專利名稱：一種染料敏化太陽能電池的制作方法
技術領域：
本發明屬于綠色可再生能源技術領域，涉及一種獨立平行太陽能電池。
背景技術：
進入二i^一世紀，隨著地球溫暖化及大氣污染問題日趨嚴重，開發和利用可再生 綠色能源已成為人類社會所面臨的重大課題。太陽能是我們取之不盡、用之不竭的潔凈能 源，用太陽能發電直接把光能轉換為電能是利用太陽能的重要方式。目前傳統硅太陽電池 雖已進入實用化階段，但還存在著制造成本高、生產工藝復雜和高純度硅原料缺乏及在生 產過程中會造成環境污染和消耗能源等問題。1991年瑞士聯邦工學院的Gratzel等人在文 獻(0，Regan B, Gratzel M. Nature, 1991, 353 (6346) :737_740·)中報道了一種利用自然界 光合成原理的新型染料敏化太陽能電池(dye-sensitized solar cell,DSC) 0目前實驗室 制作的小面積DSC ( < 0. 2cm2)已達到了 12%的光電轉換效率，小面積DSC的研究水平已經 接近非晶硅太陽電池的研究水平。目前世界上各國正在積極開展大面積染料敏化太陽能電 池的研究工作。傳統的大面積染料敏化太陽能電池通常設計和制作成串聯和并聯兩種方式，其中 串聯DSC又分為W型和Z型。W型DSC在光照面存在正反向兩種單元，即光陽極在上為正向 單元，對電極在上為反向單元。W型DSC缺點是光入射面存在正反向單元，導致每條電池的 電流密度不一致，使整塊電池的均勻性受到影響，會降低整體電池的電流和電壓。和W型相 比，Z型電池DSC組件，在光入射面都由正向單元組成。Z型DSC雖然能夠得到較高電壓，但 存在著內阻大、活性面積小、制作工藝復雜等缺點。并且串聯電池內部單元串聯后電子由一 條柵電極弓I出，如有一條制作不均勻，將會影響整體組件的性能。并聯DSC雖然有結構簡單 及制作工藝簡單的特點，但內部并聯DSC的總電壓卻很小。綜上所述，傳統的大面積DSC中 并聯DSC只能得到較高電流，而串聯DSC只能得到較高電壓，并且二者都是如有一條制作不 均勻，會大幅度降低整體電池的性能。
發明內容
針對上述問題，本發明提供了一種獨立平行大面積染料敏化太陽能電池。為達到 上述目的，本發明的技術方案是設計制作了 一種獨立平行染料敏化太陽能電池。這種獨立 平行染料敏化太陽能電池在光入射面都由正向獨立單元電池所組成。該太陽能電池是由若 干個獨立單元電池所組成，每個獨立的單元電池包括光陽極、對電極和電解質。該染料敏化 太陽能電池的光陽極和對電極上都分布著金屬柵電極和絕緣刻蝕線，并且金屬柵電極和絕 緣刻蝕線緊密相鄰平行分布。這種獨立平行染料敏化太陽能電池的光電轉換效率不會因單 條制作不均勻而受到顯著影響，并且可以根據不同需要進行任意串并聯組合并能得到較高 的光電轉換效率，可進一步形成對接插板式大型太陽能電池組件。這一結構不但能夠得到 較高電壓而且還能得到較高電流，并且內阻小、制作工藝簡單。利用該發明技術提高了整體 太陽能電池的出力和光電轉換效率。
本發明的具體技術方案如下該太陽能電池是由若干個獨立單元電池所組成，每個獨立的單元電池包括光陽 極、對電極和電解質；每個獨立的單元電池的光陽極和對電極上都分布著金屬柵電極和絕 緣刻蝕線，并且金屬柵電極和絕緣刻蝕線緊密相鄰平行分布；所述的光陽極由基板、導電 膜、半導體薄膜、金屬柵電極和絕緣線構成。所述的對電極是 由導電基底、催化劑層、金屬柵電極和絕緣刻蝕線構成。所述的絕緣刻蝕線用激光或等離子或感光膠刻蝕或用物理或化學方法刻蝕，刻蝕 線的寬度為0. 001-10mm。所述的金屬柵電極是由低導電率的金屬組成，低導電率的金屬是銅、鋁、金、銀、 鐵、鎳、鈦、鉬或錫中的一種或二種以上金屬構成的合金，柵電極的寬度為0. 001-10mm。絕緣刻蝕線和金屬柵電極緊密相鄰分布，二者之間的距離為0. Ol-IOOOym ；所述的基板材料為玻璃基板、金屬基板或高分子基板。所述導電膜的導電材料為氧化錫、氧化銦、氧化銦錫、氧化銻錫、石墨、碳納米管、 氟摻雜氧化銦錫或氟摻雜氧化銻錫。所述的半導體薄膜、催化劑層和金屬柵電極通過印刷法、噴涂法或刮涂法制備。其 半導體薄膜和催化劑層不能覆蓋絕緣刻蝕線和金屬柵電極。然后在半導體薄膜上浸泡染 料。所述的電解質中包含起氧化還原的物質和電解液；電解液為有機溶劑、離子性液 體、熔融性鹽、半熔融性鹽或水。采用高分子膜、固化膠、玻璃粉、陶瓷等來保護金屬柵電極和絕緣區域并密封兩電 極。本發明的優勢在于(1)這種獨立平行染料敏化太陽能電池的光電轉換效率不會因單條制作不均勻而 受到顯著影響。(2)通過制作絕緣刻蝕線組成獨立平行的單元電池，可以使電池根據不同的需要 進行任意的串并聯。(3)在設計了合理的串并聯方式后，在獲得較高光電流的同時還可得到較高的電 壓，進而提高了整體太陽能電池的光電轉換效率。可擴大太陽能電池的使用范圍和用途。(4)在導電基底上制作絕緣刻蝕線，把導電基底分成幾個較小獨立部分，電池的電 阻比整塊大基板的電阻小，所以可大幅度提高大面積染料敏化太陽能電池的效率和輸出功 率，進而實現染料敏化太陽能電池的產業化。
圖1是本發明的大面積染料敏化太陽能電池的剖面圖。圖2是本發明的染料敏化太陽能電池并聯后與傳統技術制作的并聯染料敏化太 陽能電池比較的I-V特性曲線圖。圖中1基底；2透明導電膜；3半導體層；4金屬柵電極；5絕緣刻蝕線；6對電極導 電基底；7催化劑層；8保護密封層；9電解質。
具體實施例方式以下結合技術方案和附圖詳細敘述本發明的具體實施例。根據圖1所示，本發明包括光陽極、對電極和電解質，其中光陽極包括基底1、透明 導電膜2、半導體層3、金屬柵電極4、絕緣刻蝕線5。以上各部分組合為在基底1上涂一層 導電膜2，在導電膜2上設置有半導體層3、金屬柵電極4和絕緣刻蝕線5，其半導體層3不 能覆蓋金屬柵電極4和絕緣刻蝕線5。其對電極包括對電極導電基底6、催化劑層7、金屬柵 電極4和絕緣刻蝕線5，催化劑層7制備于對電極導電基底6上并且不能覆蓋金屬柵電極4 和絕緣刻蝕線5。光陽極和對電極相對設置，電解質9在光陽極和對電極之間，保護密封層 8既起到保護金屬柵電極4不被電解質9腐蝕和保護絕緣刻蝕線5防止電解質進入的作用， 又起到密封光陽極和對電極的作用。
實施例1使用50mmX50mm的FTO透明導電玻璃，在其表面用激光刻蝕制作絕緣刻蝕線，絕 緣區域的寬度是0. 1mm，長度是50mm，兩絕緣區域的間距為11mm。然后用絲網印刷方法在透 明導電玻璃上印刷導電銀漿料，制作金屬柵電極，在150°C下預烘干lOmin，在500°C下燒結 15min。金屬柵電極和絕緣刻蝕線緊密相鄰，二者距離為1mm。金屬柵電極寬度是1mm，厚度 是4μπι，長度是50mm，兩銀線之間的距離是11mm。然后再用絲網印刷的方法在透明導電玻 璃上印刷一層二氧化鈦漿料，在200°C下烘干lOmin，再在500°C下燒結30min。當溫度降至 80°C時，將其浸泡在N719染料(N719的濃度為5 X 10_4mol/L)的乙腈和叔丁醇溶液里17小 時進行染料負載，制作的光陽極備用。制作對電極，采用FTO導電玻璃作為對電極導電基底，采用制作光陽極上的金屬 柵電極和絕緣刻蝕線的方法來制作對電極上的金屬柵電極和絕緣刻蝕線，采用0. 5襯％氯 鉬酸的異丙醇溶液(溶液中含有聚乙二醇、乙基纖維素)作為鉬漿料，采用絲網印刷的方法 在對電極導電基底上印刷鉬漿料，在500°C下燒結30min，得到鉬對電極。采用厚度為60 μ m的高分子熱封膜surlyn膜將光陽極和對電極熱封在一起。最 后，通過對電極上的注入孔，將電解液(0. 6M的1- 丁基-3甲基咪唑碘、0. 03M的碘和0. 06M 碘化鋰的乙腈溶液)注入光陽極和對電極之間。再用紫外固化膠將注入孔封住，最后用 surlyn膜和載玻片二次封住注入孔，完成本發明的染料敏化太陽能電池組件的制作，通過 不同的連接方式制備了 H型染料敏化太陽能電池組件A、B、C。在AMI. 5的模擬太陽光照射下，測試太陽能電池組件的光電轉換效率，經串并聯A 組件后的光電轉換效率為3. 11 %，B串聯組件的光電轉換效率為2. 92 %，C并聯組件的光電 轉換效率為3. 10%。實施例2在光陽極及對電極上只印刷金屬柵電極，其余制備方法同實施例1，組裝制作的傳 統并聯式染料敏化太陽能電池組件D，所得的光電轉換效率僅為2. 07%。由上述結果證明 本發明技術制作的染料敏化太陽能電池并聯后的光電轉換效率比傳統技術制作的并聯染 料敏化太陽能電池的光電轉換效率提高49. 76%。二者比較的I-V特性曲線及性能參數由 圖2和表1所示實施例3在光陽極及對電極上印刷金屬柵電極和絕緣刻蝕線，其余制備方法同實施例1，組裝制作成傳統的串聯式W型染料敏化太陽能電池組件E和F，分別得到1.54%和1.63%的 光電轉換效率。由上述結果證明本發明技術制作的染料敏化太陽能電池串聯后的光電轉換效率 比傳統技術制作的W型和Z型串聯染料敏化太陽能電池的光電轉換效率分別提高89. 61% 和79. 14%，二者比較的性能參數如表1所示。表1 本發明的新型組件和傳統技術制作組件的性能參數對比
權利要求
一種染料敏化太陽能電池，其特征是該太陽能電池是由若干個獨立單元電池所組成，每個獨立的單元電池包括光陽極、對電極和電解質；每個獨立的單元電池的光陽極和對電極上都分布著金屬柵電極和絕緣刻蝕線，并且金屬柵電極和絕緣刻蝕線緊密相鄰平行分布；所述的光陽極由基板、導電膜、半導體薄膜、金屬柵電極和絕緣刻蝕線構成；所述的對電極由導電基底、催化劑層、金屬柵電極和絕緣刻蝕線構成。
2.如權利要求1所述的染料敏化太陽能電池，其特征是所述的絕緣刻蝕線用激光或 等離子或感光膠刻蝕或用物理或化學方法刻蝕，絕緣刻蝕線的寬度為0. 001-10mm。
3.如權利要求1所述的染料敏化太陽能電池，其特征是所述的金屬柵電極是由低導 電率的金屬組成，低導電率的金屬是銅、鋁、金、銀、鐵、鎳、鈦、鉬或錫中的一種或二種以上 金屬構成的合金，金屬柵電極的寬度為0. 001-10mm。
4.如權利要求1、2或3所述的染料敏化太陽能電池，其特征是所述的基板為玻璃基 板、金屬基板或高分子基板。
5.如權利要求1、2或3所述的染料敏化太陽能電池，其特征是所述的導電膜的導電 材料為氧化錫、氧化銦、氧化銦錫、氧化銻錫、石墨、碳納米管、氟摻雜氧化銦錫或氟摻雜氧 化銻錫。
6.如權利要求1、2或3所述染料敏化太陽能電池，其特征是所述的半導體薄膜、催化 劑層和金屬柵電極通過印刷法、噴涂法或刮涂法制備。
7.如權利要求1、2或3所述的染料敏化太陽能電池，其特征是電解質中包含起氧化 還原的物質和電解液；電解液為有機溶劑、離子性液體、熔融性鹽、半熔融性鹽或水。
全文摘要
本發明公開了一種染料敏化太陽能電池，屬于綠色可再生能源技術領域。該太陽能電池是由若干個在光陽極和對電極上都帶有絕緣刻蝕線的獨立單元電池所組成。太陽能電池的光陽極和對電極上都間隔分布著金屬柵電極和絕緣刻蝕線，并且金屬柵電極和絕緣刻蝕線緊密相鄰平行分布。這種獨立式染料敏化太陽能電池的光電轉換效率不會因單條制作不均勻而受到顯著影響，并且可以根據不同的需要進行任意串并聯組合并能得到較高的光電轉換效率，可進一步形成對接插板式大型太陽能電池。本發明的有益效果是通過合理的串并聯方式，可在獲得高光電流的同時得到較高電壓，進而提高了整體太陽能電池的輸出功率。
文檔編號H01L27/30GK101866759SQ20101018741
公開日2010年10月20日 申請日期2010年5月31日 優先權日2010年5月31日
發明者汪娜, 翁韜, 馬廷麗 申請人:大連理工大學