专利名称：一种大面积纳米薄膜太阳能电池的制造方法
一种大面积纳米薄膜太阳能电池的制造方法[技术领域]本发明涉及太阳能电池技术领域，具体的说是一种大面积纳米薄 膜太阳能电池的制造方法。 [技术背景]纳晶染料敏化太阳能电池DSSC是以染料敏化多孔纳米结构薄膜 为光阳极，根据光生伏特原理，将太阳能直接转换成电能的一种半导 体光电器件，是伴随着半导体电化学发展起来的一个崭新的科学研究 领域。1991年，瑞士洛桑高等工业学院Gratzel教授所领导的研究小 组，以高比表面积的纳米Ti02多孔膜作为半导体电极，以Ru等有机 金属化合物作为光敏化染料，选用适当的氧化还原电解质做介质，组 装成Ti02纳米晶染料敏化太阳能电池，其光电转换效率在AM1.5模拟 太阳光照射下达7.1%,被人们誉为新一代太阳能电池，这一重大突破 为光电化学电池的发展带来了革命性的创新，引起染料敏化太阳能电 池研究的一次热潮。1993年，GrStzel等再次报道了光电转换效率达到 10%的染料敏化太阳能电池，1997年，光电转效率迸一步提高到 11%， DSSC的光电转效率这一参数已接近实用化水平。DSSC由纳米多孔Ti02薄膜、染料光敏化剂、电解质和对电极几 部分组成，电池中电子的收集和传输主要由导电膜来完成，由于目前 商业应用的导电玻璃表面方块电阻在IOQ以上，其电阻对电池性能的 影响较大，在DSSC实验研究中， 一般制作小面积电池，如目前较常 用的5mmX5mm的小面积电池，随着电池面积的不断增加，电池的 填充因子迅速减小，电池光电转换效率变小，比如，电池的面积达到60mmX80mm，电池的伏安特性发生了明显的变化，几乎成为一条直 线，与小电池相比，填充因子和光电转换效率大大减小，其主要原因 是TCO表面电阻的影响，即电子传输路程太长，从而导致电子在传 输过程中的损耗增大。因此，要想在大面积电池中获得好的电池伏安 特性曲线，获得更高的电池效率，必须减少电池中电子在TCO玻璃 表面传输的损失。此外，目前的DSSC主要采用含有I37T'氧化还原电对的液体电解 质，虽然具有较高的光电转换效率，但由于液体电解质易泄漏，有机 溶剂易挥发，造成电池密封困难，电池在长期工作过程中性能下降， 使用寿命缩短，DSSC器件的可靠性、稳定性有很大的局限性，因此 纳晶染料敏化太阳能电池制作过程中如何解决溶剂的泄漏、挥发等影 响电池稳定性的问题，解决器件封装的关键技术问题，提高器件的稳 定性和可靠性，是器件加工工艺中面临的几个主要难题。液态电介质含有1371鬼化还原对，是一种化学活性、腐蚀性极强 的物质，它的存在使得纳晶染料敏化太阳能电池与无机固态太阳能电 池技术不同，造成电池密封困难，且工艺复杂化，纳晶染料敏化太阳 能电池组件的封装比传统的太阳能电池组件的封装要困难得多，研 发染料敏化太阳能电池的封装技术是开发长寿命、高稳定性DSSC的 主要关键瓶颈技术；另一方面还需要尽量简化工艺、降低成本，制备 出高效、稳定、长寿命、价廉的太阳能电池，从而使得DSSC太阳能 电池能最终得到广泛应用。 [发明内容]本发明的目的是设计克服现有技术的不足，提供一种制 备高效、稳定、长寿命、价廉的染料敏化太阳能电池DSSC及其封装方法。
为实现上述目的，设计一种大面积纳米薄膜太阳能电池的制造
方法，将包括覆在玻璃(1)上的透明导电层TCO (2)、纳米氧化物 薄膜(3)、染料、电解质、对电极(4)的单体染料敏化太阳能电池 DSSC进行串并联后封装，其特征在于单体DSSC制成条状，采用耐 腐蚀互连条(6)将条状的单体DSSC串联成实用化的大面积太阳能电 池，耐腐蚀互连条(6)两侧分别采用环氧树脂类高分子材料或玻璃或 陶瓷材料的封装材料设一保护隔层(7)，或采用丝网印刷法制备的低 电阻栅网电极(41)，并在低电阻栅网电极(41)表面覆盖高分子材 料或玻璃或陶瓷材料作为保护膜(43)，然后采用覆盖有保护膜
(43)的低电阻栅网电极(41)将多个条状的单体DSSC并联成大面 积的太阳能电池，内部为串联或并联的大面积太阳能电池一侧玻璃
(1)与TCO (2)的接触面设一灌注槽(33)，并在大面积太阳能电 池一端的灌注槽(33)处及大面积太阳能电池另一端均设一灌注口
(32)，从灌注槽(33)通过灌注口 (32)向储液室(5)泵入电解质 和染料后，折断灌注槽(33)，然后在大面积太阳能电池的外端采用 环氧树脂类高分子材料或玻璃或陶瓷材料进行密封。所述的耐腐蚀互 连条是在低电阻电极表面覆盖环氧树脂类高分子材料或玻璃或陶瓷材 料作为电极保护膜。所述的透明导电层TCO是采用磁控溅射或真空蒸 发或旋涂或超声镀的方法将透明导电薄膜SnO: F或透明导电薄膜 ZnO: Al或透明导电薄膜ITO做为导电层制备到透明导电玻璃上而成 的。所述的纳米氧化物薄膜采用氧化物半导体Ti02或ZnO或Sn02或 ln203。所述的电解质采用以I—VL—1为氧化还原对的液态电解质，或采
用以rVi3—'为氧化还原对的准固太电解质，或采用以rvi3—'为氧化还原对的离子电解质，或采用以r/i3—1为氧化还原对的固态复合电解 质。所述的对电极采用铂或碳纳米管或碳纳米纤维或碳黑电极。所述的低电阻栅网电极是釆用Pt或Au或Ag或Ti或Ni或Mo材料通过磁 控溅射或真空蒸发或化学镀或电化学镀或丝网印刷或浸镀或旋涂或超 声镀方法制备而成的。其特征在于所述的低电阻电极是采用Pt或Au 或Ag或Ti或Ni或Mo材料通过磁控溅射或真空蒸发或化学镀或电化 学镀或丝网印刷或浸镀或旋涂或超声镀方法制备而成的。本发明与现有技术相比，简化了封装工艺、降低了成本，所 制备出的大面积DSSC电池的性能与单元小面积电池的性能相当，可 以获得理想的电池伏安特性曲线，保证了产品的长寿命、高稳定性。 [
]附图1为本发明实施例中串联结构DSSC的局部示意图， 其中箭头方向为电子传输路径。附图2 (a) - (c)为本发明的实施例中串联结构大面积 DSSC电池的制备和封装步骤。附图3为本发明实施例中串联结构大面积DSSC电池组件 的结构示意图。附图4为本发明另一实施例中并联结构大面积DSSC电池 组件局部示意图，其中，图(b)为图(a)框线中的局部放大图。 指定图3为摘要附图。参见附图1、图2、图3、图4，l为覆TCO用的玻璃；2为TCO; 3为纳米氧化物薄膜；4为对电极；5为储存电解质及染料 的储液室；6为耐腐蚀互连条；7为保护隔层；21为激光刻槽；31为 条状单体DSSC电池；32为灌注口； 33为灌注槽；41为低电阻栅网电极；42为电池密封膜；43为低电阻栅网电极保护膜。 [具体实施方式
]
下面结合附图对本发明作进一步说明，本工艺技术对本 专业的人来说还是比较清楚的。
单体太阳能电池器件不能直接作为实用化的电池使用，作电源用 必须将若干单体电池串、并联连接并严密封装成组件后使用，对于染 料敏化太阳能电池DSSC也是如此使用。
本发明采用了类似传统硅太阳电池电极的制备方法，如果把单体 DSSC电池改为条状结构，就可以减少电子的传输距离，电池性能得到 较大的改善，再通过印刷低电阻的栅电极，减小电子传输路径的电 阻，使得电池的性能接近小面积电池的性能，考虑大面积DSSC的实用 化，在优化设计的基础上，可以采用两种途径来减少电池内部电阻 一种是通过增加内部耐腐蚀电极的连接，把上述条状单体DSSC串联成 大面积实用化电池；另一种是通过印刷低电阻的栅网电极，同时利用 高分子材料或玻璃或陶瓷等覆盖电极表面对电极进行保护，制备成内 部并联的大面积DSSC电池，上述两者连接方式都可以获得较为理想的 电池伏安特性曲线。
电池组件中每一个电池必须是一个封闭体，即相邻条状单体DSSC 电池间电解质的质量交换必须被阻止，串联连接的电池在开路时接受 光照时，每个电池的化学势不一样，如果相邻电池间电解质发生离子 交换，氧化还原对将被分离，该过程叫光致迁移，光致迁移过程中， 电池组件的电性能参数会下降，为了阻止电解质离子交换，玻璃介质 或陶瓷或其他抗腐蚀的高分子材料作为相邻电池的阻挡层，同时每个 条状单体DSSC电池需要为染料和电解液的填充备两个开口 ，为了避免在玻璃基板上钻许多洞带来封装的麻烦，在电池组件中设计一灌注槽，该槽可用来向各个条状单体DSSC电池注入染料和电解质，电池组 件染料和电解质的灌注通过灌注槽左上方的一个小孔和右下方另一个 小孔进行，染料和电解质填充以后，灌注槽将被折断，电池组件边缘 所有小开口将被密封。 实施例l参见图1，为本发明的串联型结构太阳电池组件的基本结构示意 图，由多个条状单体DSSC电池串联成大面积DSSC电池，串联结构 大面积DSSC电池通过增加内部耐腐蚀互连条的连接，耐腐蚀互连条 是由采用高分子材料或玻璃或陶瓷等覆盖电极表面作为保护膜形成的 电极保护膜和低电阻电极接线柱组成；相邻条状单体DSSC电池的耐 腐蚀互连条，即被保护隔层如玻璃料保护的低电阻线是用丝网印刷法 镀上去的。参见图2和图3，按照制作染料敏化单体太阳电池的工艺方法制 备Ti02胶体溶液并配成浆料，并准备铂对电极、银胶线、玻璃粉等丝 网印刷浆料，准备制备Ti02纳米多孔薄膜，铂对电极，银胶线，玻 璃粉线等各功能层，(1)激光切割透明导电层TCO，在预设位置刻出激光刻槽21; (2)在上下两块基板上分别利用丝网印刷制备Ti02纳米多孔薄膜， 铂对电极，作为耐腐蚀互连条的银胶线，作为保护隔层的玻璃粉线， 其中玻璃粉线作为银胶线的保护隔层而分布在银胶线的两侧；(3 ) 干燥处理，每印刷完一功能层，样品置于对流炉于100—150。C干燥 处理10—15分钟；(4)焙烧，样品置于玻璃熔化炉在550—600。C 焙烧10—15分钟；(5)焙烧后，将样品对电极与作为工作电极的纳米氧化物薄膜对准，在620—650。C高温下进行玻璃粉线熔化、严密 密封银线，只要玻璃粉线宽和厚度与银胶线的线宽和厚度匹配，在玻 璃粉线熔化、冷却后会自然形成Z型电极接线柱或Z型互连条，此串 联型电池组件设计中，死区为玻璃粉线/银胶线/玻璃粉线，宽度为 2mm; (6)利用气压系统6—8Bar，室温下从灌注槽泵入染料，染料 注入时间大约为1.5—2.5h; (7)室温下从灌注槽泵入液态电解质，并 保持持续泵入1-1.5分钟，去除染料渣子，然后停止泵入，让电解质 保持在电池组件中，如果是采用离子电解质，样品需加热到70。C，以 减少电解质的粘度，再灌入离子电解质；(8)折断灌注槽，利用玻璃 料或陶瓷材料或高分子材料，如密封Surlyn^ Dupont密封电池组件边 缘所有小开口，玻璃基板的面积为30x30cm2，主动面积为505.5
实施例2
参见图4a、 4b，为本发明的串联型结构太阳电池组件的基本结 构示意图，由多个条状单体DSSC电池通过低电阻栅网电极并联成大 面积电池，低电阻栅网电极通过丝网印刷制备，同时利用高分子材料 或玻璃或陶瓷等材料覆盖电极表面以实现对电极的保护，制备成内部 并联的大面积DSSC。
按照制作染料敏化单体太阳电池的工艺方法制备Ti02胶体溶液并 配成浆料，并准备铂对电极、银胶、玻璃粉等丝网印刷浆料，在玻璃 基板相应位置处准备制备包括Ti02纳米多孔薄膜，铂对电极，银胶线 的各功能层。
(l)透明导电TCO玻璃清洗，TCO依次用丙酮、酒精、去离子水 分别超声清洗15分钟，再用纯氮吹干；(2)丝网印刷各功能层，包括纳米Ti02薄膜、铂对电极层、银胶栅网电极；(3)干燥处理，每印 刷完一功能层，样品置于对流炉于100—150。C干燥处理10—15分 钟；(4)焙烧处理，样品置于玻璃熔化炉在450—600。C焙烧IO— 15分钟；(5)利用自准、定位系统将封装箔垫片转移到TCO玻璃 上，并覆盖住电流收集栅网电极，如图4(b)所示；(6)注入染 料；(7)利用真空层压机将作为工作电极的纳米Ti02薄膜和铂对电 极对准并压在一起制备电池模块；(8)灌入电解质并密封液体流入 和流出开口； (9)焊接引线，然后放置在聚氨脂边框里，完成封装 和制备过程。
权利要求
1、一种大面积纳米薄膜太阳能电池的制造方法，将包括覆在玻璃(1)上的透明导电层TCO(2)、纳米氧化物薄膜(3)、染料、电解质、对电极(4)的单体染料敏化太阳能电池DSSC进行串并联后封装，其特征在于单体DSSC制成条状，采用耐腐蚀互连条(6)将条状的单体DSSC串联成实用化的大面积太阳能电池，耐腐蚀互连条(6)两侧分别采用环氧树脂类高分子材料或玻璃或陶瓷材料的封装材料设一保护隔层(7)，或采用丝网印刷法制备的低电阻栅网电极(41)，并在低电阻栅网电极(41)表面覆盖高分子材料或玻璃或陶瓷材料作为保护膜(43)，然后采用覆盖有保护膜(43)的低电阻栅网电极(41)将多个条状的单体DSSC并联成大面积的太阳能电池，内部为串联或并联的大面积太阳能电池一侧玻璃(1)与TCO(2)的接触面设一灌注槽(33)，并在大面积太阳能电池一端的灌注槽(33)处及大面积太阳能电池另一端均设一灌注口(32)，从灌注槽(33)通过灌注口(32)向储液室(5)泵入电解质和染料后，折断灌注槽(33)，然后在大面积太阳能电池的外端采用环氧树脂类高分子材料或玻璃或陶瓷材料进行密封。
2、 如权利要求1所述的一种大面积纳米薄膜太阳能电池的制造方 法，其特征在于所述的耐腐蚀互连条是在低电阻电极表面覆盖环氧 树脂类高分子材料或玻璃或陶瓷材料作为电极保护膜。
3、 如权利要求1所述的一种大面积纳米薄膜太阳能电池的制造方 法，其特征在于所述的透明导电层TCO是采用磁控溅射或真空蒸发 或旋涂或超声镀的方法将透明导电薄膜SnO: F或透明导电薄膜ZnO:Al或透明导电薄膜ITO做为导电层制备到透明导电玻璃上而成的。
4、 如权利要求1所述的一种大面积纳米薄膜太阳能电池的制造方法，其特征在于所述的纳米氧化物薄膜采用氧化物半导体Ti02或ZnO或SnO^In203o
5、 如权利要求1所述的一种大面积纳米薄膜太阳能电池的制造方法，其特征在于所述的电解质采用以r/i3—1为氧化还原对的液态电 解质，或采用以r/:u—'为氧化还原对的准固太电解质，或采用以r/i3一 '为氧化还原对的离子电解质，或采用以r/i,1为氧化还原对的固态复 合电解质。
6、 如权利要求i所述的一种大面积纳米薄膜太阳能电池的制造方 法，其特征在于所述的对电极采用铂或碳纳米管或碳纳米纤维或碳 黑电极。
7、 如权利要求i所述的一种大面积纳米薄膜太阳能电池的制造方法，其特征在于所述的低电阻栅网电极是采用Pt或Au或Ag或Ti 或Ni或Mo材料通过磁控溅射或真空蒸发或化学镀或电化学镀或丝网印刷或浸镀或旋涂或超声镀方法制备而成的。
8、 如权利要求2所述的一种大面积纳米薄膜太阳能电池的制造方 法，其特征在于所述的低电阻电极是采用Pt或Au或Ag或Ti或Ni 或Mo材料通过磁控溅射或真空蒸发或化学镀或电化学镀或丝网印刷或 浸镀或旋涂或超声镀方法制备而成的。
全文摘要
本发明涉及太阳能电池技术领域，具体的说是一种大面积纳米薄膜太阳能电池的制造方法，其特征在于单体DSSC制成条状，采用耐腐蚀互连条将条状的单体DSSC串联成大面积太阳能电池，耐腐蚀互连条两侧分别设一保护隔层，或采用丝网印刷法制备的低电阻栅网电极，并在低电阻栅网电极表面覆盖保护膜，然后采用覆盖有保护膜的低电阻栅网电极将多个条状的单体DSSC并联成大面积的太阳能电池，大面积太阳能电池一侧玻璃与TCO的接触面设一灌注槽，并在大面积太阳能电池一端的灌注槽，从灌注槽泵入电解质和染料后，折断灌注槽，然后进行密封。与现有技术相比，本发明简化了封装工艺、降低了成本，保证了产品的长寿命、高稳定性。
文档编号H01M14/00GK101241956SQ20081003255
公开日2008年8月13日 申请日期2008年1月11日 优先权日2008年1月11日
发明者卓 孙, 李晓冬, 黄素梅 申请人:上海纳晶科技有限公司