专利名称：染料敏化太阳电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及到直接将光能转换成电能的特别是发电效率高且配备有陶瓷衬底来获得高强度的染料敏化太阳电池。
背景技术：
借助于改变其组合而制作的利用单晶硅、多晶硅、非晶硅、HIT(具有本征薄层的异质结)的太阳电池，已经得到了实际应用并成为了太阳发电技术中的主要技术。这些太阳电池具有接近20％的优异光电转换效率。由Gratzel等人在日本专利公开No.Hei-01-220380和Nature(vol.353，pp.737-740，1991)中提出的染料敏化太阳电池，作为廉价太阳电池也已经受到了关注。所提出的这种类型的太阳电池各配备有其上支持敏化染料的多孔二氧化钛电极、反电极、以及插入在二氧化钛电极与反电极之间的电解质材料，与目前可能得到的硅太阳电池相比，显现出较低的光电转换效率，但在材料和加工成本方面却能够得到显著的降低。虽然玻璃衬底常常被用于染料敏化太阳电池，但(瑞典Uppsala大学的)Hagfelt已经在2001年提出了采用树脂衬底的太阳电池。树脂衬底的价格低于玻璃衬底，故这种树脂衬底在太阳电池中的使用有望由于加工效率的改进而提供进一步的成本降低。
但硅太阳电池需要高的材料加工能量成本，并有许多问题有待解决，诸如环境负担以及成本和材料供给限制之类。而且，树脂衬底具有气体渗透性，致使采用树脂衬底的太阳电池在长时间使用的寿命方面可能有所不足。
发明内容
根据上述情况和目的已经提出了本发明来提供一种染料敏化太阳电池，此太阳电池具有实际充分的发电效率、高的强度、以及优异的寿命，并能够显著地降低其成本。
根据本发明的第一情况，提供了一种染料敏化太阳电池，它包含具有透光衬底、形成在透光衬底表面上的透光导电层、以及形成在透光导电层表面上且包含敏化染料的半导体电极的第一基底部件；具有陶瓷衬底和以面对半导体电极的方式形成在陶瓷衬底表面上的催化剂层的第二基底部件；以及形成在半导体电极与催化剂层之间的电解质层。
根据本发明的第二情况，提供了一种染料敏化太阳电池，它包含具有透光衬底和形成在透光衬底表面上的透光催化剂层的第一基底部件；具有陶瓷衬底、形成在陶瓷衬底表面上的导电层和以面对透光催化剂层的方式形成在导电层表面上且包含敏化染料的半导体电极的第二基底部件；以及形成在透光催化剂层与半导体电极之间的电解质层。
图1是从太阳电池第一基底部件透光衬底侧面看到的根据本发明第一实施方案的染料敏化太阳电池的平面图。
图2是从太阳电池第二基底部件陶瓷衬底侧面看到的根据本发明第一实施方案的染料敏化太阳电池的平面图。
图3是根据本发明第一实施方案的染料敏化太阳电池的剖面图。
图4是根据本发明第一实施方案的染料敏化太阳电池的半导体电极、敏化染料、以及电解质层的局部放大剖面图。
图5是从太阳电池第一基底部件透光衬底侧面看到的根据本发明第一实施方案的修正的染料敏化太阳电池的平面图。
图6是根据本发明第一实施方案的修正的染料敏化太阳电池的剖面图。
图7是根据本发明第二实施方案的染料敏化太阳电池的剖面图。
图8是根据本发明第二实施方案的修正的染料敏化太阳电池的剖面图。
具体实施例方式
下面参照附图来详细描述本发明的示例性实施方案。应该指出的是，为了避免其重复的描述，在下面的描述中，用相似的参考号来表示相似的零件和部分。
如图1-4所示，根据本发明第一实施方案的染料敏化太阳电池201包括第一基底部件101、第二基底部件102、以及电解质层6。第一基底部件101具有透光衬底1、形成在透光衬底1表面上的透光导电层21、以及形成在透光导电层21表面上且其中包含敏化染料31的半导体电极3。第二基底部件102具有陶瓷衬底4以及形成在陶瓷衬底4表面上的催化剂层52。
如图7所示，根据本发明第二实施方案的染料敏化太阳电池203包括第一基底部件103、第二基底部件104、以及电解质层6。第一基底部件103具有透光衬底1以及形成在透光衬底1表面上的透光催化剂层51。第二基底部件104具有陶瓷衬底4、形成在陶瓷衬底4表面上的导电层22、以及形成在导电层22表面上且其中包含敏化染料31半导体电极3。
在根据本发明第一实施方案的染料敏化太阳电池201中，半导体电极3位于透光衬底1侧上，而在根据本发明第二实施方案的染料敏化太阳电池203中，半导体电极3位于陶瓷衬底4侧上。虽然在染料敏化太阳电池201与染料敏化太阳电池203之间存在着半导体电极3位置的差别，但染料敏化太阳电池201与203在结构方面是相似的，二者都呈现足够的发电效率。太阳电池201和203的共同结构组成部分，例如透光衬底1、半导体电极3、陶瓷衬底4、以及电解质层6，可以是相同的。染料敏化太阳电池201的催化剂层52不一定要具有透光性质，但可以如染料敏化太阳电池203的透光催化剂层51的情况那样具有透光性质。染料敏化太阳电池203的导电层22不一定要具有透光性质，但可以如染料敏化太阳电池201的透光导电层21的情况那样具有透光性质。
玻璃和树脂片之类的衬底可以被用作透光衬底1。对树脂片没有特殊的限制。树脂片的例子包括诸如聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚萘二甲酸乙二酯之类的聚酯、聚硫醚乙二醇、聚碳酸酯、聚砜、以及聚亚乙基降冰片烯组成的薄片。
透光衬底1的厚度依赖于其材料而变化。对透光衬底1的厚度没有特殊的限制。如下列透射系数所示，显示60-99％，特别是85-99％的可见光透射率的透光衬底1的厚度，是可取的。此处的透射系数意味着波长为400-900nm的可见光的透射率为10％或以上。
透射系数(％)＝(通过透光衬底1的光量/入射在透光衬底1上的光量)×100。
对透光导电层21没有特殊的限制，只要具有透光和导电性质即可。导电氧化物薄膜和碳薄膜之类都可以被用作透光导电层21。导电氧化物的例子包括氧化铟、掺锡的氧化铟(ITO)、氧化锡、以及掺氟的氧化锡(FTO)。
透光导电层21的厚度依赖于其材料而变化。对透光导电层21的厚度没有特殊的限制。希望透光导电层21的厚度落入层21表现出每平方厘米100欧姆或以下，特别是每平方厘米1-10欧姆的表面电阻率的范围内。透射系数的定义和透光导电层21的所希望的透射系数范围，与透光衬底1的相同。
导电层22不一定要具有透光性，但可以具有透光性。导电层22可以由与透光导电层21相同的材料组成。
由于导电层22不一定要具有透光性，故对导电层22的厚度没有特殊的限制。但考虑到成本，导电层22优选呈薄膜的形式。希望导电层22的厚度落入层22表现出每平方厘米100欧姆或以下，特别是每平方厘米1-10欧姆的表面电阻率的范围内。
例如通过将其中包含导电氧化物或碳的细小颗粒的胶分别涂敷到透光衬底1的表面和陶瓷衬底4的表面上，能够制备透光导电层21和导电层22。此处，涂胶方法的例子有诸如刮刀工艺、滚刷工艺、以及甩涂工艺之类的各种工艺。或者，可以通过用溅射或气相淀积工艺将导电氧化物淀积到透光衬底1和陶瓷衬底4的各个表面上，来制备透光导电层21和导电层22。
为了改善光电转换，可以用络合物染料或有机染料作为敏化染料31。络合物染料的例子包括金属络合物染料。有机染料的例子包括聚甲川染料和部花青染料。金属络合物染料的具体例子包括钌络合物染料和锇络合物染料。其中，钌络合物染料是特别优选的。为了扩展敏化染料的光电转换波长范围从而得到光电转换效率的改善，可以组合使用二种或多种具有不同光电转换波长范围的敏化染料。在此情况下，根据辐照到敏化染料化合物上的光的波长范围和强度来选择待要在组合中使用的敏化染料化合物的种类和数量比，是可取的。而且，敏化染料优选包括键合到半导体电极3的功能团。此功能团的例子包括羧基、璜酸基、以及氰基。
半导体电极3具有电极本体，其上粘合敏化染料31。
半导体电极3的电极本体可以由金属氧化物材料和金属硫化物材料等组成。金属氧化物材料的例子包括二氧化钛、氧化锡、氧化锌、以及诸如五氧化铌的铌氧化物、氧化钽、以及氧化锆。诸如钛酸锶、钛酸钙、以及钛酸钡之类的双氧化物，也可以用作金属氧化物材料。金属硫化物的例子包括硫化锌、硫化铅和硫化铋。
对于半导体电极3的电极本体的制备方法没有特殊的限制。可以借助于例如将其中包含金属氧化物或金属硫化物细小颗粒的胶涂敷到各个透光导电层21的表面以及导电层22的表面，然后对胶进行烧结，来制备半导体电极3的电极本体。对涂胶的方法也没有特殊的限制，其例子包括丝网印刷工艺、刮刀工艺、滚刷工艺、甩涂工艺等。这样制备的电极本体是聚集体的形式，其中，细小的颗粒被团聚。或者，可以利用将其中金属氧化物和金属硫化物等与少量有机聚合物一起分散的胶体涂敷到各个透光导电层21表面和导电层22表面，对胶体进行烘干，以及用热分解方法清除有机聚合物的方法，来制备半导体电极3的电极本体。可以用诸如丝网印刷工艺、刮刀工艺、滚刷工艺、或甩涂工艺之类的任何方法，来涂敷胶体。这样制备的电极本体也是聚集体的形式，其中，细小的颗粒被团聚。
对半导体电极3的厚度没有特殊的限制，可以被调整成0.1-100微米。半导体电极3的厚度为1-30微米，特别是为2-25微米，是可取的。当半导体电极3的厚度为0.1-100微米时，有可能得到改善发电效率的适当光电转换。
而且，希望对半导体电极3进行热处理，以便提高半导体电极3的强度和半导体电极3与透光导电层21或导电层22的粘合性。对热处理的温度和时间没有特殊的限制。将热处理温度控制到40-700℃，特别是100-500℃，并将热处理时间控制成10分钟-10小时，特别是20分钟-5小时，是可取的。在采用树脂片作为透光衬底1的情况下，在100-170℃下，特别是在120-150℃下执行热处理，以便不引起树脂片的热退化，是可取的。
对于将敏化染料31粘合到半导体电极3的电极本体的方法，没有特殊的限制。例如，可以借助于将电极本体浸入到其中用有机溶剂溶解敏化染料31的溶液中，用此溶液浸渍电极本体，然后清除有机溶剂，来将敏化染料31粘合到半导体电极3的电极本体。或者，可以借助于将其中用有机溶剂溶解敏化染料31的溶液涂敷到电极本体，然后清除有机溶剂，来将敏化染料31粘合到半导体电极3的电极本体。此处溶液涂敷方法的例子包括线棒工艺(wire bar process)、滑动漏斗工艺(slide hopper process)、挤压工艺、淋涂工艺(curtain coating)、甩涂工艺、喷涂工艺等。或者，可以用诸如胶印工艺、凹版印刷工艺、或丝网印刷工艺之类的印刷工艺，来涂敷溶液。
敏化染料31的粘合量优选为每克电极本体0.01-1mmol，特别是每克电极本体0.5-1mmol。当敏化染料31的粘合量为0.01-1mmol时，使得半导体电极3能够得到足够的光电转换。若电极周围存在自由的敏化染料未被粘合到电极本体，则可以降低半导体电极3中的光电转换效率。于是希望在粘合敏化染料到电极本体的工艺之后，借助于冲洗半导体电极3，来清除过量的敏化染料。可以借助于通过冲洗槽用诸如极性溶剂如乙腈或乙醇溶剂之类的有机溶剂进行冲洗，来执行过量敏化染料的清除。为了将大量敏化染料粘合到电极本体，在浸渍或涂敷工艺之前，对电极本体进行加热，是可取的。在此情况下，更为优选的是，在热处理之后和电极本体达到环境温度之前，立即在40-80℃的温度下执行浸渍或涂敷工艺，以避免水被吸附到电极本体表面上。
如图5和6所示，还可以在透光衬底1与透光导电层21之间，或在透光导电层21的表面中，额外提供一个收集电极81，从而产生根据第一实施方案的修正的染料敏化太阳电池202。
收集电极81被安置在半导体电极3周围，或以将半导体电极3分成给定区域的方式被安置。当收集电极81被安置来将半导体电极3分成给定区域时，不仅有使收集电极81整个连续的情况，而且有收集电极81被部分地断开的情况。更具体地说，收集电极81的平面形式可以处于网格图形、网络图形、梳状图形、放射式图形等。对收集电极81的宽度和厚度没有特殊的限制，可以根据电阻和成本等适当地设定。收集电极81可以由诸如铂或金之类的贵金属或诸如钨、钛、或镍之类的金属组成。当收集电极81被提供在透光衬底1与透光导电层21之间或被提供在透光导电层21表面中并被树脂和玻璃等保护时，收集电极81不与任何电解质材料等形成直接接触。相反，当收集电极81被提供在透光导电层21的表面中而不被树脂和玻璃等保护时，收集电极81与某些电解质材料等形成直接接触。以这种方式，收集电极81与电解质材料等形成或不形成直接接触。钨、钛、镍是高度抗腐蚀的，且成本低，可以恰当地用作二种情况下的收集电极81的材料。特别优选的是具有优异抗腐蚀性的钨。而且，可以采用预定图形的掩模，用诸如磁控溅射工艺或电子束气相淀积工艺之类的物理气相淀积方法，来制备收集电极81。或者，可以利用胶，用丝网印刷工艺来制备收集电极81。
同样，在根据第二实施方案的染料敏化太阳电池203中，收集电极81可以被提供在透光衬底1与透光催化剂层51之间。
如图8所示，可以提供透光导电层21和透光导电层21与透光催化剂层51之间的收集电极81，从而得到根据第二实施方案的修正的染料敏化太阳电池204。
在染料敏化太阳电池203和204的情况下，可以用相同于染料敏化太阳电池202情况的方法，用相同于染料敏化太阳电池202情况的相同的材料，来将收集电极81图形化成相同的形式。虽然对收集电极81的位置也没有特殊的限制，但希望将收集电极81安置成改进电荷收集效率而不引起光到半导体电极3的透射的大损失。
陶瓷衬底4可以由诸如氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、以及碳化物陶瓷之类的各种陶瓷材料制备。氧化物陶瓷的例子包括氧化铝、高铝红柱石、以及氧化锆。氮化物陶瓷的例子包括氮化硅、氮化铝-氧化铝-氧化硅、氮化钛、以及氮化铝。碳化物陶瓷的例子包括碳化硅、碳化钛、以及碳化铝。
铝、氮化铝、以及氧化锆是优选的陶瓷材料。氧化铝是特别优选的。氧化铝具有高的抗腐蚀性和强度以及优异的电绝缘性质。于是，在陶瓷衬底中采用氧化铝能够使染料敏化太阳电池201，203得到高的使用寿命。在陶瓷衬底4包含氧化铝的情况下，基于陶瓷衬底4的总陶瓷量，希望陶瓷衬底4中的氧化铝量为80％质量比，特别是90％质量比或以上，95％质量比或以上(包括100％质量比)更好。
还希望陶瓷衬底4被紧密充填。例如，在采用氧化铝的情况下，陶瓷衬底4的相对密度优选为90％或以上，93％或以上更优选，95％或以上更为优选。利用这种紧密充填的高强度陶瓷衬底4，染料敏化太阳电池201和203变得寿命更长。
对陶瓷衬底4的厚度没有特殊的限制，可以调整到100微米-5mm，特别是500微米-5mm，1-5mm更好。希望陶瓷衬底4的厚度为300微米-3mm。当陶瓷衬底4的厚度为100微米-5mm，为所希望的300微米-3mm时，陶瓷衬底4具有足够的强度来作为支持层，致使染料敏化太阳电池201和203能够得到优异的使用寿命。
对陶瓷衬底4的制作方法没有特殊的限制。通常可以借助于制备其中包含陶瓷粉末、烧结助剂、粘结剂、以及塑化剂的浆体，用刮刀工艺等将浆体形成为半成品薄片，以及在适合于陶瓷材料种类的给定温度下对半成品薄片进行给定时间的烧结，来制作陶瓷衬底4。
催化剂层52可以由具有催化活性且电化学稳定的材料(以下仅仅称之为“催化活性材料”)或者其本身不显示催化活性但其中包含催化活性材料的金属、导电氧化物、以及导电树脂中的至少一种来组成。催化活性材料的例子包括铂、铑、以及碳黑。这些物质也具有导电性。催化剂层52优选由具有高的催化活性和电化学稳定性的铂或铑组成。特别优选的是铂，它具有高的催化活性和电化学稳定性，且不容易被电解质溶液溶解。在采用其本身不显示催化活性的任何金属、导电氧化物、以及导电树脂的情况下，希望在每100份质量的无催化活性的金属、导电氧化物、和/或导电树脂中包含1-99份，特别是50-99份质量的催化活性材料。无催化活性金属的例子包括铜、铝、镍、以及铬。无催化活性的导电氧化物的例子包括相同于用来制备透光导电层21的导电氧化物材料。无催化活性的导电树脂的例子包括聚苯胺、聚吡咯、以及聚乙炔。
催化剂层52也可以由借助于将催化活性材料和一种或多种导电材料混合到树脂材料中而制备的树脂组分来组成。对树脂材料没有特殊的限制，热塑树脂或热固化树脂都可以。热塑树脂的例子包括热塑聚酯树脂、聚酰胺树脂、聚烯烃树脂、以及聚氯乙烯树脂。热固化树脂的例子包括环氧树脂、热固化聚酯树脂、以及酚树脂。如在上述情况下那样，催化活性材料包括铂、铑、以及碳黑。导电材料的例子包括诸如铜、铝、镍、铬之类的金属以及诸如聚苯胺、聚吡咯、聚乙炔之类的导电聚合物。这些导电材料可以单独使用或组合使用。
以这种方式，可以从催化活性和导电材料或本身不显示催化活性且其中包含催化活性材料的金属、导电氧化物、以及导电树脂中至少一种，来制备催化剂层52。此催化剂层52可以是一种材料的层或者二种或多种材料的混合层。而且，催化剂层52可以具有单层结构或包括一个以上金属层、导电氧化物层、导电树脂层以及二种或多种金属、导电氧化物、以及导电树脂的混合层的多层结构。在催化剂层52具有单层结构或催化剂层52具有多层结构的情况下，对催化剂层52的厚度都没有特殊的限制，可以调整为3nm-10微米，特别是3nm-1微米。当催化剂层52的厚度为3nm-10微米时，催化剂层52的电阻变得足够低。
用相同于催化剂层52的材料，可以制备透光的催化剂层51。如在催化剂层52的情况中那样，透光催化剂层51可以是一种材料的层或者二种或多种材料的混合层，并可以具有单层结构或多层结构。
透射系数的定义和透光催化剂层51的所希望的透射系数范围相同于透光衬底1的。为了透光催化剂层51得到适当的透射系数，优选用具有优异透光性的材料，将透光催化剂层51形成为薄膜。
在催化剂层51具有单层结构或催化剂层51具有多层结构的情况下，可以将透光催化剂层51的厚度调整到1nm-50微米，特别是20nm-1微米。当透光催化剂层51的厚度为1nm-50微米时，透光催化剂层51显示恰当的透光性且电阻变低。
当包含金属或导电氧化物时，可以通过将其中包含金属或导电氧化物细小颗粒的胶涂敷到陶瓷衬底4的表面，来制备催化剂层52。当包含金属或导电氧化物时，可以通过将其中包含金属或导电氧化物细小颗粒的胶涂敷到透光衬底1的表面，或者，若提供了透光的导电层21，则涂敷到透光导电层21的表面，来制备透光的催化剂层51。涂胶方法的例子有诸如刮刀工艺、滚刷工艺、以及甩涂工艺之类的各种方法。或者，可以通过用溅射工艺和气相淀积工艺之类将金属等淀积到陶瓷衬底4和透光衬底1的各个表面，来制备催化剂层52和透光催化剂层51。当包含具有催化活性材料的导电树脂时，可以借助于采用诸如Banbury混合器、内部混合器、或开放滚筒之类的搅拌装置在粉末或纤维状态下搅拌树脂与催化活性材料和导电材料，将这样搅拌过的物质模塑成薄膜，然后将薄膜分别键合到陶瓷衬底4的表面和透光衬底1的表面，来制备催化剂层52和透光催化剂层51。也可以借助于将树脂组分溶解或分散到溶剂中，将这样得到的溶液或悬浮液涂敷到陶瓷衬底4和透光衬底1的各个表面，烘干以清除溶剂，然后按需要进行加热，来制备催化剂层52和透光催化剂层51。
在根据第一实施方案的染料敏化太阳电池201和根据第一实施方案的修正的染料敏化太阳电池202中，都可以在陶瓷衬底4与催化剂层52之间提供一个收集电极82。在其中半导体电极3位于导电层22表面上的根据第二实施方案的染料敏化太阳电池203和根据第二实施方案的修正的染料敏化太阳电池203中，都可以优选在陶瓷衬底4与导电层22之间提供一个收集电极82。
当各个催化剂层52和导电层22由诸如具有优异导电性质的铂之类的贵金属组成时，不一定要提供收集电极82，但考虑到成本而希望提供。尽管催化剂层52和导电层22由于诸如铂的贵金属昂贵而优选被形成为薄膜，但薄膜层52和22的电阻变大。于是，借助于提供诸如成本低且具有优异导电性和抗腐蚀性的钨或钛或者成本低且通常用作抗腐蚀导电材料的镍之类的金属的收集电极82，有可能得到电荷收集效率的改进和降低成本。当催化剂层52由其中催化活性材料与导电氧化物被混合的组分来制备时，以及当导电层22由导电氧化物制备时，催化剂层52和导电层22的电阻变得更高。在此情况下，为了改善电荷收集效率，优选提供收集电极82。
对收集电极82的形状没有特殊的限制。收集电极82可以被提供成平面形状或被提供成直线形状，以便将催化剂层52或导电层22分成给定的区域。为了使收集电极82的电阻低，希望收集电极82相似于催化剂层52或导电层22呈平面形状并具有催化剂层52或导电层22面积的50％或以上，特别是65％或以上，更好是80％或以上(包括相同的尺寸)的大面积。还希望收集电极82的图形相似于催化剂层52或导电层22。在收集电极82以将催化剂层52或导电层22分成给定的区域的方式被提供的情况下，收集电极82的形状可以是网格图形、网络图形、梳状图形、放射式图形等。当收集电极82被安置成将催化剂层52或导电层22分成给定的区域时，不仅存在着使收集电极82整个连续的情况，而且存在着收集电极82部分地断开的情况。对收集电极82的厚度没有特殊的限制，可以根据电阻和成本等来恰当地设定。而且，当催化剂层52或导电层由金属或金属氧化物组成时，可以采用预定图形的掩模，用诸如磁控溅射工艺或电子束气相淀积工艺之类的物理气相淀积方法，或采用胶，用丝网印刷工艺，来制作收集电极82。
收集电极82也可以被提供在催化剂层52或导电层22的表面中。此时，在其中半导体电极3位于透光衬底1侧上的染料敏化太阳电池201中，当收集电极82提供在催化剂层52的表面中而未被树脂和玻璃等保护时，收集电极82与某些电解质材料形成直接接触。当被树脂和玻璃等保护时，收集电极82不与任何电解质材料形成直接接触。在其中半导体电极位于陶瓷衬底4侧上的染料敏化太阳电池203中，当收集电极82提供在导电层22与半导体电极3之间时，收集电极82与浸入在半导体电极3中的某些电解质材料形成接触。以这种方式，收集电极81与电解质材料形成或不形成直接接触。诸如铂或金的贵金属、钨、钛、或镍，可以被用作各个情况下的收集电极82的材料。其中优选的是抗腐蚀性高且成本低的钨、钛、镍。特别优选的是具有优异抗腐蚀性的钨。
电解质层6通常包含电解质、溶剂、以及各种添加剂。电解质的例子包括(1)碘和碘化物；(2)溴和溴化物；(3)诸如亚铁氰化物-铁氰化物络合物或二茂铁-二茂铁离子络合物；(4)诸如聚硫化钠或烷基硫醇-烷基化二硫之类的硫化合物；(5)紫精(viologen)染料；(6)氢醌-醌。诸如LiI、NaI、KI、CsI、CaI2之类的金属碘化物、诸如四烷基胺碘化物、吡啶碘化物、以及咪唑碘化物之类的四元胺碘化物，可以被用作催化剂的碘化物(1)。诸如LiBr、NaBr、KBr、CsBr、CaBr2之类的金属溴化物、诸如四烷基胺溴化物和吡啶溴化物之类的四元胺溴化物，可以被用作催化剂的溴化物(2)。在这些电解质材料中，特别优选的是I2和LiI的组合或诸如吡啶碘化物或咪唑碘化物之类的四元胺碘化物。这些电解质材料可以单独或组合使用。
电解质层6的溶剂优选是具有低粘滞性、高离子迁移率、以及足够离子传导性的溶剂。这种溶剂的例子包括(1)诸如乙烯碳酸酯和丙烯碳酸酯之类的碳酸酯；(2)诸如3-甲基-2-恶唑二酮之类的杂环化合物；(3)诸如二恶烷和二乙基醚之类的醚；(4)诸如乙烯甘醇二烷基醚、丙烯甘醇二烷基醚、聚乙烯甘醇二烷基醚、以及聚丙烯甘醇二烷基醚之类的链醚；(5)诸如甲醇、乙醇、乙烯甘醇单烷基醚、丙烯甘醇单烷基醚、聚乙烯甘醇单烷基醚、以及聚丙烯甘醇单烷基醚之类的单乙醇；(6)诸如乙烯甘醇、丙烯甘醇、聚乙烯甘醇、聚丙烯甘醇、以及甘油之类的聚乙醇；(7)诸如乙腈、戊二腈、甲氧基乙腈、丙腈、以及苯甲腈之类的腈；以及(8)诸如二甲基亚砜和环砜烷之类的惰性极性溶剂。
对电解质层6的厚度没有特殊的限制，可以调整到200微米或以下，特别是50微米或以下(正常为1微米或以上)。当电解质层6的厚度为200微米或以下时，有可能得到光电转换效率的充分提高。
在染料敏化太阳电池201中，利用使电解质溶液浸渍在细小颗粒聚集体的半导体电极3的空腔中，电解质层6被形成在半导体电极3与催化剂层52之间。在染料敏化太阳电池203中，利用电解质溶液浸渍在细小颗粒聚集体的半导体电极3的空腔中，电解质层6被形成在半导体电极3与透光催化剂层51之间。
对电解质层6的制备方法没有特殊的限制。例如，可以借助于在染料敏化太阳电池201中的透光导电层21与陶瓷衬底4或催化剂层52之间或者在染料敏化太阳电池203中的透光催化剂层51或透光导电层21与陶瓷衬底4或导电层22之间的半导体电极3周围的空间中提供树脂或玻璃的密封，然后将电解质溶液注入到这样密封的空间中，来制备电解质层6。在此情况下，电解质溶液通过第一基底部件101或第二基底部件102的注入孔，并通过第一基底部件103或第二基底部件104的注入孔，被注入到密封的空间中。注入孔可以被形成在第一基底部件101和第二基底部件102中或第一基底部件103和第二基底部件104中。但当透光衬底1是玻璃衬底时，不容易在例如第一基底部件101中打注入孔。在陶瓷衬底4中打注入孔比在玻璃衬底中更容易。特别是当陶瓷衬底4仍然是半成品时，非常容易用冲压机在陶瓷衬底4中形成注入孔。因而希望在第二基底部件102和104中形成注入孔。虽然一个注入孔就可以注入电解质溶液，但可以形成另一孔来排出空气。这一排气孔的形成使得更容易注入电解质溶液。
用来密封半导体电极3周围的树脂的例子包括诸如环氧树脂和尿烷树脂之类的热固化树脂以及热固化的聚酯树脂。也可以用玻璃来提供密封。特别是当太阳电池要求长寿命时，用玻璃来密封是可取的。
如上所述，其中半导体电极3位于透光衬底1侧上的根据第一实施方案的染料敏化太阳电池201、根据第一实施方案的修正的染料敏化太阳电池202、其中半导体电极3位于陶瓷衬底4侧上的根据第二实施方案的染料敏化太阳电池203、以及根据第二实施方案的修正的染料敏化太阳电池204，能够实际确保足够的发电效率，同时得到高的强度和优异的寿命，且由于在各个太阳电池中安置了陶瓷衬底4而能够显著地降低成本。
用催化活性材料或其中包含催化活性材料并用作半导体电极3的反电极的至少金属、导电氧化物、以及导电树脂之一，来制备催化剂层52和透光催化剂层51。染料敏化太阳电池201-204从而能够得到适当的发电效率。
树脂或玻璃密封被提供在透光导电层21与陶瓷衬底4或催化剂层52之间或者透光催化剂层51或透光导电层21与陶瓷衬底4或导电层22之间的半导体电极3周围。借助于根据太阳电池的使用条件以及其中安装太阳电池的产品的种类而选择密封材料，能够恰当地保护半导体电极3和电解质层6等，致使各个染料敏化太阳电池201-204的寿命得到提高。
而且，收集电极81和82被提供在陶瓷衬底4与催化剂层52之间以及透光衬底1与透光催化剂层51之间或者透光催化剂层51与透光导电层21之间。于是，即使当催化剂层52等的电阻大时，染料敏化太阳电池201-204也变得能够得到足够的发电效率。
当包含钨时，收集电极81或82的抗腐蚀性很高，致使各个染料敏化太阳电池201-204变得能够得到优异的寿命。
当陶瓷衬底4包含氧化铝时，由于氧化铝的强度高且抗腐蚀性高，故各个染料敏化太阳电池201-204变得能够得到更长的寿命。
参照染料敏化太阳电池201和202的下列各个实施例，来更详细地描述本发明。但应该指出的是，下列各个实施例仅仅是示例性的，而不是用来限制本发明的。
实施例1(1)第一基底部件101的制作长度为100mm、宽度为100mm、厚度为1mm的玻璃衬底，被制备作为透光衬底1。厚度为300nm的掺氟的氧化锡透光导电层21，被形成在衬底1的表面上。用丝网印刷方法，将包含直径为10-20微米的二氧化钛颗粒的胶(可从Solaronix得到，商标为“Ti-NonoxideD/SP”)涂敷到透光导电层21的表面，在120℃下烘干1小时，并在480℃下烧结30分钟，从而形成3片电极本体，用来制备半导体电极3。这样得到的叠层被浸入在钌络合物的乙醇溶液(可从Solaronix得到，商标为“535bis-TBA“)中10小时，以便如图4中局部放大的那样用钌络合物的敏化染料31浸渍电极本体片，来形成图1和3所示的长度各为80mm、宽度为27mm、厚度为20微米的3片半导体电极3。于是就完成了第一基底部件101。铂的引线电极91被固定到透光导电层21的端部。
(2)第二基底部件102的制作接着，90.5％质量比的铝粉末、1％质量比的镁粉末、以及4％质量比的二氧化硅粉末被混合到一起，用球磨机对其进行12小时湿法研磨，脱水和烘干。用球磨机将这样得到的粉末混合物与3％质量比的异丁基醚异丁烯酸、1％质量比的氮纤维素、0.5％质量比的邻苯二甲酸二辛酯、以及三氯乙烯和n-丁醇的溶剂混合，从而形成氧化铝粉末的浆体。借助于在减压下对氧化铝粉末进行除气、用流铸方法将浆体铸成片状、以及逐渐冷却以蒸发溶剂，就制备了厚度为1.2mm的氧化铝半成品片。以相似的方法制备了包含钨粉末的金属化墨水。利用氧化铝半成品片表面上的钨金属化墨水，用丝网印刷方法，形成了厚度为6微米的用作收集电极82的导电涂层。此涂层在100℃下被烘干30分钟，并用0.2MPa进行压缩以改善平滑性。随后，制备了包含铂粉末的金属化墨水。利用氧化铝半成品片和用作收集电极82的导电涂层的表面上的铂金属化墨水，用丝网印刷方法，形成了厚度为1微米的导电涂层。这样得到的叠层在减压下于1500℃下被整体烧结。如图2和3所示，于是制作了第二基底部件102，其中，长度为80mm、宽度为27mm、厚度为20微米的3片催化剂层52以及厚度为5微米的收集电极82，被形成在厚度为1.0mm的氧化铝衬底4的表面上。铂的引线电极92被固定到氧化铝衬底4的端部，并由氧化铝衬底4与催化剂层52之间的各片收集电极82连接。
(3)染料敏化太阳电池201的制造厚度为60微米的热塑树脂的粘合片(可从Solaronix得到，商标为“SX1170-60”)被提供到第二基底部件102的氧化铝衬底4其上未曾形成催化剂层52的部分。然后以第一基底部件101的半导体电极3面对第二基底部件102的催化剂层52的方式，将第一基底部件101安置在第二基底部件102上。这样得到的叠层被置于温度已经被调整到100℃的电炉上，以铝衬底4向下，加热5分钟，以便在第一基底部件101的透光导电层21与第二基底部件102的铝衬底4之间形成连结7。碘电解质溶液(可从Solaronix得到，商标为“PN-50”)通过第二基底部件102给定位置处的注入孔，被注入到半导体电极3与催化剂层52之间的各个空间中。以这种方式就完成了染料敏化太阳电池201。在注入碘电解质溶液之后，用相同于上述的粘合剂将各个注入孔密封。
(4)染料敏化太阳电池201的性能评估利用其光谱已经被调整到AM 1.5的太阳模拟器，将强度为每平方厘米100mW的人造阳光照射到上述步骤(1)-(3)所制作的染料敏化太阳电池201上。太阳电池201的特性显示了0.7V的开路电压。
实施例2如图5和6所示，除了宽度为500微米、厚度为5微米的各片镍收集电极81被额外形成在各片半导体电极3周围之外，用相同于实施例1的步骤，如在实施例1的收集电极82的情况中那样，制造了染料敏化太阳电池202。
然后以相同于实施例1的方式，评估了染料敏化太阳电池202的性能。太阳电池202的特性显示了0.73V的开路电压。于是显然，借助于不仅将收集电极82安置在阳极侧，而且将收集电极81安置在阴极侧，改善了染料敏化太阳电池202的性能。
虽然参照本发明的具体实施方案已经描述了本发明，但本发明不局限于上述各个实施方案。根据上述论述，本技术领域的熟练人员可以进行上述各个实施方案的各种修正和改变。
权利要求
1.一种染料敏化太阳电池，它包含第一基底部件，它具有透光衬底、形成在透光衬底表面上的透光导电层、以及形成在透光导电层表面上且包含敏化染料的半导体电极；第二基底部件，它具有陶瓷衬底和以催化剂层面对半导体电极的方式形成在陶瓷衬底表面上的催化剂层；以及形成在半导体电极与催化剂层之间的电解质层。
2.根据权利要求1的染料敏化太阳电池，其中，由催化活性材料或其中包含催化活性材料的金属、导电氧化物、导电树脂中的至少一种，来制备催化剂层。
3.根据权利要求1或2的染料敏化太阳电池，其中，在半导体电极周围的位置处，树脂或玻璃的密封被提供在透光导电层与陶瓷衬底或催化剂层之间的空间内。
4.根据权利要求1-3中任何一个的染料敏化太阳电池，还包含陶瓷衬底与催化剂层之间的收集电极。
5.根据权利要求4的染料敏化太阳电池，其中，收集电极包含钨。
6.一种染料敏化太阳电池，它包含第一基底部件，它具有透光衬底以及形成在透光衬底表面上的透光催化剂层；第二基底部件，它具有陶瓷衬底、形成在陶瓷衬底表面上的导电层、以及包含敏化染料并以半导体电极面对透光催化剂层的方式形成在导电层表面上的半导体电极；以及形成在透光催化剂层与半导体电极之间的电解质层。
7.根据权利要求6的染料敏化太阳电池，还包含透光衬底与透光催化剂层之间的透光导电层。
8.根据权利要求6或7的染料敏化太阳电池，其中，由催化活性材料或其中包含催化活性材料的金属、导电氧化物、以及导电树脂中的至少一种，来制备透光催化剂层。
9.根据权利要求6-8中任何一个的染料敏化太阳电池，其中，在半导体电极周围的位置处，树脂或玻璃的密封被提供在透光催化剂层与陶瓷衬底或导电层之间的空间内。
10.根据权利要求7或8中任何一个的染料敏化太阳电池，其中，在半导体电极周围的位置处，树脂或玻璃的密封被提供在透光导电层与陶瓷衬底或导电层之间的空间内。
11.根据权利要求6-10中任何一个的染料敏化太阳电池，还包含透光衬底与透光催化剂层之间的收集电极。
12.根据权利要求6-11中任何一个的染料敏化太阳电池，还包含透光催化剂层与透光导电层之间的收集电极。
13.根据权利要求11或12中任何一个的染料敏化太阳电池，其中，收集电极包含钨。
14.根据权利要求1-13中任何一个的染料敏化太阳电池，其中，陶瓷衬底包含氧化铝。
全文摘要
根据本发明的第一情况，提供了一种染料敏化太阳电池，它包含第一基底部件，它具有透光衬底、形成在透光衬底表面上的透光导电层、以及形成在透光导电层表面上且包含敏化染料的半导体电极；第二基底部件，它具有陶瓷衬底和以催化剂层面对半导体电极的方式形成在陶瓷衬底表面上的催化剂层；以及形成在半导体电极与催化剂层之间的电解质层。本发明第一情况的染料敏化太阳电池显示出足够的发电效率和优异的寿命。
文档编号H01G9/20GK1809946SQ20048001709
公开日2006年7月26日 申请日期2004年10月4日 优先权日2003年10月6日
发明者权田一郎, 奥山康生, 古崎圭三 申请人:日本特殊陶业株式会社