专利名称：大面积内部串联染料敏化纳米薄膜太阳电池及其制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体材料、高分子材料、有机材料、无机材料、可再生能源和太阳电池制作领域，具体是涉及大面积内部串联染料敏化纳米薄膜太阳电池及其制作方法。
背景技术：
1991年瑞士洛桑高等理工学院M.Grtzel教授实验室在Nature(O’Regan，B.；Grtzel.M，1991，353，737)上报道一种全新的染料敏化纳米薄膜太阳电池的研究成果，立即得到国际上广泛关注和重视。自1991年至今一直是国际上的研究热点。其廉价和生产成本和易于工业化生产的工艺技术，以及广阔的应用前景，吸引了众多的科学家与企业投入。
染料敏化纳米薄膜太阳电池是利用有机光敏功能分子与半半导体纳米材料结合的复合体系对太阳能进行光电转换，它综合了有机和无机光电材料的功能和特点利用有机光敏染料高效的采集光性能，半导体材料的快速电荷转移与分离优势，结合半导体纳晶薄膜的多孔性和高的比表面积，充分利用有机分子的设计的灵活性以及半导体纳米结构材料的不同于体材料的一些新特性。
染料敏化纳米薄膜太阳电池主要由以下几个部分组成含纳米多孔半导体薄膜的光阳极、染料光敏化剂、电解质和反电极、以及密封材料。由于染料敏化纳米薄膜太阳电池的内部物理和化学的环境复杂，电子在电解液的过程传递中伴随着复杂的反应过程，这些都对密封材料和电极材料提出了更高的要求，而且要有足够的密封强度防止电解液的挥发和泄漏，这是达到一个长寿命的染料敏化纳米薄膜太阳电池的基本要求。
目前该电池在小面积(小于1cm2)最高转换效率已达到11％左右，但在大面积电池及其组件，由于电池密封等关键问题上未能解决，一直阻碍这种太阳电池的广泛应用。
发明内容
本发明的目的是提供适合于工业化制备大面积、高效率染料敏化纳米薄膜太阳电池的制备方法。该方法不仅工艺简单，而且电池比较稳定，可以达到长寿命的目的。
使用本方法可制备大面积内部串联染料敏化纳米薄膜太阳电池，克服制备大面积染料敏化纳米薄膜太阳电池所带来的技术难题和材料选择困难，并通过该方法使该种电池通过内部串联，获得比单节电池更高的输出电压，避免了通过电池外部的串联所带来稳定性问题和工业化技术问题。
本发明的技术方案如下大面积内部串联染料敏化纳米薄膜太阳电池，包括有上、下两面透明基板，透明基板周边密封成腔体，腔体中有电解液，透明基板上有透明导电膜，其特征在于所述的透明导电膜间隔排布在透明基板上，其中一块透明基板的透明导电膜上有催化剂层间隔排布，另一块透明基板的透明导电膜上有纳米多孔半导体材料块间隔排布，纳米多孔半导体材料中浸渍有染料，两块透明基板上相错开的透明导电膜之间通过电极材料串联。
所述的太阳电池，其特征在于所述的电极材料覆盖有高分子材料、或高分子粘结剂、或玻璃材料、或陶瓷材料。
所述的太阳电池，其特征在于以金属粉末和高分子粘结材料相混合，作为电池内部串联电极材料，或以金属浆料作为电池内部串联电极材料。
所述的太阳电池，其特征在于透明基板材料是透明玻璃，或透明塑料，透明高分子材料。
如上所述的太阳电池的制作方法，其特征在于包括以下步骤(1)、在透明基板上覆盖透明导电膜，并分割断开，(2)、制电极浆料采用硅胶，或环氧胶，或紫外光固化胶，或高分子材料固化胶和催化剂按一定的比例与导电粉末，金属镍粉末、或钛粉末、或金粉末、或银粉末，金属粉末与所用胶的比例在1∶1至1∶10之间，并加入总重量的千分之一到万分之一的铂催化剂，混合均匀后，作为内部串联电池的电极材料；或以金属浆料作为电池内部串联电极材料，(3)、在一块透明基板的各块透明导电膜上，间隔印刷，或喷涂，或溅射等方法制备纳米或多孔半导体薄膜材料并烧结，通过浸渍使纳米或多孔半导体薄膜中吸附均匀的染料，(4)、在另一块透明基板的各块透明导电膜上，印刷，或喷涂，或溅射方法制备催化层并烧结，(5)、利用丝网印刷，或挤压机，或分配器，或其它方法，将制备的电极浆料在导电膜的一端均匀成型，将两块基板合上后，电极浆料串联连接两块基板上的错开位置的导电膜，并加热固化和密封，(6)、两块基板的周边也用密封材料固化构成腔体，并注入电解质材料。
所述的太阳电池的制作方法，其特征在于纳米或多孔半导体薄膜材料是指纳米TiO2多孔膜、或纳米ZnO多孔膜、或其它纳米半导体材料，薄膜厚度可在0.1微米至1毫米之间，如基板是透明导电玻璃，烧结温度为450至600摄氏度，烧结30至200分钟。
所述的太阳电池的制作方法，其特征在于催化层是指含铂的溶液或胶体印刷、或喷涂、或溅射的方法镀一层铂层，或其它催化物质，薄膜厚度可在0.001微米至1毫米之间，如基板为透明导电玻璃，烧结温度为450至600摄氏度，烧结30至200分；350至550摄氏度烧结20至120分钟。
所述的太阳电池的制作方法，其特征在于第(5)步是利用丝网印刷，或分配器，或挤压成型的方法，把电极浆料银浆料、铜浆料或其它金属和合金浆料在导电膜上成型，50至150摄氏度烘干，然后再在导电浆料外印刷密封用浆料玻璃浆料、陶瓷浆料，将两块基板合上后，电极浆料串联连接两块基板上的错开位置的导电膜，并加热固化和密封。
所述的太阳电池的制作方法，其特征在于对导电膜分割是利用激光刻划、或其它机械刻划、或高压水刻划把透明基板上的导电膜按设计需要分割成一定尺寸，并清洗干净待用；纳米多孔薄膜吸附染料是指使染料在电池内循环，待染料均匀吸附在多孔薄膜内以后，停止染料循环，去干薄膜内剩余溶液；向太阳电池中注入电解质是指利用真空或手工方法注入电解质溶液，并密封电解质注入小孔。
所述的太阳电池的制作方法，其特征在于金属浆料是银浆料、或铜浆料，或其它金属和合金浆料。
所述的太阳电池制作方法，其特征在于所述的串联电极材料为电极浆料采用硅胶，或环氧胶，或紫外光固化胶，或高分子材料固化胶和催化剂按一定的比例与导电粉末，金属镍粉末、或钛粉末、或金粉末等较耐腐蚀的金属粉末混合均匀，作为电极材料。
两块透明基片的周边通过高分子材料、或高分子粘结剂、或玻璃材料、或陶瓷材料固化。
两块透明基片的各电极可以覆盖或者不覆盖高分子材料、或高分子粘结剂、或玻璃材料、或陶瓷材料。
通过电池内部串联可根据设计者需要输出电压的数值，任意设计电池内部串联单节电池的数量。
把单节电池利用导电电极材料通过内部连接，完成电池内部串联。
串联电极浆料可以通过印刷、或挤压成型、或涂覆等方法，把电极浆料按设计要求在选用的透明导电膜上成型，作为内部串联电极。
染料敏化纳米薄膜太阳电池是以透明导电薄膜材料为电极，以染料敏化纳米多孔半导体薄膜材料为光阳极，以含有催化剂薄膜层为光阴极，以碘/碘离子溶液、溴/溴离子溶液等卤素/卤素离子电解质组成的液体电解质系统；以有机高分子化合物，如聚氧乙烯醚(PEO)、聚丙烯腈(PAN)、环氧氯丙烷和环氧乙烷的共聚物等组成的胶凝液体电解质的，以有机小分子胶凝剂，如通过胺与卤代烃形成季铵盐反应而在有机液体中形成凝胶网络结构而使得液体电解质固化，而得到的胶凝液体电解质；以离子液体介质如有机阳离子是烷基铵阳离子、烷基咪唑阳离子和烷基吡啶阳离子等，常见的无机阴离子是BF4-、AlCl4-、PF6-、AsF6-、SbF6-、F(HF)n-、CF3SO3-、CF3(CF2)3SO3-、(CF3SO2)2N-、CF3COO-、CF3(CF2)2COO-等，为基础的溶胶-凝胶电解质；以有机空穴传输材料主要是OMeTAD、P3HT、P3OT、PDTI、PTPD等取代三苯胺类的衍生物和聚合物、噻吩和吡咯等芳香杂环类衍生物的聚合物等为基础的固体电解质系统；以无机p-型半导体材料，如CuI和CuSCN等组成的固体电解质系统。本发明利用在该种太阳电池内部制作电极或采用保护电极的方法，制作电池内部串联电极，使用本发明可以使该种太阳电池内部任意串联，获得所需要的该太阳电池输出电压。本发明同时具有很好的电池密封功能，保证了电池运行的长期稳定性。本发明突破了大面积染料敏化纳米薄膜太阳电池制作的难点，对大面积电池的制作和实现起到关键的作用。本发明的技术和方法操作简单易行，价格低廉，电池性能稳定。
图1为染料敏化纳米薄膜太阳电池的内部构造图。
101-玻璃102-导电膜103-纳米多孔半导体膜104-有机染料吸附层105-密封材料106-电解液107-负载图2为染料敏化纳米薄膜太阳电池结构示意图。
201-透明衬底材料202-透明导电膜203-吸附染料的纳米多孔薄膜204-催化剂层205-密封材料206-电解质207-串联电极图3为染料敏化纳米薄膜太阳电池另一结构示意图。301-透明衬底材料302-透明导电膜303-吸附染料的纳米多孔薄膜304-催化剂层305-密封材料306-电解质307-电极保护和密封材料308-串联电极具体实施方式
实施例1参见图1、图3。
1.透明导电电极材料的准备把透明基板301，如透明导电玻璃，或导电塑料，或透明导电高分子材料，在其上覆盖一层导电膜302，利用激光刻划、或其它机械刻划、或高压水刻划把导电玻璃上的导电膜302按设计需要分割成一定尺寸，并清洗干净待用。
2.光阳极制备(负电极)导电玻璃301上，印刷，或喷涂，或溅射等方法制备纳米(或多孔)薄膜303(如纳米TiO2多孔膜、或纳米ZnO多孔膜)，薄膜厚度可在0.1微米至1毫米之间，并按照材料本身特性进行烧结和处理(如以透明导电玻璃为衬底来制备电池，此步可以在450至600摄氏度烧结30至200分钟)。
3.光阴极制备(正电极)另一块导电玻璃301上，印刷，或喷涂，或溅射等方法制备催化层304(如含铂的溶液印刷或喷涂、溅射的方法镀一层铂层，或其它催化物质)，薄膜厚度可在0.001微米至1毫米之间，并按照材料本身特性进行烧结和处理(如以透明导电玻璃为衬底的制备电池，此步可以在350至550摄氏度烧结20至120分钟)待用。
4.利用丝网印刷，或分配器，或挤压成型的方法，把导电烧结电极浆料308(如银浆料、铜浆料或其它金属和合金浆料)在导电膜302上成型，50至150摄氏度烘干，然后按设计要求印刷密封用浆料307(如玻璃浆料、陶瓷浆料等)，以上印刷厚度可根据电池制作需要而定。
5.把分别透明玻璃301叠放在一起，也可以外加一定的压力，两块透明基板301上相错开的透明导电膜302之间通过电极浆料308串联，使密封材料305密封透明玻璃301周边，并按内部串联电极材料和密封材料的要求烧结。
6.利用循环的方法和装置使染料在电池内循环，待染料均匀吸附在多孔薄膜303内以后，停止染料循环，去干薄膜内剩余溶液，并注入电解质溶液306，利用真空或手工方法注入电解质材料，并密封电解质注入小孔，完成该种内部串联染料敏化纳米薄膜太阳电池制作过程。
实施例2参见图2。把印刷有纳米多孔薄膜的光阳极放入染料溶液中浸泡一小时以上，使多孔半导体薄膜中吸附均匀的染料，可以选择利用特定的溶液清洗一下，使没有薄膜的地方没有染料的吸附。取100克，200目的钛粉、30克硅胶和0.1克Platium-Divinyltetramethyl-Disiloxrane Complex，混合均匀作为电极材料，电极材料外不再印刷密封浆料。其余同例1。
权利要求
1.大面积内部串联染料敏化纳米薄膜太阳电池，包括有上、下两面透明基板，透明基板周边密封成腔体，腔体中有电解液，透明基板上有透明导电膜，其特征在于所述的透明导电膜间隔排布在透明基板上，其中一块透明基板的透明导电膜上有催化剂层间隔排布，另一块透明基板的透明导电膜上有纳米多孔半导体材料块间隔排布，纳米多孔半导体材料中浸渍有染料，两块透明基板上相错开的透明导电膜之间通过电极材料串联。
2.如权利要求1所述的太阳电池，其特征在于所述的电极材料覆盖有高分子材料、或高分子粘结剂、或玻璃材料、或陶瓷材料。
3.如权利要求1所述的太阳电池，其特征在于以金属粉末和高分子粘结材料相混合，作为电池内部串联电极材料，或以金属浆料作为电池内部串联电极材料。
4.如权利要求1所述的太阳电池，其特征在于透明基板材料是透明玻璃，或透明塑料，透明高分子材料。
5.如权利要求1所述的太阳电池的制作方法，其特征在于包括以下步骤(1)、在透明基板上覆盖透明导电膜，并分割断开，(2)、制电极浆料采用硅胶，或环氧胶，或紫外光固化胶，或高分子材料固化胶和催化剂按一定的比例与导电粉末，金属镍粉末、或钛粉末、或金粉末、或银粉末，金属粉末与所用胶的比例在1∶1至1∶10之间，并加入总重量的千分之一到万分之一的铂催化剂，混合均匀后，作为内部串联电池的电极材料；或以金属浆料作为电池内部串联电极材料，(3)、在一块透明基板的各块透明导电膜上，间隔印刷，或喷涂，或溅射等方法制备纳米或多孔半导体薄膜材料并烧结，通过浸渍使纳米或多孔半导体薄膜中吸附均匀的染料，(4)、在另一块透明基板的各块透明导电膜上，印刷，或喷涂，或溅射方法制备催化层并烧结，(5)、利用丝网印刷，或挤压机，或分配器，或其它方法，将制备的电极浆料在导电膜的一端均匀成型，将两块基板合上后，电极浆料串联连接两块基板上的错开位置的导电膜，并加热固化和密封，(6)、两块基板的周边也用密封材料固化构成腔体，并注入电解质材料。
6.如权利要求5所述的太阳电池的制作方法，其特征在于纳米或多孔半导体薄膜材料是指纳米TiO2多孔膜、或纳米ZnO多孔膜、或其它纳米半导体材料，薄膜厚度可在0.1微米至1毫米之间，如基板是透明导电玻璃，烧结温度为450至600摄氏度，烧结30至200分钟。
7.如权利要求5所述的太阳电池的制作方法，其特征在于催化层是指含铂的溶液或胶体印刷、或喷涂、或溅射的方法镀一层铂层，或其它催化物质，薄膜厚度可在0.001微米至1毫米之间，如基板为透明导电玻璃，烧结温度为450至600摄氏度，烧结30至200分；350至550摄氏度烧结20至120分钟。
8.如权利要求5所述的太阳电池的制作方法，其特征在于第(5)步是利用丝网印刷，或分配器，或挤压成型的方法，把电极浆料银浆料、铜浆料或其它金属和合金浆料在导电膜上成型，50至150摄氏度烘干，然后再在导电浆料外印刷密封用浆料玻璃浆料、陶瓷浆料，将两块基板合上后，电极浆料串联连接两块基板上的错开位置的导电膜，并加热固化和密封。
9.如权利要求5所述的太阳电池的制作方法，其特征在于对导电膜分割是利用激光刻划、或其它机械刻划、或高压水刻划把透明基板上的导电膜按设计需要分割成一定尺寸，并清洗干净待用；纳米多孔薄膜吸附染料是指使染料在电池内循环，待染料均匀吸附在多孔薄膜内以后，停止染料循环，去干薄膜内剩余溶液；向太阳电池中注入电解质是指利用真空或手工方法注入电解质溶液，并密封电解质注入小孔。
10.如权利要求5所述的太阳电池的制作方法，其特征在于金属浆料是银浆料、或铜浆料，或其它金属和合金浆料。
全文摘要
本发明涉及大面积内部串联染料敏化纳米薄膜太阳电池及其制作方法。有上、下两面透明基板，透明基板周边密封成腔体，腔体中有电解液，透明基板上有透明导电膜，所述的透明导电膜间隔排布在透明基板上，其中一块透明基板的透明导电膜上有催化剂层，另一块透明基板的透明导电膜上有纳米多孔半导体材料块间隔排布，纳米多孔半导体材料中浸渍有染料，两块透明基板的相错开的透明导电膜之间通过电极材料串联。本发明制作电池内部串联电极，获得所需要的该太阳电池输出电流。电池密封功能好，保证了电池运行的长期稳定性。本发明的技术和方法操作简单易行，价格低廉，电池性能稳定。
文档编号H01M14/00GK1674302SQ20041001445
公开日2005年9月28日 申请日期2004年3月23日 优先权日2004年3月23日
发明者戴松元, 王孔嘉, 翁坚, 陈双宏 申请人:中国科学院等离子体物理研究所