包括復合基材的染料敏化型太陽能電池的制作方法
【專利說明】包括復合基材的染料敏化型太陽能電池
[0001]本申請是申請日為2013年3月8日、申請號為201380017889.8、發明名稱為“包括復合基材的染料敏化型太陽能電池”的申請的分案申請。
技術領域
[0002]本發明涉及染料敏化型太陽能電池，其包括由微纖維制成的多孔絕緣基材，具有形成于多孔絕緣基材的一側上的第一導電層，和設置在多孔基材的相對側上的第二導電層。本發明進一步涉及用于染料敏化型太陽能電池的多孔絕緣基材。本發明還涉及生產多孔絕緣基材和導電層的方法。
【背景技術】
[0003]染料敏化型太陽能電池(dye-sensitized solar cell，DSC)在過去20年里一直在發展且以類似于光合作用的原理進行工作。不同于硅太陽能電池，這些電池使用可便宜制造的、對環境無害的(environmentally unobtrusive)且豐富的染料從日光中獲得能量。
[0004]傳統的夾層型(sandwich type)染料敏化型太陽能電池具有沉積在透明導電基材上的幾μπι厚的多孔1102電極層。T12電極包括通過使染料分子吸附至T12顆粒的表面上而染色并形成工作電極的相互連接的1102金屬氧化物顆粒。透明的導電基材通常為沉積在玻璃基材上的透明的導電氧化物。透明的導電氧化層用作從工作電極中提取光生電子的背接觸(back contact)的功能。！！(^電極與電解液和其它透明導電基材即對電極接觸。
[0005]日光由染料收集，產生注入T12顆粒的導帶(conduct1n band)中并進一步由導電基材收集的光激發電子。同時，氧化還原電解液中的Γ離子還原氧化的染料，并將產生的電子受體種類輸送至對電極。兩個導電基材在邊緣密封以保護DSC組件抵抗周圍氣氛，并防止電池內DSC組分的蒸發或泄漏。
[0006]W02011/096154公開了一種夾層型DSC組件，該DSC組件包括多孔絕緣基材，包括形成于多孔絕緣基材頂部的多孔導電金屬層并建立背接觸的工作電極，包含設置在多孔導電金屬層頂部的吸附染料的多孔半導體層，和面向多孔半導體層、適合面向太陽并將日光傳輸至多孔半導體層的透明基材。所述DSC組件進一步包括含有設置在與多孔絕緣基材的多孔半導體層相對的一側上且與多孔絕緣層有一定距離的導電基材，從而在多孔絕緣層和導電基材之間形成空間。電解液填充在工作電極和對電極之間的空間中。多孔導電金屬層可使用包含金屬的或金屬系顆粒的糊劑，將其通過印刷施涂在多孔絕緣基材的頂部，接著加熱、干燥和烘烤來生成。這種類型的DSC組件的優點為工作電極的導電層設置于多孔絕緣基材和多孔半導體層之間。因此，工作電池的導電層不必須為透明的，且可由高導電性的材料制成，這增加DSC組件的電流處理能力(current-handling capability)并確保DSC組件的高效率。
[0007]對多孔絕緣基材有高要求。理想的多孔絕緣基材必須滿足以下的要求:
[0008]基材必須具有足夠的機械強度以耐受機械處理和加工。在DSC加工期間，基材進行機械處理如:切割工序、堆疊和去堆疊工序、印刷工序、干燥工序、空氣/真空燒結工序、密封工序等。處理和加工期間，具有差的機械強度的基材能遭受損傷，導致有缺陷的太陽能電池，這降低制造產率。
[0009]基材必須具有足夠的耐高溫性并顯示出高溫處理后的低機械變形和/或機械穩定性的損失小。加工期間，基材承受在空氣中500°C的溫度和在真空或惰性氣氛中5800C _650°C的溫度。基材必須耐受在空氣中達到500°C的溫度而無顯著的機械變形或機械穩定性損失。基材必須耐受在真空或惰性氣氛中至少達到580°C以上的溫度而無顯著的機械變形或機械穩定性損失。
[0010]基材必須對高溫加工化學惰性。各種高溫處理期間，基材暴露在，例如熱空氣、包含有機溶劑的熱空氣、包含有機燃燒產物的熱空氣和氫氣中。基材必須對所有這些高溫處理化學惰性且不會化學反應產生能對DSC有害的化合物。
[0011]基材必須耐受用于DSC中的化學制品。DSC包含活性物質如有機溶劑，有機染料，和離子如Γ和I 3_等。為了具有良好的DSC性能穩定性和壽命，基材必須不與DSC的活性物質反應，而不會改變DSC的化學組成或產生能對DSC有害的化合物。
[0012]基材必須考慮到離子在電極之間的快速輸送。為了具有電極之間的快速離子輸送，基材必須具有足夠高的孔隙率(孔體積分數)和低彎曲度。
[0013]基材必須為電絕緣。這是為了防止對電極和集電器之間的電短路。
[0014]對電極和工作電極之間的距離受基材厚度的影響。對電極和工作電極之間的距離應盡可能地小以使對電極和工作電極之間的離子的輸送盡可能地快。因此，基材的厚度應盡可能地薄。
[0015]基材必須具有足夠的容量以阻止印刷墨中的導電性顆粒穿過基材滲出。為了避免印刷在基材的兩側上的導電層之間的電短路，基材必須能夠阻止印刷在基材的一側上的導電性顆粒穿過其滲出至基材的另一側。
[0016]總之，多孔絕緣基材必須允許離子穿過基材并防止顆粒穿過基材，且必須具有足夠的機械特性。
[0017]W02011/096154 中提出使用模塑纖維玻璃還體(molded fiber glass compact)作為多孔絕緣基材。模塑纖維玻璃坯體可為包含玻璃纖維的織造玻璃織物，或以具有玻璃纖維的片的形式的非織造玻璃纖維，將它們以合適的方式連接。
[0018]通過使用高溫相容的玻璃系基材，可滿足大部分上述要求。然而，如果基材由非織造微玻璃纖維制成，基材必須制得非常薄以耐受太陽能電池的制造期間的機械處理和加工。這是因為非織造玻璃微纖維具有非常差的機械性能的事實，且因此，為了增加它們的機械穩定性，必須生產具有非常高厚度的基于非織造玻璃微纖維的基材。具有高厚度的基材導致對電極和工作電極之間的大距離，且因此，導致對電極和工作電極之間的離子的輸送非常慢。
[0019]織造玻璃纖維，即玻璃織物，包括玻璃微纖維的織造紗線，其中各玻璃纖維紗線由多根玻璃微纖維組成。與非織造玻璃纖維相比，織造玻璃纖維固有地機械性更強。此外，織造纖維的厚度可在維持機械強度的情況下制得非常薄。然而，織造纖維在織造紗線之間經常具有大洞，這引起印刷墨中大量的顆粒以不受控制的方式直接穿過基材橫穿織造纖維的整個區域、引起對電極和集電器之間的電短路。因此，織物中的洞使得難以將包括金屬的或金屬系顆粒的墨施涂在多孔絕緣基材的兩側而不造成電短路，除非顆粒比洞大很多。然而，在墨中具有如此大的顆粒使得導電金屬層太厚。厚的導電金屬層將增加對電極和工作電極之間的距離，導致對電極和工作電極之間的離子輸送較慢。
【發明內容】
[0020]本發明的目的是提供具有滿足上述要求的多孔絕緣基材的染料敏化型太陽能電池。
[0021]此目的用由根據本發明的染料敏化型太陽能電池來實現。
[0022]染料敏化型太陽能電池包括工作電極；用于從工作電極中提取光生電子的第一導電層；由微纖維制成的多孔絕緣基材，其中第一導電層為形成于多孔絕緣基材的一側上的多孔導電層；包括設置在多孔基材的相對側上的第二導電層的對電極；和用于將電子從對電極轉移至工作電極的電解液。太陽能電池的特征在于，多孔絕緣基材包括織造微纖維的層和配置在基材的第一側的織造微纖維的層上的非織造微纖維的層。
[0023]微纖維為具有小于10 μ m且大于Inm的直徑的纖維。
[0024]我們已經發現，通過組合織造微纖維和非織造微纖維的性能，可實現理想多孔絕緣基材的所有上述要求。織造織物可制得非常薄且機械性非常強，但它在織造紗線之間包含大洞。另一方面，非織造微纖維機械性差，但具有優異的阻止印刷墨中的導電性顆粒穿過多孔絕緣基材滲出的過濾性能。通過將非織造微纖維的薄層沉積在織造微纖維的層的頂部，可防止墨中的顆粒直接穿過織造纖維，且可實現所有上述要求。通過織造微纖