包括复合基材的染料敏化型太阳能电池的制作方法
【专利说明】包括复合基材的染料敏化型太阳能电池
[0001]本申请是申请日为2013年3月8日、申请号为201380017889.8、发明名称为“包括复合基材的染料敏化型太阳能电池”的申请的分案申请。
技术领域
[0002]本发明涉及染料敏化型太阳能电池，其包括由微纤维制成的多孔绝缘基材，具有形成于多孔绝缘基材的一侧上的第一导电层，和设置在多孔基材的相对侧上的第二导电层。本发明进一步涉及用于染料敏化型太阳能电池的多孔绝缘基材。本发明还涉及生产多孔绝缘基材和导电层的方法。
【背景技术】
[0003]染料敏化型太阳能电池(dye-sensitized solar cell，DSC)在过去20年里一直在发展且以类似于光合作用的原理进行工作。不同于硅太阳能电池，这些电池使用可便宜制造的、对环境无害的(environmentally unobtrusive)且丰富的染料从日光中获得能量。
[0004]传统的夹层型(sandwich type)染料敏化型太阳能电池具有沉积在透明导电基材上的几μπι厚的多孔1102电极层。T12电极包括通过使染料分子吸附至T12颗粒的表面上而染色并形成工作电极的相互连接的1102金属氧化物颗粒。透明的导电基材通常为沉积在玻璃基材上的透明的导电氧化物。透明的导电氧化层用作从工作电极中提取光生电子的背接触(back contact)的功能。！！(^电极与电解液和其它透明导电基材即对电极接触。
[0005]日光由染料收集，产生注入T12颗粒的导带(conduct1n band)中并进一步由导电基材收集的光激发电子。同时，氧化还原电解液中的Γ离子还原氧化的染料，并将产生的电子受体种类输送至对电极。两个导电基材在边缘密封以保护DSC组件抵抗周围气氛，并防止电池内DSC组分的蒸发或泄漏。
[0006]W02011/096154公开了一种夹层型DSC组件，该DSC组件包括多孔绝缘基材，包括形成于多孔绝缘基材顶部的多孔导电金属层并建立背接触的工作电极，包含设置在多孔导电金属层顶部的吸附染料的多孔半导体层，和面向多孔半导体层、适合面向太阳并将日光传输至多孔半导体层的透明基材。所述DSC组件进一步包括含有设置在与多孔绝缘基材的多孔半导体层相对的一侧上且与多孔绝缘层有一定距离的导电基材，从而在多孔绝缘层和导电基材之间形成空间。电解液填充在工作电极和对电极之间的空间中。多孔导电金属层可使用包含金属的或金属系颗粒的糊剂，将其通过印刷施涂在多孔绝缘基材的顶部，接着加热、干燥和烘烤来生成。这种类型的DSC组件的优点为工作电极的导电层设置于多孔绝缘基材和多孔半导体层之间。因此，工作电池的导电层不必须为透明的，且可由高导电性的材料制成，这增加DSC组件的电流处理能力(current-handling capability)并确保DSC组件的高效率。
[0007]对多孔绝缘基材有高要求。理想的多孔绝缘基材必须满足以下的要求:
[0008]基材必须具有足够的机械强度以耐受机械处理和加工。在DSC加工期间，基材进行机械处理如:切割工序、堆叠和去堆叠工序、印刷工序、干燥工序、空气/真空烧结工序、密封工序等。处理和加工期间，具有差的机械强度的基材能遭受损伤，导致有缺陷的太阳能电池，这降低制造产率。
[0009]基材必须具有足够的耐高温性并显示出高温处理后的低机械变形和/或机械稳定性的损失小。加工期间，基材承受在空气中500°C的温度和在真空或惰性气氛中5800C _650°C的温度。基材必须耐受在空气中达到500°C的温度而无显著的机械变形或机械稳定性损失。基材必须耐受在真空或惰性气氛中至少达到580°C以上的温度而无显著的机械变形或机械稳定性损失。
[0010]基材必须对高温加工化学惰性。各种高温处理期间，基材暴露在，例如热空气、包含有机溶剂的热空气、包含有机燃烧产物的热空气和氢气中。基材必须对所有这些高温处理化学惰性且不会化学反应产生能对DSC有害的化合物。
[0011]基材必须耐受用于DSC中的化学制品。DSC包含活性物质如有机溶剂，有机染料，和离子如Γ和I 3_等。为了具有良好的DSC性能稳定性和寿命，基材必须不与DSC的活性物质反应，而不会改变DSC的化学组成或产生能对DSC有害的化合物。
[0012]基材必须考虑到离子在电极之间的快速输送。为了具有电极之间的快速离子输送，基材必须具有足够高的孔隙率(孔体积分数)和低弯曲度。
[0013]基材必须为电绝缘。这是为了防止对电极和集电器之间的电短路。
[0014]对电极和工作电极之间的距离受基材厚度的影响。对电极和工作电极之间的距离应尽可能地小以使对电极和工作电极之间的离子的输送尽可能地快。因此，基材的厚度应尽可能地薄。
[0015]基材必须具有足够的容量以阻止印刷墨中的导电性颗粒穿过基材渗出。为了避免印刷在基材的两侧上的导电层之间的电短路，基材必须能够阻止印刷在基材的一侧上的导电性颗粒穿过其渗出至基材的另一侧。
[0016]总之，多孔绝缘基材必须允许离子穿过基材并防止颗粒穿过基材，且必须具有足够的机械特性。
[0017]W02011/096154 中提出使用模塑纤维玻璃还体(molded fiber glass compact)作为多孔绝缘基材。模塑纤维玻璃坯体可为包含玻璃纤维的织造玻璃织物，或以具有玻璃纤维的片的形式的非织造玻璃纤维，将它们以合适的方式连接。
[0018]通过使用高温相容的玻璃系基材，可满足大部分上述要求。然而，如果基材由非织造微玻璃纤维制成，基材必须制得非常薄以耐受太阳能电池的制造期间的机械处理和加工。这是因为非织造玻璃微纤维具有非常差的机械性能的事实，且因此，为了增加它们的机械稳定性，必须生产具有非常高厚度的基于非织造玻璃微纤维的基材。具有高厚度的基材导致对电极和工作电极之间的大距离，且因此，导致对电极和工作电极之间的离子的输送非常慢。
[0019]织造玻璃纤维，即玻璃织物，包括玻璃微纤维的织造纱线，其中各玻璃纤维纱线由多根玻璃微纤维组成。与非织造玻璃纤维相比，织造玻璃纤维固有地机械性更强。此外，织造纤维的厚度可在维持机械强度的情况下制得非常薄。然而，织造纤维在织造纱线之间经常具有大洞，这引起印刷墨中大量的颗粒以不受控制的方式直接穿过基材横穿织造纤维的整个区域、引起对电极和集电器之间的电短路。因此，织物中的洞使得难以将包括金属的或金属系颗粒的墨施涂在多孔绝缘基材的两侧而不造成电短路，除非颗粒比洞大很多。然而，在墨中具有如此大的颗粒使得导电金属层太厚。厚的导电金属层将增加对电极和工作电极之间的距离，导致对电极和工作电极之间的离子输送较慢。
【发明内容】
[0020]本发明的目的是提供具有满足上述要求的多孔绝缘基材的染料敏化型太阳能电池。
[0021]此目的用由根据本发明的染料敏化型太阳能电池来实现。
[0022]染料敏化型太阳能电池包括工作电极；用于从工作电极中提取光生电子的第一导电层；由微纤维制成的多孔绝缘基材，其中第一导电层为形成于多孔绝缘基材的一侧上的多孔导电层；包括设置在多孔基材的相对侧上的第二导电层的对电极；和用于将电子从对电极转移至工作电极的电解液。太阳能电池的特征在于，多孔绝缘基材包括织造微纤维的层和配置在基材的第一侧的织造微纤维的层上的非织造微纤维的层。
[0023]微纤维为具有小于10 μ m且大于Inm的直径的纤维。
[0024]我们已经发现，通过组合织造微纤维和非织造微纤维的性能，可实现理想多孔绝缘基材的所有上述要求。织造织物可制得非常薄且机械性非常强，但它在织造纱线之间包含大洞。另一方面，非织造微纤维机械性差，但具有优异的阻止印刷墨中的导电性颗粒穿过多孔绝缘基材渗出的过滤性能。通过将非织造微纤维的薄层沉积在织造微纤维的层的顶部，可防止墨中的颗粒直接穿过织造纤维，且可实现所有上述要求。通过织造微纤