方法包含以下步驟： S1：提供多孔支撐基板2， S2：將多孔相對電極6沈積在多孔支撐基板2上， S3：將多孔分離層5沈積在相對電極6上， S4：將第一多孔導電層4沈積在分離層5上， S5：將多孔光吸收層3沈積在第一導電層4上， S6：將電荷傳導介質7引入至堆疊12及支撐基板2中，直至電荷傳導介質7穿透支撐基板2及堆疊12， S7：密封太陽能電池。

根據一個態樣，電荷傳導介質7經引入在支撐基板之背離該堆疊12之側面上，使得支撐基板及堆疊浸漬有電荷傳導介質。

步驟S2至S5中之沈積例如係藉由諸如噴墨印刷或網版印刷之噴塗或印刷技術來進行。

現將更詳細地解釋如何可實行步驟S3之實例。藉由將絕緣粒子之粉末與溶劑、分散劑及黏合劑混合來製備分離墨。溶劑為例如水或有機溶劑。黏合劑為例如羥丙基纖維素。分散劑為例如Byk 180。混合物經攪拌，直至粉末中之經聚集粒子分離成單個粒子，且墨中之粒子很好地分散。分離墨藉由噴塗或印刷技術沈積於相對電極6上。分離墨之沈積可重複兩次、三次或更多次，直至絕緣粒子之足夠厚的層沈積於相對電極上。較佳地，在分離墨之下一層沈積於分離墨之前一層上之前，使分離墨之層乾燥。有利的為重複沈積分離墨兩次或更多次，此係由於墨之以下層將修復絕緣粒子之前述層中之可能的缺陷。重要的為，分離層5中不存在缺陷，諸如，裂痕或孔，此係由於此將導致相對電極6與多孔第一導電層4之間的短路。

圖1中之太陽能電池1a在光吸收層3之孔隙中、在第一導電層4之孔隙中、在分離層5之孔隙中、在相對電極6之孔隙中及在支撐基板2之孔隙中滲入有電荷傳導介質7。電荷傳導介質在傳導層之孔隙內部且在分離層之孔隙內部的傳導層之間形成連續層，藉此使得能夠在相對電極6與工作電極之間傳輸電荷，該工作電極包括第一導電層4及光吸收層3。第一多孔導電層4自光吸收層3萃取電子，且將電子傳輸至連接至相對電極6之外部電路（圖1中未展示）。相對電極6用於將電子傳送至電荷傳導介質7。傳導介質7將電子傳送回至光吸收層3，藉此完成電路。

取決於電荷傳導介質7之性質，離子或電子以及電洞可在相對電極與工作電極之間傳輸。

染料敏化太陽能電池中之電解質通常經分類為液態電解質、準固態電解質或固態電解質。電解質可呈液體、凝膠之形式或呈固態。存在文獻中已知的任一類型的大量電解質，參見例如Chemicals Reviews, 2015年1月28日,「染料敏化太陽能電池中之電解質（Electrolytes in Dye-Sensitized Solar Cells）」。電解質為染料敏化太陽能電池中之昂貴組分。相對電極通常配備有催化物質6b，其用於促進將電子傳送至電解質之目的。

電荷傳導介質展現對電荷傳輸之一定電阻。電阻隨著電荷傳輸距離而提高。因此，當在相對電極與光吸收層之間傳輸電荷時，傳導介質中將始終存在一定的電阻損耗。藉由使多孔基板更薄可縮減電阻損耗。然而，當多孔基板變得更薄時，其亦變得更加機械脆弱。

傳導介質為例如習知的I ^-/I ₃ ^-電解質或類似電解質，或Cu-/Co-錯合物電解質。基於固態過渡金屬之錯合物或有機聚合物電洞導體為已知的傳導介質。

根據一些態樣，傳導介質包含銅離子錯合物。具有銅錯合物為電荷導體之傳導介質為無毒傳導介質。已經展示將銅錯合物用作傳導介質以產生極高所得光電壓。

相對電極6可藉由運用包括固體導電粒子之墨進行印刷而例如沈積於支撐基板2上。導電粒子，諸如金屬氫化物粒子，可與液體混合以形成適於印刷製程之墨。導電粒子亦可經碾磨或以其他方式經處理以獲得合適的粒子大小，且因此，獲得多孔相對電極6之所要孔隙大小。固體粒子較佳地係基於金屬且可為純金屬、金屬合金或金屬氫化物或金屬合金氫化物或其混合物。

導電層4可以與相對電極6沈積於支撐基板2上之方式相同的方式沈積於分離層5上。沈積物可藉由熱處理步驟進行處理。在熱處理期間，亦應進行粒子之燒結，藉此增加傳導層之導電性及機械穩定性。金屬氫化物將在熱處理期間變換為金屬。藉由在真空或惰性氣體中加熱，防止了粒子之污染，且改良了粒子之間的電接觸。

本文中所使用之術語僅出於描述本發明之特定態樣之目的，且不意欲限制本發明。如本文中所使用，除非上下文另外明確指示，否則單數形式「一（a/an）」及「該」意欲亦包括複數形式。

術語「光伏電池」及「太陽能電池」係同義的。

除非另外定義，否則本文中所使用之所有術語具有與本發明所屬之所屬技術領域中具有通常知識者通常所理解相同之含義。

本發明不限於所揭示具體實例，但可在以下申請專利範圍的範圍內變化且修改。舉例而言，多孔層之堆疊可含有其他多孔層，且堆疊中之多孔層之次序可改變。

1a:太陽能電池 1b:太陽能電池 2:支撐基板 2a:編織微細纖維層 2b:非編織微細纖維層 3:光吸收層 4:導電層 5:分離層 6:相對電極 6a:第二多孔導電層 6b:多孔催化層 7:傳導介質 10:囊封體 12:堆疊 S1:步驟 S2:步驟 S3:步驟 S4:步驟 S5:步驟 S6:步驟 S7:步驟

藉由描述本發明之不同具體實例及參考隨附圖式，現將更詳細解釋本發明。 [圖1]展示貫穿根據本發明之太陽能電池之實例的橫截面。 [圖2]展示貫穿根據本發明之太陽能電池之另一實例的橫截面。 [圖3]展示貫穿本發明之一具體實例之實例的橫截面之SEM影像。 [圖4]展示貫穿本發明之一具體實例之另一實例的橫截面之SEM影像。 [圖5]展示根據本發明之製造太陽能電池之方法的實例之方塊圖。

1a:太陽能電池

2:支撐基板

3:光吸收層

4:導電層

5:分離層

6:相對電極

7:傳導介質

10:囊封體

12:堆疊

Claims (15)

1. 一種太陽能電池（1a；1b），其包含多孔層（3-6）之堆疊（12）、用於支撐該堆疊之支撐基板（2）及穿透該堆疊之電荷傳導介質（7），其中該堆疊（12）包含： 多孔光吸收層（3）， 多孔第一導電層（4），其包括用於自該光吸收層萃取光生電子之導電材料， 多孔相對電極（6），其包括導電材料，及 分離層（5），其由多孔電絕緣材料製成且經配置於該第一導電層（4）與該相對電極（6）之間，且其中該第一導電層（4）經配置成比該相對電極（6）更接近該光吸收層（3）， 其中這些多孔層（3-6）之該堆疊經配置於該支撐基板之頂部上，該支撐基板（2）係多孔的，且該電荷傳導介質（7）穿透該支撐基板（2）。
2. 如請求項1之太陽能電池，其中該電荷傳導介質（7）整體地定位於這些多孔層（3-6）之孔隙及該支撐基板（2）之孔隙中，且這些多孔層（3-6）之這些孔隙之平均大小小於該支撐基板（2）之這些孔隙之平均大小，使得這些多孔層之這些孔隙中之毛細管力比該支撐基板之這些孔隙中之毛細管力強。
3. 如請求項1至2中任一項之太陽能電池，其中這些多孔層（3-6）中之這些孔隙中之至少80%的大小小於3 µm。
4. 如請求項1至2中任一項之太陽能電池，其中該支撐基板（2）中之這些孔隙中之至少80%的大小大於3 µm。
5. 如請求項1至2中任一項之太陽能電池，其中該支撐基板（2）之孔隙率為至少50%，且較佳地為至少70%，且最佳地為至少80%。
6. 如請求項1至2中任一項之太陽能電池，其中該支撐基板（2）之厚度為至少20 µm，較佳地為至少30 µm，且最佳地為至少50 µm。
7. 如請求項1之太陽能電池，其中該支撐基板（2）包含微細纖維。
8. 如請求項7之太陽能電池，其中該支撐基板（2）包含具有在0.2 µm與10 µm之間、較佳地在0.2 µm與5 µm之間且最佳地在0.2 µm與1 µm之間的直徑之微細纖維。
9. 如請求項1之太陽能電池，其中該支撐基板（2）包含編織微細纖維及非編織微細纖維。
10. 如請求項9之太陽能電池，其中該支撐基板（2）包含編織微細纖維層（2a）及經配置於該編織微細纖維層（2a）上之非編織微細纖維層（2b）。
11. 如請求項1至2中任一項之太陽能電池，其中該支撐基板（2）係可撓的。
12. 如請求項1至2中任一項之太陽能電池，其中該分離層（5）之厚度係介於3 µm與50 µm之間，且較佳地介於15 µm與35 µm之間，且最佳地介於4 µm與20 µm之間。
13. 如請求項1至2中任一項之太陽能電池，其中該電荷傳導介質（7）為液態電解質。
14. 一種用於製造如請求項1之太陽能電池之方法，其中該方法包含： 提供多孔支撐基板（2）（S1）， 將多孔相對電極（6）沈積在該多孔支撐基板（2）上（S2）， 將多孔分離層（5）沈積在該相對電極（6）上（S3）， 將多孔第一導電層（4）沈積在該分離層（5）上（S4）， 將多孔光吸收層（3）沈積在該導電層（4）上（S5）， 將電荷傳導介質（7）引入至該堆疊（12）及該支撐基板（2）中，直至該電荷傳導介質（7）穿透該支撐基板（2）及該堆疊（12）（S6）， 密封該太陽能電池（S7）。
15. 如請求項14之方法，其中沈積該多孔相對電極（6）（S2）包含沈積多孔第二導電層（6a）及在該第二導電層（6a）之頂部上之多孔催化層（6b）。