光电模块构造的制作方法

专利名称：光电模块构造的制作方法
技术领域：
本发明涉及光电模块，及其相关系统、方法和组元。
背景技术：
光电池，有时称为太阳能电池，其可以将光，例如太阳光转换为电能。常见的光电池包括光敏材料(photoactive material)层以及设置在阴极和阳极之间的电荷载体材料(charge carrier material)层。当入射光激发该光敏材料时，电子被释放。该释放的电子在形成在该阴极和阳极之间的电路中以电能的形式被捕获。
在一类通常称为染料敏化太阳能电池(DSSC)的光电池中，该光敏材料通常包括半导体材料，例如二氧化钛；以及光敏剂，例如染料。通常，该染料可以吸收在工作波长范围内(例如在太阳光谱范围内)的光子。
在另外一类通常称为聚合物薄膜电池的光电池中，使用的光敏材料通常具有两种成分，电子受主和电子施主。该电子受主可以是p型聚合物导体材料，例如聚(亚苯基亚乙烯)或聚(3-己基噻吩)。该电子施主可以是纳米颗粒材料，例如富勒烯的衍生物(例如1-(3-甲氧基羰基)-丙基-1-1-苯基-(6，6)C61，称为PCBM)。
光电池可以串联和/或并联电连接到一起从而产生光电模块。通常，通过将一个电池的阴极和另一个电池的阴极电连接，并将该电池的阳极和该另一个电池的阳极电连接，从而使两个光电池并联连接。通常，两个光电池通过将一个电池的阳极和另一个电池的阴极电连接，从而串联连接。

发明内容
一方面，本发明提供一种模块，其包括具有电极的第一光电池和具有电极的第二光电池。该模块还包括设置在该第一光电池的电极和该第二光电池的电极中的互连(interconnect)(例如导电互连)，从而该第一光电池的电极和该第二光电池的电极相连接(例如电和/或机械连接)。
另一方面，本发明提供一种模块，其包括具有电极的第一光电池和具有电极的第二光电池。该模块还包括连接(例如电连接和/或机械连接)该第一光电池的电极和该第二光电池的电极的互连(例如导电互连)。构造该光电池从而该第一光电池的部分电极与该第二光电池的部分电极交迭。
再一方面，本发明提供一种模块，其包括第一和第二光电池。该第一光电池包括阴极、阳极以及在该阴极和阳极之间的光敏材料。该第二光电池包括阴极、阳极以及在该阴极和阳极之间的光敏材料。该模块还包括设置在该第一光电池的阴极和该第二光电池的阳极中的互连(例如导电互连)，从而该第一光电池的阴极和该第二光电池的阳极相连接(例如电和/或机械连接)。
再一方面，本发明提供一种模块，其包括第一和第二光电池。该第一光电池包括阴极、阳极以及在该阴极和阳极之间的光敏材料。该第二光电池包括阴极、阳极以及在该阴极和阳极之间的光敏材料。该模块还包括设置在该第一光电池的阴极和该第二光电池的阴极中的互连(例如导电互连)，从而该第一光电池的阴极和该第二光电池的阴极相连接(例如电和/或机械连接)。
再一方面，本发明提供一种模块，其包括第一和第二光电池。该第一光电池包括阴极、阳极以及在该阴极和阳极之间的光敏材料。该第二光电池包括阴极、阳极以及在该阴极和阳极之间的光敏材料。该模块还包括设置在该第一光电池的阳极和该第二光电池的阳极中的互连(例如导电互连)，从而该第一光电池的阳极和该第二光电池的阳极相连接(例如电和/或机械连接)。
再一方面，本发明提供一种模块，其包括第一和第二光电池。该第一光电池包括阴极、阳极以及在该阴极和阳极之间的光敏材料。该第二光电池包括阴极、阳极以及在该阴极和阳极之间的光敏材料。该第二光电池的阳极的一部分与该第一光电池的阴极的一部分交迭。该模块还包括连接(例如电连接和/或机械连接)该第一光电池的阴极和该第二光电池的阳极的互连(例如导电互连)。
再一方面，本发明提供一种模块，其包括第一和第二光电池。该第一光电池包括阴极、阳极以及在该阴极和阳极之间的光敏材料。该第二光电池包括阴极、阳极以及在该阴极和阳极之间的光敏材料。该第二光电池的部分阳极与该第一光电池的部分阴极交迭。该模块还包括连接(例如电连接和/或机械连接)该第一光电池的阴极和该第二光电池的阴极的互连(例如导电互连)。
再一方面，本发明提供一种模块，其包括第一和第二光电池。该第一光电池包括阴极、阳极以及在该阴极和阳极之间的光敏材料。该第二光电池包括阴极、阳极以及在该阴极和阳极之间的光敏材料。该第二光电池的部分阳极与该第一光电池的部分阴极交迭。该模块还包括连接(例如电连接和/或机械连接)该第一光电池的阳极和该第二光电池的阳极的互连(例如导电互连)。
再一方面，本发明提供一种模块，其包括第一和第二光电池，其中该第一和该第二光电池构造为阶梯式结构。
再一方面，本发明提供一种电连接光电池的方法，其包括在第一光电池的电极和第二光电池的电极中设置互连(例如导电互连)，从而连接(例如电连接和/或机械连接)该第一光电池的电极和该第二光电池的电极。
一方面，本发明提供一种模块，其包括第一和第二光电池。该模块还包括连接(例如，电连接和/或机械连接)该第一光电池的电极和该第二光电池的电极的互连(例如导电互连)。该互连包括粘合剂材料和部分设置在该粘合剂材料中的网格。
另一方面，本发明提供一种模块，其包括第一和第二光电池。该第一和该第二光电池每个都包括阴极、阳极以及在该阴极和阳极之间的光敏材料。该模块还包括电连接(例如电连接和/或机械连接)该第一光电池的电极和该第二光电池的电极的互连(例如导电互连)。该电连接的电极可以是阴极/阳极、阴极/阴极或阳极/阳极。该互连包括粘合剂材料和部分设置在该粘合剂材料中的网格。
一方面，本发明提供一种模块，其包括具有电极的第一光电池和具有电极的第二光电池，该第二光电池的电极具有连接(例如电连接)到该第一光电池的电极的弯曲末端。
另一方面，本发明提供一种模块，其包括具有电极的第一光电池和具有电极的第二光电池。在该第二光电池中的电极具有连接(例如电连接)到该第一光电池的电极的成形的(例如波纹形)或弯曲的部分。
一方面，本发明提供一种模块，其包括具有电极的第一光电池、具有电极的第二光电池、以及导电互连。该第一光电池的电极与该第二光电池的电极交迭。该互连电连接该第一光电池的电极和该第二光电池的电极。该互连机械连接该第一和该第二光电池。
另一方面，本发明提供一种模块，其包括具有电极的第一光电池、具有电极的第二光电池、以及互连，该第二光电池与第一光电池交迭，从而确定一交迭区域，该互连邻近该交迭区域从而电连接并且机械连接该第一和该第二光电池。
再一方面，本发明提供一种光电模块，其包括具有含有第一表面的电极的第一光电池、具有含有第二表面的电极的第二光电池、以及连接(例如电连接和/或机械连接)该第一和该第二光电池的互连(例如导电互连)。该互连被该第一和该第二表面支持。
再一方面，本发明提供一种模块，其包括第一和第二光电池。该模块的效率至少是该光电池中一个的效率的约80％。
再一方面，本发明提供一种方法，其包括通过连续工艺制备一个或多个前述模块。
再一方面，本发明提供一种方法，其包括通过辊至辊(roll-to-roll)工艺制备一个或多个前述模块。
实施例可以提供下列优点中的一个或多个。
一些实施例中，该互连可以连接(例如串联)两个或更多个光电池而只有少量欧姆损耗。当设法使光电池和模块输出的电压、电流强度和/或功率最大化时，这是特别理想的。
某些实施例中，该互连可以连接(例如串联连接)两个或更多个光电池，与单个光电池相比，其填充因子少量或没有增加，且其效率少量或没有降低。
一些实施例中，该互连可以机械连接相邻的光电池，从而减少(例如消除)在光电模块中使用密封件(例如包括粘合剂的密封件)。通过例如减少可以与该光电池中含有的一个或更多个元件反应的一种或多种材料的量和/或存在，和/或通过例如减少(例如消除)模块中存在的泄漏通道，可以提高该模块的使用寿命。
某些实施例中，该互连可以在该第一光电池的阴极和该第二光电池的阳极之间提供坚固的机械连接和/或高度导电的连接。
在包括网格形状的互连的实施例中，该互连中的网格可以与每个电极形成多点电接触。电极之间具有多点接触可以通过为经由互连在电极之间流动的电流提供更大的面积和体积来增加电极之间的电导率。可选择地或另外地，电极之间具有多点接触可以增强经由互连在电极之间的电子流的稳定性。例如，在某种情形下，模块可能被折曲或弯曲，这可以暂时或永久地打破互连和电极之一之间的接触点。其导致的电极间电导率的减小在存在多点电接触时减少了。
在包括网格形状的互连的实施例中，该网格可以由相对精细的线形成而不会有很多困难。
在包括网格形状的互连的实施例中，该金属网格的绝对高度可以设置电极之间的缝隙/间距，并且使该缝隙/间距相对较小。
在包括含有粘合剂的互连的实施例中，该粘合剂通过例如在模块中相邻光电池中电极之间提供多点粘结，可以提高该互连的机械完整性。可选择地或另外地，该粘合剂可以在模块的某些不需要电接触的元件之间提供电绝缘。
一些实施例中，该模块可以在相邻光电池中电极之间提供良好的电接触，而没有单独的互连来提供电联系。这可以减少与制备该模块有关的成本和/或复杂度。例如，通过在制备该模块的过程中形成阴极(和/或阳极)的成形(例如波纹形)部分，可以减小对准该模块的不同部分的复杂度。
某些实施例中，在处理(例如二氧化钛的烧结)期间可以在阴极的表面上形成氧化物膜。在这样的实施例中，阴极部分的成形过程可以打破该氧化物膜，这可以提高阴极和阳极之间的电导率。
一些实施例中，粘合剂/基板结合的潜在表面积可以相对大，这可以提高光电池的粘合强度和可靠性。
某些实施例中，模块可以包括更少的组元，这可以提高可靠性和/或减少成本。
一些实施例中，形成互连的一种或多种材料可以商业购买得到，其成分对于模块的其它组元(例如电解质)是充分惰性的。
某些实施例中，模块可以包括电连接并机械连接光电池的柔性基板从而形成柔性模块，该柔性模块非常适合于大范围实施。
一些实施例中，互连可以电和/或机械互连一个或多个光电池(例如一个或多个相邻的光电池)，从而形成具有增强的稳定性、增强的可靠性、减小的光电池(例如相邻的光电池)之间无效(inactive)面积和/或减小的光电池(例如相邻的光电池)之间无效体积的光电模块。
说明书、附图和权利要求中阐明特征和优点。


图1是包括两个光电池的光电模块实施例的剖视图。
图2A是光电模块的另一实施例的剖视图。
图2B是图2A中光电模块的底视图。
图3是包括三个光电池的光电模块实施例的剖视图。
图4是包括三个光电池的光电模块的另一实施例的剖视图。
图5是光电模块实施例的剖视图。
图6是图5中光电模块的一部分的剖视图。
图7是在垂直于图5和6所示剖面的方向经过光电模块中部分互连的剖视图。
图8A是包括串联构造的三个电池的光电模块的侧视图。
图8B是图8A中相邻电池之间互连的详图。
图9A是包括串联构造的七个电池的光电模块的侧视图，其包括位于一个电池的阳极和相邻电池的阴极之间的互连糊。
图9B是具有挤压到位的糊的图9A的侧视图。
图10是光电模块实施例的剖视图。
图11是在垂直于图10中剖面的方向上光电模块中阴极的透视图。
图12是光电模块实施例的剖视图。
图13是图12中示出的光电模块的一部分的剖视图。
图14是光电模块的另一实施例的剖视图。
图15是在垂直于图14中剖面的方向上光电模块中阴极的透视图。
图16是DSSC实施例的剖视图。
图17是制备DSSC的方法实施例的示意图。
图18是聚合物光电池的剖视图。
图19示出包括光电模块的结构。
图20示出包括光电模块的结构。
图21示出包括光电模块的结构。
图22图解示出两个独立的电池和该两个电池组合形成的模块的效率。
不同附图中相同的附图标记表示相同的元素。
具体实施例方式
总体上，本发明涉及通过使用一个或更多个互连电和/或机械连接一个或更多个光电池(例如一个或更多个相邻光电池)而形成的光电模块。下面说明这种模块的实施例。
在一些实施例中，光电模块的效率可以是光电模块中包含的一个或更多个光电池的效率的至少约80％(例如至少约85％、至少约90％、至少约95％、至少约98％)。
如此处所述，光电池的效率如下测量。将光电池暴露在A.M.1.5(100mW/cm2)光源(Oriel太阳模拟器)下30秒。测量在该光电池内产生的电流并相对于电压绘图从而测定该光电池的效率。
如在此使用的，光电模块的效率如下测量。将光电模块暴露在A.M.1.5(100mW/cm2)光源(Oriel太阳模拟器)下30秒。测量在该光电模块内产生的电流并相对于电压绘图从而测定该光电模块的效率。
图1示出光电模块100的剖视图，该光电模块包括将第一光电池110连接到第二光电池115上的导电互连105。在一示例中，导电互连105可包括针(stitch)。光电池110包括阴极120、光敏层122、电荷载体层124、阳极126和基板128。类似地，光电池115包括阴极140、光敏层142、电荷载体层144、阳极146和基板148。光电池110和115相对彼此以阶梯式结构放置，从而光电池110的一部分155与光电池115的一部分160交迭，因此形成交迭区域165。该导电互连105设置在该交迭区域165中从而提供从阴极120到阳极146的导电路径。
通常，设置导电互连105的尺寸从而产生从阴极120到阳极146的导电并且连续的路径。例如，在一些实施例中，设置导电互连105的尺寸从而在交迭区域165内延伸经过阴极120、基板148和阳极146。在某些实施例中，该导电互连105具有最小约30微米和/或最大约500微米的长度(例如从约100微米至约200微米的长度)。
通常，可以根据需要选择导电互连105的宽度。在一些实施例中，选择导电互连105的宽度从而使交迭区域165的宽度相对较小。例如，某些实施例中，导电互连105的宽度小于约1500微米(例如小于约1000微米、小于约500微米)。一般地，导电互连105至少约为100微米宽。当试图增加光电池110和115中的可用光敏面积时，减小交迭区域165的宽度是特别需要的。例如，随着交迭区域165的宽度减小，模块100的有效区域(active region)的面积增加。
通常，导电互连105可以由任何导电材料制成。如此处所述，导电材料的电导率在25℃至少约为10(Ω-cm)-1。一般地，用于形成导电互连105的材料相对比较坚固，从而将光电池110固定到光电池115上。用于形成导电互连105的示例性材料例如包括金属，如铜和钛；以及合金，如钢、锡铅合金、锡铋合金、铅铋合金、锡铋铅合金。在某些实施例中，导电互连105可以由涂敷(coat)有金属或合金的材料(例如聚合物纤维，诸如尼龙纤维、聚酯纤维、凯夫拉尔(Kavlar)纤维、奥纶(Orlon)纤维)形成。在一些实施例中，导电互连105由涂敷有低温焊料的金属或合金形成，该低温焊料例如为锡铅合金、锡铋合金、铅铋合金或者锡铋铅合金。在某些实施例中，导电互连由涂敷有环氧树脂例如银基环氧树脂的金属或合金制得。
参照图2A和2B，导电的或电绝缘的互连200(例如导电的和/或电绝缘的针)可用来将端子接触205(例如金属带、薄金属箔和金属编织物)固定到光电模块100的端部处的电极上(例如在阳极126和在阴极140处)。端子接触205通常用作光电模块和电子器件之间的连接位置，从而光电模块内产生的电力可以用于驱动相连的电子器件。
通常，互连200可以由任何想要的材料制成。一般地，互连200由坚固得足以将端子接触固定到想要电极上的材料制成。用于形成互连200的示例性材料包括以上对于导电互连105所述的材料和聚合物。
虽然说明了包括两个光电池的光电模块100，但是光电模块可以包括多于两个(例如三个、四个、五个、六个、七个)的光电池。例如，如图3所示，光电模块200包括第一光电池180、第二光电池185和第三光电池190。导电互连192用于连接该光电池180的阴极和该光电池185的阳极，第二导电互连194用于连接该光电池185的阴极和该光电池190的阳极。
虽然说明了光电池相互以阶梯方式放置从而在相邻电池中形成交迭区域，但是在一些实施例中，光电模块中的光电池具有不同的排列。图4示出包括共用公共基板290的光电池210、212和214的光电模块220。光电池210、212和214每个都包括设置在阴极270和阳极275之间的光敏层280和电荷载体层285。电绝缘材料(例如由粘合剂形成的)区域295位于电池210和212之间以及电池212和214之间。电池210的阴极270的一部分与电池212的阳极275的一部分交迭从而形成交迭区域265，导电互连105置于该交迭区域中(在基板290中、在电池212的阳极275中、在电池210和212之间的区域295中、在电池210的阴极270中、以及在基板300中)。类似地，电池212的阴极270的一部分和电池214的阳极275的一部分交迭从而形成交迭区域267，导电互连105置于该交迭区域中(在基板290中、在电池214的阳极275中、在电池212和214之间的区域295中、在电池212的阴极270中、以及在基板300中)。
图5示出包括共用公共基板340和345的光电池310、320和330的模块300。每个光电池包括阴极350、光敏层360、电荷载体层370和阳极380。
如图6和7所示，互连301由网格305和电绝缘材料390形成。网格305具有导电区域385和开口区域387，电绝缘材料390设置在网格305的开口区域387中。网格305的上表面393接触阳极380，网格305的下表面395接触阴极350。采用这种安排，相邻电池中的电极350和380通过网格305的区域385在电极350和380之间的方向上电连接，同时相邻的光电池通过在垂直平面中的粘合剂材料397相互电绝缘。
网格305可以用各种方式制备。在一些实施例中，网格305是拉制的网格。例如，通过从材料板(例如导电材料，诸如金属或合金)去除区域387(例如通过激光去除、通过化学刻蚀、通过穿孔)，接着拉伸该板(例如在两维方向上拉伸该板)，从而制得拉制的金属网格。在某些实施例中，网格305是通过去除区域387(例如通过激光去除、通过化学蚀刻、通过穿孔)而形成的金属板，随后不拉伸该板。在一些实施例中，网格305是通过编制形成实心区域385的材料的导线而形成的编织网格。例如，可以利用平织、荷兰式编织(Dutch weave)、斜织、荷兰式斜织或其组合来编织导线。在某些实施例中，网格305由焊接的导线网格制得。
通常，实心区域385整个由一导电材料形成(例如区域385由导电的基本同质的材料形成)。可以用在区域385中的导电材料的示例包括导电金属、导电合金和导电聚合物。示例性导电金属包括金、银、铜、镍、钯、铂和钛。示例性导电合金包括不锈钢(例如332-不锈钢、316-不锈钢)、金合金、银合金、铜合金、镍合金、钯合金、铂合金和钛合金。示例性导电聚合物包括聚噻吩类(例如聚(3，4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT))、聚苯胺类(例如掺杂的聚苯胺)、聚吡咯类(例如掺杂的聚吡咯)。在一些实施例中，使用导电材料的组合。
在一些实施例中，实心区域385由涂敷有不同材料(例如利用镀金属法、利用气相沉积)的材料形成。通常，内部材料可由任何想要的材料(例如电绝缘材料、导电材料或半导体材料)形成，外部材料是导电材料。可形成内部材料的示例性电绝缘材料包括纺织品、光纤材料、聚合物材料(例如尼龙)和天然材料(例如亚麻、棉花、毛、丝绸)。可形成外部材料的示例性导电材料包括上面说明的导电材料。可形成外部材料的半导体材料的示例包括铟锡氧化物、氟化锡氧化物、锡氧化物和锌氧化物。在一些实施例中，内部材料是纤维的形式，外部材料是涂敷在内部材料上的导电材料。在某些实施例中，内部材料是网格(参见上面的说明)的形式，形成为网格后，其被涂敷外部材料。例如，内部材料可以是拉制金属网格，外部材料可以为涂敷在拉制金属网格上的PEDOT。
一般地，网格305在基本垂直于基板340和345表面的方向上的最大厚度至少为10微米(例如至少约15微米、至少约25微米、至少约50微米)和/或最大约为250微米(例如最大约为200微米、最大约为150微米、最大约为100微米、最大约为75微米)。
虽然图7中示出了横截面形状，但是开口区域387一般可以具有任何需要的形状(例如方形、圆形、半圆形、三角形、椭圆形、梯形、不规则形状)。在一些实施例中，网格305中不同的开口区域387可以具有不同的形状。
虽然图7示出为菱形图案，但是实心区域385一般可以形成任何需要的图案(例如矩形、圆形、半圆形、三角形、椭圆形、梯形、不规则形状)。在一些实施例中，网格305中不同的实心区域385可以具有不同的形状。
图8A和8B示出包括彼此以阶梯形结构放置的光电池505、510和515的光电模块500。光电池515的一部分525与光电池510的一部分520交迭。类似地，光电池510的一部分533与光电池505的一部分535交迭。通过用导电带547包住阳极545的边缘，电池510的阴极540电连接到相邻电池505的阳极545。在一些实施例中，调整导电带547的大小使其仅接触阴极540的一部分，或使其接触阴极540的整个后面，从而在相邻电池之间提供机械附着。在带547没有覆盖阴极540的整个后面的实施例中，阴极540后面的暴露部分可选择地涂敷非导电粘合剂从而补充到相邻电池505的阳极545的附着。
虽然元件547说明为导电带，但是更一般地，元件547可以是具有上述大体结构的任意种类导电元件。在一些实施例中，元件547呈涂层形式。
图9A示出包括以阶梯式结构排列的七个交迭的电池555a-555g的光电模块550。互连560a沿着阳极565a平行于电池555a的边缘设置，用于与相邻电池555b的阴极570的电连接和机械连接。类似地，互连560b-560f连接交迭的电池555b和555c、555c和555d、555d和555e、555e和555f以及555f和555g。图9B示出压到位从而连接相邻电池的互连560。通常，互连560可以由任何合适的导电材料形成。在一些实施例中，一个或更多个互连560由导电糊珠形成。可选择地，一个或更多个互连560可以由热塑性导电带、焊料和/或纤维形成。常见地，在这样的实施例中，形成互连560的材料平行于一个电池的边缘放置，从而在施加适量的热和压力后，该互连散布在一个电池的阴极和相邻电池的阳极上。
可以通过不涉及使用热或压力(例如喷墨印刷、涂抹/干燥)的工艺形成一个或更多个互连560a-560f。可选地，可以利用传热工艺形成一个或更多个互连560a-560f。
在某些实施例中，如在此说明的，一个或更多个互连560a-560f可以由网格(例如粘合剂网格)形成。
图10示出包括共用公共基板3140和3145的光电池3110、3120和3130的光电模块3100。每个光电池包括粘合剂3147、阴极3150、光敏层3160、电荷载体层3170、阳极3180和粘合剂3190。阴极3150包括成形(例如波纹形、凸形)部分3152，部分3152构造为穿过粘合剂3190延伸并与阳极3180电接触。如图11所示，阴极3150具有多个成形部分3152，成形部分3152之间有非成形部分。通过这种排列，阴极3150的成形部分3152在阴极3150和阳极3180之间形成电连接而不需要使用单独的互连元件。
虽然图11中示出为圆形，更通常地，成形部分3152可以具有任何需要的形状(例如方形、圆形、半圆形、三角形、椭圆形、梯形、波纹形诸如正弦的波纹形、不规则形状)。
通常，阴极3150由相对薄的导电层形成。在一些实施例中，阴极3150由金属或合金(例如钛或铟)箔制得。在某些实施例中，阴极由相对薄的塑料层(参见下面关于基板3140和3145的说明)形成，该塑料层的表面覆盖有导电材料(例如金属或合金，诸如钛或铟)。成形部分3152可以利用各种技术形成，该技术包括标准的箔压纹技术。例如，在某些实施例中，可以通过在具有钝头针的缝纫机下移动箔3150来形成成形部分3152。如另一示例，在一些实施例中，通过在具有突起(例如波纹形)的旋转轮(spinning wheel)上面移动箔3150而形成成形部分3152。成形部分3152可以在并入到模块3100中之前形成在箔3150中，或者成形部分3152可以在制造模块3100时形成在箔3150中(见下面的说明)。通常，除了凸纹3152外，电极3150基本上是平坦的。尽管凸纹3152通常可以具有任何需要的形状，但是凸纹3152一般具有很小的半径(例如使得凸纹3152的形成不会导致电极3150中孔的形成)。
图12和13示出包括光电池8100、8200、8300和8400的光电模块8000的局部分解视图。每个电池包括阴极侧8010和阳极侧8020。每个阴极侧8010包括基板8012、粘合剂层8014(例如箔粘合剂，诸如1密耳厚的箔粘合剂)、导电层8016(例如金属层，诸如2密耳厚的钛箔)和光敏层8018(例如染料敏化的二氧化钛层)。每个阳极侧包括基板8020和催化剂层8022(例如含铂催化剂层)。在电池8100、8200和8300中，层8016的每个部分的区域8017是成形的(例如，凸形、波纹形)，且在相邻光电池的层8016之间有间隙8019。
模块8000还包括导电桥接器(electrically conductive bridge)8026，在模块8000组装后该导电桥接器8026直接接触相应层8016的相应部分8017，从而提供电连接。桥接器8026通常是顺应性的(compliant)和导电的。例如桥接器8026可以由含有导电颗粒(例如处于充足的填充，从而赋予桥接器8026足够的导电性)的顺应性聚合物基体(compliant polymer matrix)形成。在一些实施例中，一个或更多个桥接器8026可含有钛(例如以钛复合物的形式)。虽然图12和13的分解视图中显示为分开的组件，但是在一些实施例中，桥接器8026可以直接设置在相应层8016的相应部分8017上。例如，可以将桥接器8026印刷到相应层8016的相应部分8017上。
模块8000还包括密封件8028和8029。密封件8028和8029减少了元件的漏电(例如在相邻的电池之间)和/或减少了元件的腐蚀(例如如果湿气进入一个或更多个电池)。当组装模块8000时，密封件8029的上端和下端分别接触层8014和8022，密封件8028的上端和下端分别接触层8026和8022。密封件8028和8029通常由例如在此描述的粘合剂材料形成，并且可以任选地包括一个或多个结构性组元(structural component)(例如一个或更多个珠)。在密封件8028和/或8029含有一个或更多个结构性组元的实施例中，该结构性组元通常是不导电的和/或充分低填充的，从而密封件8028和/或8029是非导电的。
模块8000还包括端部密封件8030和8032(例如粘合剂端部密封件)。
不希望受到理论的限制，认为具有图12和13所示的总体设计的模块可以用于相对薄的光电池模块，该光电池模块仍可提供良好的电能和效率。认为使用多个粘合剂层(例如密封件8028和8029)可以提供的好处是可以实现模块的构造而不通过粘合剂压层的一部分。这也可以减少划伤电极之一的可能性，划伤电极可能产生电导率减小的局部区域。
图14示出光电模块4000，其中阴极3350具有被构造来穿过粘合剂3190延伸并与阳极3180产生电接触的弯曲端部3352。如图15所示，弯曲端部3352形成阴极形成直线。采用这种设置，阴极3350的弯曲端部3352在阴极3350和阳极3180之间形成电连接而没有使用单独的互连元件。
尽管在图15中示为连续的，但是在一些实施例中，弯曲端部3352可以是非连续的(例如，当如图15所示地观察时，可以有阴极3350的具有弯曲端部的交替部分)。
此外，虽然已经说明阴极是由某种材料形成的箔制成的，但是在一些实施例中，主要箔片(primary foils)中的一个或更多个可以由不同的材料形成。例如，在一些实施例中，阴极可以由透明导电材料的箔形成。这种材料的示例包括某些金属氧化物，如铟锡氧化物(ITO)、锡氧化物、氟掺杂的锡氧化物和锌氧化物。
在某些其它实施例中，阴极可以是导电材料的不连续层，例如导电网格。合适的网格材料包括金属，例如钯、钛、铂、不锈钢和它们的合金。该网格材料可包括金属导线。导电网格材料也可包括已经涂敷有导电材料例如金属的电绝缘材料。该电绝缘材料可以包括纤维，例如纺织纤维或光纤。纺织纤维的示例包括合成聚合物纤维(例如尼龙)和天然纤维(例如亚麻、棉花、毛和丝绸)。该网格电极可以是柔性的，从而促进例如通过连续制造工艺形成光电池。
例如关于导线(或纤维)直径和网格密度(即网格每单位面积的导线(或纤维)数)，网格阴极可以采用很多形式。例如，该网格可以是规则的或不规则的，具有任何数目的开口形状(例如方形、圆形、半圆形、三角形、菱形、椭圆形、梯形和/或不规则形状)。可以例如基于网格导线(或纤维)的电导率，需要的光透射率，基于网格导线(或纤维)的电导率，需要的光透射率、柔性和/或机械强度来选择网格的形状因子。一般地，网格电极包括导线(或纤维)网格，其平均导线(或纤维)直径在从约1微米至约400微米的范围，导线(或纤维)之间的平均开口面积在从约60％至约95％的范围。可使用各种技术形成网格电极，例如，喷墨印刷、光刻和/或烧蚀(例如激光烧蚀)。在一些实施例中，网格电极可以由拉制的金属网格形成。2003年3月23日提交的美国专利申请No.10/395,823和2003年11月26日提交的美国专利申请No.10/723,554中说明了网格电极。
粘合剂3147和3190通常可由任何电绝缘粘合剂形成。这种粘合剂的示例包括烯烃、丙烯酸酯、聚氨脂橡胶的共聚物和其它热熔性粘合剂。可商业购买的粘合剂示例包括Bynel粘合剂(从杜邦购买)、热粘性粘合剂845(从3M购买)和DyneonTMTHV 220含氟聚合物粘合剂(从3M购买)。
DSSC在一些实施例中，光电池是DSSC。图16是DSSC4300的剖视图，该DSSC4300包括基板4310和4370、导电层(电极)4320和4360、催化剂层4330、电荷载体层4340和光敏层4350。
光敏层4350通常包括一种或多种染料和同染料关联的半导体材料。
染料的示例包括黑色染料(例如三(异硫氰酸根)-钌(II)-2，2′6′，2″-四吡啶-4，4′，4″-三羧酸，三-四丁基铵盐)、橙色染料(例如三(2，2′-联吡啶-4，4-二羧酸基)二氯化钌(II))、紫色染料(例如顺-二(异硫氰酸根)二-(2，2′-联吡啶-4，4′-二羧酸基)-钌(II))、红色染料(例如曙红)、绿色染料(例如部花青)和蓝色染料(例如氰蓝)。其它染料的示例包括花青素、卟啉、酞花青染料、二羟基环丁烯二酮(squarates)和某些含金属染料。
在一些实施例中，光敏层4350可以包括形成图案的多种不同的染料。图案的示例包括伪装图案、瓦状图案和鹅卵石图案。在一些实施例中，该图案可以限定便携式电子器件(例如膝上型电脑、蜂窝电话)外壳的图案。在某些实施例中，光电池提供的图案可以限定汽车主体上的图案。例如，于2004年12月21日提交的待审的并且共同拥有的U.S.S.N 60/638,070说明了图案化的光电池，其在此引用作为参考。
半导体材料的示例包括化学式为MxOy的材料，其中，M可以是例如钛、锆、钨、铌、镧、钽、铽或锡，x和y是大于零的整数。其它合适的材料包括硫化物、硒化物、碲化物和钛、锆、钨、铌、镧、钽、铽、锡或其组合的氧化物。例如，合适的材料可以是TiO2、SrTiO3、CaTiO3、ZrO2、WO3、La2O3、Nb2O5、SnO2、钛酸钠、硒化镉(CdSe)、硫化镉和铌酸钾。
一般地，层4350中含有的半导体材料是纳米颗粒的形式。在一些实施例中，纳米颗粒具有的平均尺寸在约2nm和约100nm之间(例如在约10nm和约40nm之间，如约20nm)。例如，待审的并且共同拥有的U.S.S.N.10/351,249说明了纳米颗粒半导体材料的示例，其在此引用作为参考。
例如，通过高温烧结或反应连接剂(reactive linking agent)可以使纳米颗粒互相连接。
在某些实施例中，连接剂可以是非聚合化合物。该连接剂可表现出与半导体颗粒相似的导电性。例如，对于TiO2粒子来说，该试剂可包括Ti-O键，例如在钛烷基氧化物中含有的那些键。不希望受到理论的限制，认为钛四烷基氧化物颗粒可以相互反应，可以和TiO2颗粒反应并且可以与基板上的导电涂层反应，从而形成钛氧化物桥接器，该桥接器使颗粒互相连接并且使颗粒连接到导电涂层(未示出)。结果，交叉连接剂(cross-linking agent)提高了半导体层的稳定性和整体性。例如，交叉连接剂可以包括有机金属类，如金属醇盐、金属醋酸盐或金属卤化物。在一些实施例中，交叉连接剂可以包括与半导体中的金属不同的金属。在示例性交叉连接步骤中，通过以0-100％，例如约5％到约25％，或大约20％的重量比，混合溶胶-凝胶前体试剂和溶剂来制备交叉连接剂溶液，该前体试剂例如为钛四烷基氧化物，诸如四丁氧基钛，该溶剂例如为乙醇、丙醇、丁醇或更高级的伯醇、仲醇或叔醇。通常，该溶剂可以是相对于前体试剂稳定的任何材料，例如不与该试剂反应产生金属氧化物(例如TiO2)。该溶剂优选基本上无水，水会导致TiO2的沉淀。例如，已公开的美国专利申请2003-0056821中说明了这种连接剂，其在此引用作为参考。
在一些实施例中，该连接剂可以是聚合物连接剂，如聚(n-丁基钛酸酯)。例如，待审的并共有的U.S.S.N.10/350,913中说明了聚合物连接剂的示例，其在此引用作为参考。
连接剂可以允许在较低的温度(例如低于约300℃)，并且在一些实施例中在室温下制备互连的纳米颗粒层。较低温度的互连工艺能够经受使用聚合物基板的连续(例如，辊至辊(roll-to-roll))制造工艺。
互连的纳米颗粒通常被染料光敏化。染料促进入射光转化为电力，从而产生想要的光电效应。人们认为染料吸收入射光导致染料中电子的激发。然后激发的电子的能量从染料的激发能级转移到互连的纳米颗粒的导带中。该电子跃迁导致电荷的有效分离和想要的光电效应。因此，得到在互连的纳米颗粒的导带中的电子，从而驱动外部负载。
染料可以被吸附(例如化学吸附和/或物理吸附)在纳米颗粒上。例如，可以根据染料在工作波长范围内(例如在可见光光谱中)吸收光子的能力、根据染料在纳米颗粒的导带中产生自由电子(或电子空穴)的能力、根据染料与纳米颗粒配位或吸附到纳米颗粒上的效果和/或根据染料颜色来选择染料。
在一些实施例中，光敏层4350还可包括一种或多种共敏化剂，该共敏化剂将敏化染料吸附到互连的半导体氧化物纳米颗粒材料的表面，这可增加DSSC的效率(例如通过提高电荷传输效率和/或降低电子从互连的半导体氧化物纳米颗粒到敏化染料的反向传输)。在形成光敏化的互连的纳米颗粒材料时，敏化染料和共敏化剂可以一起添加或分开添加。该共敏化剂可以向受主给出电子从而形成稳定的阳离子根，这可以提高电荷从敏化染料到半导体氧化物纳米颗粒材料的传输效率，和/或可以减少到敏化染料或共敏化剂的反向电子传输。该共敏化剂可包括(1)氮原子上的自由电子对和与氮原子键接的芳香环的杂化轨道的结合，以及电子迁移之后的通过这些杂化轨道导致的阳离子根的共振稳定性；和/或(2)配位基团，如羧基或磷酸盐，其作用是将共敏化剂固定到半导体氧化物上。合适的共敏化剂的示例包括芳香胺类(例如颜料，诸如三苯胺及其衍生物)、咔唑类和其它稠环类似物。例如，待审的并且共同拥有的U.S.S.N.10/350,919说明了包括共敏化剂的光敏层的示例，其在此引用作为参考。
在一些实施例中，光敏层4350还包括半导体材料的大颗粒，其中至少一些半导体大颗粒相互化学键合，并且至少一些半导体纳米颗粒与半导体大颗粒键合。染料吸附(例如化学吸附和/或物理吸附)到半导体材料上。大颗粒是指平均颗粒尺寸至少约为100纳米(例如至少约为150纳米、至少约为200纳米、至少约为250纳米)的颗粒的集合。例如，待审的并且共同拥有的U.S.S.N.60/589,423中说明了光敏层中包括大颗粒的光电池的示例，其在此引用作为参考。
在某些实施例中，DSSC可以包括可增强光电材料与基体材料的粘附性的涂层(例如利用相对低的工艺温度，如低于约300℃)。例如，待审的并且共同拥有的U.S.S.N.10/351,260中说明了这种光电池及其制备方法，其在此引用作为参考。
通常根据所需要的电导率、光学性质和/或层的机械性能来选择导电层4320的成分和厚度。在一些实施例中，层4320是透明的。适合形成这种层的透明材料的示例包括某些金属氧化物，如铟锡氧化物(ITO)、锡氧化物和掺杂氟的锡氧化物。在一些实施例中，导电层4320可以由箔(例如钛箔)形成。导电层4320可以是例如具有约100nm和约500nm之间的厚度(例如具有约150nm和300nm之间的厚度)。
在某些实施例中，导电层4320是不透明的(也就是，可以透过入射在其上的可见光谱能量的大约10％以下)。例如，层4320可以由连续的不透明金属层形成，如铜、铝、铟或金。在一些实施例中，导电层可具有形成在其上的互相连接的纳米颗粒材料。例如，这样的层可以呈带状形式(例如具有受控的尺寸和相对间隔，在第一和第二柔性基板之间)。例如，待审的并且共同拥有的U.S.S.N.10/351,251中说明了这样的DSSC的示例，其在此引用作为参考。
在一些实施例中，导电层4320包括不连续的导电材料层。例如，导电层4320可包括导电网格。合适的网格材料包括金属，诸如钯、钛、铂、不锈钢和它们的合金。在一些实施例中，该网格材料包括金属导线。导电网格材料也可以包括电绝缘材料，该电绝缘材料涂敷有导电材料，如金属。该电绝缘材料可以包括纤维，如纺织纤维或单纤维丝。该纤维的示例包括合成聚合物纤维(例如尼龙)和天然纤维(例如亚麻、棉花、毛和丝绸)。该网格导电层可以是柔性的，从而促进例如通过连续制造工艺形成DSSC。例如，待审的并且共同拥有的U.S.S.N.10/395,823、10/723,554和10/494,560中说明了具有网格导电层的光电池，其每一个均在此引用作为参考。
关于例如导线(或纤维)的直径和网格密度(即网格每单位面积的导线(或纤维)的数目)，网格导电层可以具有非常多的形式。例如网格可以是规则的或不规则的，具有任何数目的开口形状。例如可以根据网格的导线(或纤维)的电导率、所需的光透射率、柔性和/或机械强度来选择网格形状因子(例如导线的直径和网格密度)。一般地，网格导电层包括平均导线(或纤维)直径在约1微米至约400微米范围，且导线(或纤维)之间的平均开口面积在约60％至约95％范围的导线(或纤维)网格。
催化剂层4330通常由能够催化位于其下面的电荷载体层中的氧化还原反应的材料形成。可形成催化剂层的材料示例包括铂和聚合物，如聚噻吩类、聚吡咯类、聚苯胺类和它们的衍生物。聚噻吩衍生物的示例包括聚(3，4-乙烯二氧噻吩)(″PEDOT″)、聚(3-丁基噻吩)、聚[3-(4-辛基苯)噻吩]、聚(噻吩并[3，4-b]噻吩)(″PT34bT″)和聚(噻吩并[3，4-b]噻吩-共-3，4-乙烯二氧噻吩)(″PT34bT-PEDOT″)。例如，待审的并且共同拥有的U.S.S.N.10/897,268和60/637,844中说明了含有一种或多种聚合物的催化剂层的示例，其在此引用作为参考。
基板4310可由机械柔性材料如柔性聚合物，或刚性材料如玻璃来形成。可用于形成柔性基板的聚合物的示例包括聚萘二甲酸乙二酯(PEN)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯和/或聚氨酯。柔性基板可便于连续制造工艺如网式(web-based)涂覆和层压。但是，也可使用刚性基板材料，如待审的并且共同拥有的U.S.S.N.10/351,265中所说明的那样，其在此引用作为参考。
根据需要，基板4310的厚度可以变化。一般地，选择基板厚度和类型来对DSSC提供足够的机械支撑，从而经受制备、配置和使用的考验。基板4310可具有从约6微米至约5000微米的厚度(例如，约6微米至约50微米，约50微米至约5000微米，约100微米至约1000微米)。
在导电层4320是透明的实施例中，基板4310由透明材料形成。例如基板4310可以由透明玻璃或聚合物形成，如石英基玻璃或聚合物，如上面列出的那些。在这样的实施例中，导电层4320也可以是透明的。
基板4370和导电层4360可以分别如以上对于基板4310和导电层4320所说明的那样。例如基板4370可以由与基板4310相同的材料形成并且可以具有与其相同的厚度。但是在一些实施例中，需要基板4370在一个或多个方面与基板4310不同。例如，在使用在不同基板上施加不同应力的工艺制备DSSC的情况下，需要基板4370比基板4310具有更大或更小的机械强度。因此基板4370与基板4310可以由不同的材料形成，或者具有不同的厚度。此外，在使用期间仅有一个基板暴露于光照光源的实施例中，两个基板和/或导电层不必是透明的。因此，基板之一和/或相应的导电层可以是不透明的。
通常，电荷载体层4340包括促进电荷从地电势或电流源传输到光敏层4350的材料。合适的电荷载体材料的一般种类包括溶剂基液体电解质、聚合电解质、聚合物电解质、固体电解质、n型和p型传导材料(例如导电聚合物)、以及凝胶电解质。例如，待审的并且共同拥有的U.S.S.N.10/350,912中说明了凝胶电解质的示例，其在此引用作为参考。可以选择其它电荷载体介质。例如，电荷载体层可以包括化学式为LiX的锂盐，其中X为碘离子、溴离子、氯离子、高氯酸根离子、硫氰酸根离子、三氟甲基磺酸根离子或六氟磷酸根离子。
电荷载体介质通常包括氧化还原体系。合适的氧化还原体系可以包括有机和/或无机氧化还原体系。这样的体系的示例包括硫酸铈(III)/铈(IV)、溴化钠/溴、碘化锂/碘、Fe2+/Fe3+、Co2+/Co3+和紫精(viologen)。此外，电解质溶液可具有化学式MiXj，其中i和j大于或等于一，X为阴离子，M为锂、铜、钡、锌、镍、镧系元素、钴、钙、铝或镁。合适的阴离子包括氯离子、高氯酸根离子、硫氰酸根离子、三氟甲基磺酸离子和六氟磷酸根离子。
在一些实施例中，电荷载体介质包括聚合物电解质。例如，聚合物电解质可包括聚(乙烯基咪唑鎓卤化物)和碘化锂和/或聚乙烯吡啶盐。在实施例中，该电荷载体介质可包括固体电解质，如碘化锂、吡啶碘化物和/或取代的咪唑鎓碘化物。
电荷载体介质可以包括各种类型的聚合物聚合电解质。例如，合适的聚合电解质可包括约5重量％至约95重量％之间(例如5-60％、5-40％或5-20％)的聚合物，例如离子导电聚合物；约5重量％至约95重量％(例如35-95％、60-95％或80-95％)的增塑剂；约0.05M至约10M的有机碘化物或无机碘化物的氧化还原电解质(例如约0.05-2M、0.05-1M或0.05-0.5M)；以及约0.01M至约1M(例如约0.05-0.5M、0.05-0.2M或0.05-0.1M)的碘。离子导电聚合物可包括例如聚环氧乙烷(PEO)、聚丙烯腈(PAN)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚醚和多酚。合适的增塑剂的示例包括碳酸乙烯酯、碳酸亚丙酯、碳酸酯的混合物、磷酸酯、丁内酯和二烃基邻苯二甲酸酯。
在一些实施例中，电荷载体层4340可以包括一种或更多种两性离子化合物。例如，待审的并且共同拥有的U.S.S.N.11/000,276中说明了包括一种或多种两性离子化合物的电荷载体层，其在此引用作为参考。
图17示出通过使基板5100在辊5150之间前进来制备DSSC的工艺(辊至辊工艺)5000。在制备进行期间，基板5100可以连续地、周期性地或不规则地在辊5150之间前进。
导电层5200(例如钛箔)在位置5120附近附贴到基板5100上。
然后在位置5130附近在导电层上形成互连的纳米颗粒材料。可通过施加含有连接剂(例如聚合物连接剂，如聚(n-钛酸丁酯))和金属氧化物纳米颗粒(例如二氧化钛)的溶液来形成互连的纳米颗粒材料。在一些实施例中，分别施加聚合物连接剂和金属氧化物纳米颗粒从而形成互连的纳米颗粒材料。可以加热(例如在辊至辊工艺中使用的体系中的加热室内)聚合物连接剂和金属氧化物纳米颗粒以形成相连的纳米颗粒材料。
一种或多种染料随后在位置5350附近施加(例如利用丝网遮蔽法、喷墨印刷或凹版印刷)到互连的纳米颗粒材料中从而形成光敏层。
电荷载体层在位置5160附近沉积到图案化的光敏层上。可使用已知技术沉积该电荷载体层，例如上面提到的那些。
导电层5600(例如ITO)在位置5190附近附贴到基板5700上。
催化剂层前体在位置5180附近沉积到导电层5600上。利用例如在电解槽中使用氯铂酸的电化学沉积，或者利用含有铂化合物(例如氯铂酸)的涂层的高温分解，将该催化剂层前体沉积到导电层5600上。通常，可以采用已知涂敷技术沉积该催化剂层前体，如旋转涂敷、浸渍涂敷、刮涂、杆式涂敷、喷涂、辊涂、狭缝涂敷(slot coating)、凹版涂敷、丝网涂敷和/或喷墨印刷。随后加热催化剂层前体(例如辊至辊工艺中使用的体系中的加热室内)从而形成催化剂层。在一些实施例中，在将导电材料5600附贴到前进的基板5700上之前，催化剂层至少可以局部地涂敷到导电材料5600上。在某些实施例中，催化剂层直接施加到导电层5600上(例如没有出现前体)。
在一些实施例中，该方法可包括在足够高的温度下刻划第一带涂层的基体材料的涂层以分开涂层并且熔化至少一部分第一基体材料，和/或在足够高的温度下刻划第二带涂层的基体材料的涂层以分开涂层并且熔化至少一部分第二基体材料，并且可选择地连接第一和第二基体材料从而形成光电模块。例如，待审的并且共同拥有的U.S.S.N.10/351,264中说明了具有金属箔的DSSC和其制造方法，其在此引用作为参考。
在某些实施例中，该方法包括切割(slitting)(例如超声波切割)以切开和/或密封光电池和/或模块的边缘(例如将光敏部件封装到大气基本不能渗透的环境中)。例如，待审的并且共同拥有的U.S.S.N.10/351,250中说明了这样的方法的示例，其在此引用作为参考。
聚合物光电池在某些实施例中，光电池是聚合物光电池。图18示出聚合物光电池6600，其包括基板6610和6670、导电层6620和6660、空穴阻挡层6630、光敏层6640和空穴载体层6650。
总体上，基板6610和/或基板6670可以如以上针对DSSC中的基板所述的那样。示例性材料包括对聚苯二酸乙二酯(PET)、聚萘二甲酸乙二酯(PEN)或聚酰亚胺。聚酰亚胺的实例是KAPTON聚酰亚胺膜(从E.I.duPont de Nemours and Co.购买)。
通常，导电层6620和/或导电层6660可以如以上关于DSSC中导电层所说明的那样。
空穴阻挡层6630通常由这样的材料形成，该材料在光电池6600中所使用的厚度上将电子传输到导电层6620并且基本上阻挡空穴传输到导电层6620。形成层6630的材料示例包括LiF、金属氧化物(例如锌氧化物、钛氧化物)及其结合。虽然层6630的厚度通常可以根据需要而改变，但是该厚度通常至少为0.02微米厚(例如至少约为0.03微米、至少约为0.04微米、至少约为0.05微米)和/或最大约为0.5微米厚(例如最多约为0.4微米、最多约为0.3微米、最多约为0.2微米、最多约为0.1微米)。在一些实施例中，这个距离为从0.01微米至约0.5微米。在一些实施例中，层6630是薄的LiF层。例如，待审的并且共同拥有的U.S.S.N.10/258,708中说明了这样的层，其在此引用作为参考。
空穴载体层6650通常由这样的材料制得，该材料在光电池6600中所使用的厚度上将空穴传输到导电层6660并且基本上阻挡电子传输到导电层6660。可形成层6650的材料示例包括聚噻吩类(例如PEDOT)、聚苯胺类、聚亚乙烯基咔唑、聚亚苯基、聚苯基亚乙烯、聚硅烷、聚亚噻吩基亚乙烯、聚异硫茚及其结合。尽管层6650的厚度通常可根据需要改变，但该厚度通常至少为0.01微米(例如至少约为0.05微米、至少约为0.1微米、至少约为0.2微米、至少约为0.3微米、至少约为0.5微米)和/或最大约为5微米(例如最大约为3微米、最大约为2微米、最大约为1微米)。在一些实施例中，这个距离为0.01微米至约0.5微米。
光敏层6640通常包括电子受主材料和电子施主材料。
电子受主材料的示例包括由富勒烯、恶二唑、碳纳米棒、碟状液晶、无机纳米颗粒(例如由锌氧化物、钨氧化物、磷化铟、硒化镉和/或硫化铅形成的纳米颗粒)、无机纳米棒(例如由锌氧化物、钨氧化物、磷化铟、硒化镉和/或硫化铅制得的纳米棒)或含有能够接收电子或形成稳定阴离子的基团(moiety)的聚合物(例如含有CN基团的聚合物、含有CF3基团的聚合物)形成的材料。在一些实施例中，该电子受主材料为被置换的富勒烯(例如PCBM)。在一些实施例中，该富勒烯可以有衍生物。例如，富勒烯衍生物可以包括富勒烯(例如PCBG)、侧基(例如环状醚，如环氧树脂、氧杂环丁烷或呋喃)和连接基团，该连接基团将侧基与富勒烯间隔开。该侧基通常是充分活性的，使富勒烯衍生物可以与另一化合物(例如另一富勒烯衍生物)反应从而制备反应产物。例如，待审的并且共同拥有的U.S.S.N.60/576,033中说明了包括富勒烯衍生物的光敏层，其在此引用作为参考。可以使用电子受主材料的组合物。
电子施主材料的示例包括碟状液晶、聚噻吩、聚亚苯基、聚苯基亚乙烯、聚硅烷、聚亚噻吩基亚乙烯和聚异硫茚。在一些实施例中，电子施主材料是聚(3-己基噻吩)。在某些实施例中，光敏层6640可包括电子施主材料的组合物。
在一些实施例中，光敏层6640包括定向的电子施主材料(例如液晶(LC)材料)、电活化聚合物粘合剂载体(例如聚(3-己基噻吩)(P3HT)材料)和多个纳米晶(例如包括ZnO、WO3或TiO2中至少一个的定向纳米棒)。液晶(LC)材料可以是例如盘式向列LC材料，其包括多个盘式液晶原单元(discoticmesogen unit)。每个单元可包括中央基团和多个电活化臂。该中央基团可包括至少一个芳香环(例如蒽基)。每个电活化臂可包括多个噻吩部分和多个烷基部分。在光敏层中，该单元可以沿层和列对齐。相邻列中的单元的电活化臂相互交叉促进单元之间的电子传输。另外，电活化聚合物载体可以散布在LC材料中从而进一步促进电子传输。每个纳米晶的表面可包括多个电活化表面活性剂基团从而促进电子从LC材料和聚合物载体传输到纳米晶中。每个表面活性剂基团包括多个噻吩基团。每个表面活性剂可以通过例如磷酸端基键接到纳米晶上。每个表面活性剂基团也可以包括多个烷基基团(moiety)从而提高光敏层中纳米晶的溶解度。例如，待审的并且共同拥有的U.S.S.N.60/664,336中说明了这样的光电池的示例，其在此引用作为参考。
在某些实施例中，可选择层6640中的电子施主和电子受主材料从而使电子施主材料、电子受主材料和它们的混合相的平均最大颗粒尺寸至少在层6640的某些部分中小于500纳米。在这样的实施例中，层6640的制备可包括利用分散剂(例如氯苯)作为电子施主和电子受主的溶剂。例如待审的并且共同拥有的U.S.S.N.10/258,713中说明了这样的光敏层，其在此引用作为参考。
通常，光敏层6640足够厚从而相对有效地吸收碰撞在其上的光子以形成相应的电子和空穴，其并且足够薄从而相对有效地将空穴和电子传送到器件的导电层中。在某些实施例中，层6640至少为0.05微米厚(例如至少约为O.1微米、至少约为0.2微米、至少约为0.3微米)和/或最大约为1微米厚(例如最大约为0.5微米、最大约为0.4微米)。在一些实施例中，层6640为从0.1微米至约0.2微米厚。
在一些实施例中，随着光敏层6640暴露在其中的电场变化，光敏层6640的透明度也会变化。例如待审的并且共同拥有的U.S.S.N.10/486,116中说明了这样的光电池，其在此引用作为参考。
在一些实施例中，电池6600还包括在光敏层6640和导电层6620之间的附加层(例如由共轭聚合物如掺杂的聚(3-烷基噻吩)形成)和/或在光敏层6640和导电层6660之间的附加层(例如由共轭聚合物形成)。该附加层可具有1.8eV的带隙(例如通过适当掺杂而获得)。例如，美国专利第6,812,399号中说明了这样的光电池，其在此引用作为参考。
可选择地，电池6600还包括在光敏层6640和导电层6660之间的薄层LiF。例如，待审的并且共同拥有的U.S.S.N.10/258,708中说明了这样的层，其在此引用作为参考。
在一些实施例中，电池6600可如下制备。利用传统技术在基板6610上形成导电层6620。导电层6620被构造为允许与外部负载形成电连接。利用例如溶液涂敷工艺，如狭缝涂敷、旋转涂敷或凹版涂敷，在导电层6620上形成层6630。利用例如溶液涂敷工艺在层6630上形成光敏层6640。利用例如溶液涂敷工艺，诸如狭缝涂敷、旋转涂敷或凹版涂敷在光敏层6640上形成层6650。利用例如真空涂敷工艺，如蒸镀或溅镀在层6650上形成导电层6620。
在某些实施例中，电池6600的制备可包括高于电子施主材料的玻璃转化温度预定处理时间的热处理。为了增加效率，至少一部分该处理时间中该光电池的该热处理可以在电场影响下实施，该电场由施加在光电池的导电层上的并且超过其无负载电压的场电压所导致。例如，待审的并且共同拥有的U.S.S.N.10/509,935中说明了这样的方法，其在此引用作为参考。
其它实施例虽然已经说明了一些实施例，但是其它实施例也是可行的。
作为示例，虽然已说明了其中导电互连为针的实施例，但是在某些实施例中导电互连可以是U形针或金属孔眼(grommet)的形式。用于形成U形针和/或金属孔眼的合适材料的示例包括上面关于U形针导电互连所述的那样。
作为另一示例，虽然已说明的实施例中采用一个导电互连固定相邻光电池之间的交迭区域，但是在某些实施例中，一些实施例中可采用多于1个(例如2个或更多、3个或更多、4个或更多、5个或更多、6个或更多、7个或更多)的导电互连来固定该交迭区域。
另一示例，虽然已说明的实施例中阴极具有成形的或弯曲的部分，该部分与阳极形成导电连接，但是在一些实施例中，该阳极具有成形的或弯曲的部分，该部分与该阴极形成导电连接。在某些实施例中，该阴极和阳极两者都具有这样的成形或弯曲部分。
另一示例，在一些实施例中，导电材料如导电粘合剂可以设置在阴极和阳极的成形或弯曲部分之间。
另一示例，虽然已说明包括三个光电池的光电模块，但是光电模块可以包括多于3个(例如4、5、6、7个)光电池。
另一示例，粘合剂通常可由任何电绝缘粘合剂形成。这样的粘合剂的示例包括烯烃、丙烯酸酯和氨酯的共聚物以及其它热熔性粘合剂。可商业购买的粘合剂的示例包括Bynel粘合剂(从杜邦购买)、热粘性粘合剂845(从3M购买)和DyneonTMTHV 220含氟聚合物粘合剂(从3M购买)。
另一示例，虽然上面已说明了电荷载体层中的材料与形成光敏层的材料不同，在一些实施例中，电荷载体层中的一种或多种材料可以至少部分设置(例如混合)在光敏层中。在某些实施例中，电荷载体层和光敏层中的材料可以结合从而形成复合层。
另一示例，保护层可以施加到上和/或下基板上。保护层可以用来例如将污染物(例如灰尘、水、氧、化学品)阻止在光电池外面，和/或用来机械加强该电池。保护层可以由聚合物(例如氟化聚合物)形成。
另一示例，尽管上面已经描述了电荷载体层中的材料与形成光敏层的材料不同，但是在一些实施例中，电荷载体层中的一种或多种材料可以至少部分地设置在(例如混合)光敏层中。在某些实施例中，可以组合电荷载体层和光敏层中的材料以形成复合层。
另一示例，将保护层施加到上和/或下基板上。例如，保护层可以用于将污染物(例如灰尘、水、氧、化学品)屏蔽在光电池的外部，和/或用于保持电池的机械强度。保护层可由聚合物(例如氟化聚合物)形成。
另一示例，虽然已说明的实施例中使用了一个或更多个导电互连，但是在一些实施例中，可以使用一个或更多个不导电的互连。在某些实施例中，仅使用不导电的互连(例如1个或更多个互连、2个或更多个互连、3个或更多个互连、4个或更多个互连、5个或更多个互连、6个或更多个互连)。在一些实施例中，使用一个或更多个导电互连以及一个或更多个不导电互连。
此外，虽然已说明了具有互连的某些类型的光电池模块，但是互连可以用于其它类型的模块。示例包括含有光电池的光电模块，该光电池的有源材料由非晶硅、硒化镉、碲化镉、铜铟硫化物和/或铜铟镓砷化物形成。
在任何所需的应用中光电模块通常可用作一部件。图19示出结合在外墙板或外部覆层中的光电模块，该外墙板或外部覆层固定在波纹结构上。图20示出结合在遮阳篷中的光电模块。图21示出结合在便携式电子器件的电池充电器内的光电模块。其它应用包括，例如，包裹标记、传感器、百叶窗、遮光帘和/或窗口(例如不透明窗口、半透明窗口)。
下列示例仅是说明性的，无意作为限定。
示例1如下制备光电池。
将50微米厚的钛箔切割成具有0.7cm×7cm的尺寸从而形成光电池的阴极。利用狭缝涂敷在阴极的一个表面上沉积15微米厚的TiO2多孔层从而形成光敏层的一部分。将该TiO2层涂敷30-50mgs/m2的光敏剂以完成光敏层的制备。
随后该光敏层吸入0.3-1.0g/m2的含有氧化还原对I-/I3-的电解质从而在该光电池中形成电荷载体层。
通过在8cm长、2cm宽以及200微米厚的PEN基板的表面上溅镀300nm厚的ITO层制得光电池的阳极。随后在ITO层的上面溅镀少于1nm厚的铂层从而形成催化剂层。通过使用THV粘合剂(从Dyneon购买)将催化剂层和吸有电解质的光敏层粘合到一起，从而完成该光电池的制备。
采用相同的工艺制备另一个光电池。
两个光电池中的每个都暴露在A.M.1.5(100mW/cm2)光源(Oriel太阳模拟器)下30秒。测量该两个光电池每个里面产生的电流并相对电压作图，其结果在图22中示出。第一电池的效率为4.57％，第二电池的效率为4.62％。
第一电池的填充因子是60.4％，第二电池的填充因子是58.9％。
随后将两个光电池结合起来从而产生具有图4中所示沟槽(2mm宽的交迭区域)的光电池模块。使钢制U形针(相互间隔约5mm)穿过交迭区域以将两个光电池电连接并且固定到一起，从而形成模块。
该模块暴露在上述相同的光源下并且在相同的条件下持续30秒。测量模块中产生的电流并相对电压作图。在图22中示出该电流对电压的结果。
如上所述地测得模块效率为4.67％。模块的填充因子为58.7％。
因此，模块的填充因子仅仅稍微高于任一电池的填充因子，并且模块的效率仅仅稍微低于任一电池的单个效率。
其它实施例在权利要求中。
本申请要求享有以下在先申请的优先权2004年6月1日提交的标题为“Photovoltaic Cells with Conductive Interconnects(具有导电互连的光电池)”的美国专利申请No.60/575,971；2004年7月22日提交的标题为“Photovoltaic Modules(光电模块)”的美国专利申请No.60/590,312；2004年7月22日提交的标题为“Photovoltaic Cells with Conductive MeshInterconnects(具有导电网格互连的光电池)”的美国专利中请No.60/590,313；以及2005年3月21日提交的标题为“Photovoltaic Module Architecture(光电模块构造)”的美国专利申请No.60/664,115。在此引用每一个的全部内容作为参考。
权利要求
1.一种模块，包括第一光电池，其包括电极；以及第二光电池，其包括具有连接到该第一光电池的该电极的弯曲端部的电极。
2.如权利要求1所述的模块，其中该弯曲端部电连接该第一光电池的该电极。
3.如权利要求1所述的模块，其中在该第一和该第二光电池的该电极之间没有单独的互连。
4.如权利要求1所述的模块，还包括与该第一和第二光电池的该电极接触的粘合剂材料。
5.如权利要求4所述的模块，其中该粘合剂包括导电粘合剂。
6.如权利要求4所述的模块，其中该粘合剂包括电绝缘粘合剂。
7.如权利要求1所述的模块，其中该第一光电池的该电极是阴极，该第二光电池的该电极是阳极。
8.如权利要求1所述的模块，其中该第一光电池的该电极是阳极，该第二光电池的该电极是阴极。
9.如权利要求1所述的模块，其中该第一光电池的该电极是阴极，该第二光电池的该电极是阴极。
10.如权利要求1所述的模块，其中该第一光电池的该电极是阳极，该第二光电池的该电极是阳极。
11.如权利要求1所述的模块，其中该第一和该第二光电池共用至少一个公共基板。
12.如权利要求1所述的模块，还包括第三光电池，其包括具有连接该第二光电池的该电极的弯曲端部的电极。
13.如权利要求1所述的模块，其中该模块具有第一和第二端部，并且该第一和第二端部被密封。
14.如权利要求1所述的模块，其中该第一光电池的部分该电极与该第二光电池的部分该电极交迭。
15.一种模块，包括第一光电池，其包括电极；以及第二光电池，其包括具有连接该第一光电池的该电极的成形部分的电极。
16.如权利要求15所述的模块，其中该成形部分电连接该第一光电池的该电极。
17.如权利要求15所述的模块，其中在该第一和该第二光电池的该电极之间没有单独的互连。
18.如权利要求15所述的模块，还包括设置在该第一光电池的该电极和该第二光电池的该电极之间的部件。
19.如权利要求18所述的模块，其中该部件是顺应性的。
20.如权利要求18所述的模块，其中该部件是导电的。
21.如权利要求15所述的模块，还包括接触该第一和该第二光电池的该电极的粘合剂材料。
22.如权利要求21所述的模块，其中该粘合剂材料为至少两个部件的形式。
23.如权利要求22所述的模块，其中该至少两个部件在该第一光电池的该电极和该第二光电池的该电极之间的连接的每一侧形成密封。
24.如权利要求22所述的模块，其中该粘合剂材料还包括至少一种结构性材料。
25.如权利要求24所述的模块，其中该结构性材料是不导电的。
26.如权利要求21所述的模块，其中该粘合剂是导电粘合剂。
27.如权利要求21所述的模块，其中该粘合剂是电绝缘粘合剂。
28.如权利要求15所述的模块，其中该第一光电池的该电极是阴极，该第二光电池的该电极是阳极。
29.如权利要求15所述的模块，其中该第一光电池的该电极是阳极，该第二光电池的该电极是阴极。
30.如权利要求15所述的模块，其中该第一光电池的该电极是阴极，该第二光电池的该电极是阴极。
31.如权利要求15所述的模块，其中该第一光电池的该电极是阳极，该第二光电池的该电极是阳极。
32.如权利要求15所述的模块，其中该第一和该第二光电池共用至少一个公共基板。
33.如权利要求15所述的模块，还包括第三光电池，其包括具有电连接该第二光电池的该电极的成形部分的电极。
34.如权利要求15所述的模块，其中该模块具有第一和第二端部，并且该第一和第二端部被密封。
35.如权利要求15所述的模块，其中该第一光电池的部分该电极与该第二光电池的部分该电极交迭。
36.一种方法，包括通过连续工艺制造模块，其中该模块包括第一光电池，其包括电极；以及第二光电池，其包括具有连接该第一光电池的该电极的弯曲端部的电极。
37.如权利要求36所述的方法，其中该弯曲端部电连接该第一光电池的该电极。
38.一种方法，包括通过辊至辊工艺制造模块，其中该模块包括第一光电池，其包括电极；以及第二光电池，其包括具有连接该第一光电池的该电极的弯曲端部的电极。
39.如权利要求38所述的方法，其中该弯曲端部电连接该第一光电池的该电极。
40.一种方法，包括通过连续工艺制造模块，其中该模块包括第一光电池，其包括电极；以及第二光电池，其包括具有连接该第一光电池的该电极的成形部分的电极。
41.如权利要求40所述的方法，其中该弯曲端部电连接该第一光电池的该电极。
42.一种方法，包括通过辊至辊工艺制造模块，其中该模块包括第一光电池，其包括电极；以及第二光电池，其包括具有连接该第一光电池的该电极的成形部分的电极。
43.如权利要求42所述的方法，其中该弯曲端部电连接该第一光电池的该电极。
全文摘要
本发明涉及光电模块，及其相关的系统、方法和组元。
文档编号H01G9/20GK1728407SQ20051009239
公开日2006年2月1日 申请日期2005年6月1日 优先权日2004年6月1日
发明者李炼, 艾伦·蒙特洛, 埃德蒙·蒙特洛, 拉塞尔·高迪亚纳, 凯文·奥利弗, 凯西尼·G·奇蒂巴布 申请人:科纳卡技术股份有限公司