塑料太阳能染料电池的制作方法
【专利说明】
[0001 ]本申请要求2013年7月15日提交的美国临时专利申请序列号61/846,093的优先 权，据此按照本文所完全公开的那样以引用的方式并入本文。
技术领域 [0002] 和发明背景
[0003] 本发明涉及太阳能染料电池，并且更具体地，涉及具有塑料壳体的太阳能染料电 池及其构建方法。
[0004] 发明概述
[0005] 根据本发明的一些教导，提供了一种光伏染料电池布置，其包括:至少一个光伏染 料电池，每个具有(a)电池壳体，所述壳体包括沿所述壳体的第一宽面的至少部分透明的电 池壁；（b)在所述光伏电池内，设置在所述电池壁的第一内表面上的至少部分透明的导电 层，所述内表面由塑料制成；（c)相对于所述第一内表面以远端方式设置在所述至少部分透 明的导电层上的阳极，所述阳极包括：（i)多孔膜表面，其被设置在所述导电层的宽面上，并 且与所述导电层的宽面电连通，并且适于与包括氧化还原电荷转移物质的电解质紧密接 触，所述多孔膜包括多个纳米颗粒;和（ii)设置在所述多孔膜的表面上的染料，所述染料和 所述多孔膜适于通过所述氧化还原电荷转移物质将光子转变成电子；以及(d)在所述壳体 的第二宽面上抵靠第二内表面设置的阴极，其基本上与所述阳极相对并在所述阳极上方， 所述阴极包括被设置来以流体方式接触所述电解质的催化表面，所述多孔膜是含有高温烧 结二氧化钛的烧结多孔膜。
[0006] 根据本发明的另一方面，提供了制造光伏染料电池布置的方法，所述方法包括以 下步骤：（a)提供柔性中间衬底；（b)在所述中间衬底上施加含有二氧化钛颗粒的膏层以形 成第一结构；（c)使所述第一结构经受在至少370°C温度下进行烧结以产生包括烧结二氧化 钛层的烧结结构；（d)将所述烧结结构转移到柔性塑料衬底；以及(e)将所述烧结结构固定 粘附到所述柔性塑料衬底。
[0007] 根据本发明的又一方面，提供了制造光伏染料电池布置的方法，所述方法包括以 下步骤：（a)提供柔性中间衬底；（b)在所述中间衬底上施加至少一层膏以形成第一结构，所 述膏选自纳米颗粒二氧化钛膏、间隔层膏和阴极膏组成的膏组；（c)使包括所述第一结构或 由所述第一结构组成的染料电池结构经受在至少370°C温度下进行烧结以产生包括烧结二 氧化钛层的烧结结构；（d)随后将所述烧结结构转移到柔性塑料衬底；以及(e)将所述烧结 结构固定粘附到所述柔性塑料衬底。
[0008] 根据本发明的又一方面，提供了包括至少第一光伏染料电池和第二光伏染料电池 的光伏染料电池布置，所述第一和第二光伏染料电池共用形成所述染料电池布置的壳体的 第一宽面的共同、至少部分透明的电池壁，所述电池中的每个具有：（a)在所述光伏电池内， 设置在所述电池壁的第一内表面上的至少部分透明的导电层，所述内表面由塑料制成；（b) 相对于所述第一内表面以远端方式设置在所述至少部分透明的导电层上的阳极，所述阳极 包括：（i)多孔膜表面，其被设置在所述导电层的宽面上方，并且与所述导电层的宽面电连 通，并且适于与包括电荷转移物质的电解质紧密接触，所述多孔膜包括多个纳米颗粒；和 (ii)设置在所述多孔膜的表面上的染料，所述染料和所述多孔膜适于通过所述电荷转移物 质将光子转变成电子；以及(C)在所述壳体的第二宽面上抵靠第二内表面设置的阴极，其基 本上与所述阳极相对并在所述阳极上方，所述阴极包括被设置来以流体方式接触所述电解 质的催化表面，所述多孔膜是含有高温烧结二氧化钛的烧结多孔膜。
[0009] 根据所述优选实施方案的其他特征，所述染料电池布置还包括电解质，所述电解 质含有氧化还原电荷转移物质。
[0010] 根据所述优选实施方案的另一些其他特征，所述至少部分透明的导电层包括掺杂 的氧化锡层。
[0011] 根据所述优选实施方案的另一些其他特征，所述烧结多孔膜由或在很大程度上、 大多、主要或基本上由烧结二氧化钛组成。
[0012] 根据所述优选实施方案的另一些其他特征，所述高温烧结的二氧化钛具有在至少 400°C、至少 425°C、至少 450°C、至少 475°C、至少 500°C、至少 525°C、至少 550°C 或至少 575°C 的温度下烧结的二氧化钛的结构性质。
[0013] 根据所述优选实施方案的另一些其他特征，所述至少部分透明的导电层包括掺杂 的氧化锡。
[0014]根据所述优选实施方案的另一些其他特征，所述掺杂的氧化锡包括氧化铟。
[0015] 根据所述优选实施方案的另一些其他特征，所述阴极包括至少一种类型的导电性 碳。
[0016] 根据所述优选实施方案的另一些其他特征，所述导电性碳选自石墨烯、碳纳米管、 碳黑、石墨和富勒烯组成的组。
[0017] 根据所述优选实施方案的另一些其他特征，所述第二内表面由塑料制成。
[0018] 根据所述优选实施方案的另一些其他特征，所述第一和第二宽面由或在很大程度 上、大多、主要或基本上由塑料组成。
[0019] 根据所述优选实施方案的另一些其他特征，所述第一和第二宽面由或在很大程度 上、大多、主要或基本上由至少部分透明的塑料制成。
[0020] 根据所述优选实施方案的另一些其他特征，所述至少一个染料电池包括多个染料 电池。
[0021] 根据所述优选实施方案的另一些其他特征，所述电池壳体容纳所述多个染料电 池。
[0022] 根据所述优选实施方案的另一些其他特征，所述至少部分透明的电池壁是由所述 多个染料电池共用的单个、共同的至少部分透明的电池壁。
[0023] 根据所述优选实施方案的另一些其他特征，沿所述至少部分透明的电池壁以并排 方式设置所述多个染料电池。
[0024] 根据所述优选实施方案的另一些其他特征，通过至少一个电池间电连接件来电气 串联所述多个染料电池。
[0025] 根据所述优选实施方案的另一些其他特征，所述电池间电连接件物理上连接在所 述多个染料电池中的第一染料电池的阴极与所述多个染料电池中的第二染料电池的阳极 之间。
[0026] 根据所述优选实施方案的另一些其他特征，相对于所述至少部分透明的导电层， 所述电池间电连接件具有不同的构成。
[0027] 根据所述优选实施方案的另一些其他特征，相对于所述阴极的任意部件，所述电 池间电连接件具有不同的构成。
[0028] 根据所述优选实施方案的另一些其他特征，所述电池间电连接件包括选自银、钨 和氮化钛组成的组的材料。
[0029] 根据所述优选实施方案的另一些其他特征，物理上从设置在染料电池内的电解质 密封所述电池间电连接件。
[0030] 根据所述优选实施方案的另一些其他特征，通过在很大程度上、大多、主要、基本 上或完全径向包封所述电池间电连接件的聚合物密封剂，物理上从设置在染料电池内的电 解质密封所述电池间电连接件。
[0031] 根据所述优选实施方案的另一些其他特征，通过在很大程度上、大多、主要、基本 上或完全包封所述电池间电连接件的长度的聚合物密封剂，物理上从设置在染料电池内的 电解质密封所述电池间电连接件。
[0032] 根据所述优选实施方案的另一些其他特征，相对于所述阳极的部件，所述电池间 电连接件是分立部件。
[0033] 根据所述优选实施方案的另一些其他特征，相对于所述阴极的部件，所述电池间 电连接件是分立部件。
[0034] 根据所述优选实施方案的另一些其他特征，所述电池间电连接件是所述阴极的延 伸和/或与所述阴极成一体。
[0035] 根据所述优选实施方案的另一些其他特征，所述壳体的第二宽面由或在很大程度 上、大多、主要或基本上由聚合物密封剂组成。
[0036] 根据所述优选实施方案的另一些其他特征，所述聚合物密封剂形成所述壳体的第 二宽面的第二内表面。
[0037] 根据所述优选实施方案的另一些其他特征，所述阴极不含或基本上不含导电性氧 化锡。
[0038] 根据所述优选实施方案的另一些其他特征，所述阴极包括至少一种类型的导电性 碳，所述聚合物密封剂接触所述导电性碳。
[0039] 根据所述优选实施方案的另一些其他特征，所述染料电池具有整体结构。
[0040] 根据所述优选实施方案的另一些其他特征，所述电池壁是柔性电池壁。
[0041]根据所述优选实施方案的另一些其他特征，所述柔性电池壁具有足够的柔性以用 于卷装进出式(roll-to-roll)转移工艺。
[0042] 根据所述优选实施方案的另一些其他特征，以上文提供的步骤(e)中的任一个那 样布置的所述烧结结构，所述烧结二氧化钛层被直接固定粘附到所述柔性塑料衬底。
[0043] 根据所述优选实施方案的另一些其他特征，所述烧结结构的固定粘附包括至少一 个机械压制操作。
[0044] 根据所述优选实施方案的另一些其他特征，所述柔性中间载体衬底在很大程度 上、大多、主要或基本上由选自石墨、铝、不锈钢和钛组成的组的材料组成。
[0045] 根据所述优选实施方案的另一些其他特征，所述柔性中间载体衬底的表面在很大 程度上、大多、主要或基本上由选自石墨、铝、不锈钢和钛组成的组的材料组成。
[0046] 根据所述优选实施方案的另一些其他特征，对于烧结来说，所述柔性中间载体衬 底可重复耐用。
[0047]根据所述优选实施方案的另一些其他特征，所述方法还包括使用所述柔性中间载 体衬底的单个、特定衬底重复施加、经受和转移[(任一组的步骤(b)-(d)]至少2次、至少5 次、至少20次、至少50次、至少200次或至少1000次。
[0048]根据所述优选实施方案的另一些其他特征，所述烧结在达到至少400°C、至少425 °C、至少450°C、至少475°C、至少500°C、至少525°C、至少550°C或至少575°C的温度下实现。
[0049] 根据所述优选实施方案的另一些其他特征，所述施加步骤包括沉积或印刷或丝网 印刷操作。
[0050] 根据所述优选实施方案的另一些其他特征，所述方法还包括使用至少一种染料使 烧结二氧化钛层染色，以产生染色的阳极。
[0051] 根据所述优选实施方案的另一些其他特征，所述方法还包括组装染色的阳极、催 化阴极和含有氧化还原电荷转移物质的电解质。
[0052]根据所述优选实施方案的另一些其他特征，所述方法还包括密封所述染色的阳 极、催化阴极和氧化还原电解质以产生所述光伏染料电池。
[0053] 根据所述优选实施方案的另一些其他特征，所述柔性塑料衬底具有透明导电层， 所述转移被执行以便抵靠所述透明导电层并置所述烧结二氧化钛层。
[0054] 根据所述优选实施方案的另一些其他特征，所述膏含有二氧化钛颗粒，所述颗粒 具有小于800纳米、小于500纳米、小于250纳米、小于100纳米、小于80纳米、小于50纳米、小 于35纳