具有改善的辅助电极的光伏染料电池的制作方法

专利名称：具有改善的辅助电极的光伏染料电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及从太阳光产生电能的光伏染料电池，也被称为染料敏化太阳能电池。
背景技术：
从太阳光产生电能的染料敏化光伏电池已被Graetzel等人的美国专利第 5，350，644号公开。美国专利第5，350，644号教导了具有沉积在玻璃板或透明聚合物片上 (已应用了一系列的二氧化钛层)的光透射导电层的光伏电池。美国专利第5，350，644号之后，Kay的美国专利第6，069，313号教导了在普通透 明衬底上以分离的、平行的、狭窄的细长带排列的许多串联的电池元件。每个元件包括由纳 米晶二氧化钛组成的面向光的阳极，使用二氧化钛粘结剂粘结在一起的多孔的催化导电碳 基结构的碳辅助电极(阴极)，及放置基于氧化铝、二氧化硅、二氧化钛或氧化锆粉末的中 间电绝缘多孔层以分离阳极与阴极。在用光敏染料涂覆纳米晶二氧化钛后，中间层的孔隙 至少部分填充有液相、离子迁移电解质。基于氧化锡的透明导电材料的电流收集层位于透 明衬底和阳极之间。当阳极受到光照射时，给定电池的阳极和阴极提供直流电压，使得可以 容易地构建电池的串联组件。通过分离这两个元件的各自中间层的间隙使每个连续元件的 阴极与前面的阳极元件的中间导电层连接。然后用有机聚合物密封电池组，尤其确保每个 单独的带电池与其相邻的电池密封隔开，此组件被称为电池整体组件。通常，上面参考专利中的染料电池比常规的光伏电池在概念上更接近蓄电池组电 池，因为电荷生成器被电解质隔开并不直接接触。这些电池组具有两个被电解质隔开的电 极，其中一个电极(光电极或光电阳极)面向太阳或光源。每个电极支撑在其自身的通常 是导电玻璃片的电流收集器上，该导电玻璃是在一个面上涂覆薄的( 0. 5微米)、一般基 于导电氧化锡的透明层的玻璃。导电玻璃片作为染料电池的透明壁。可以使用透明聚合物代替玻璃来支撑氧化锡。光电极或光电阳极包括基于二氧化 钛的约10微米厚(与氧化锡层接触)的透明多孔层，所述二氧化钛具有10-50nm的纳米晶 特征粒度，通过烘焙应用到导电玻璃或透明聚合物上，并浸渍特定的染料。通过下述各种方 法中的一种以分散的形式应用烘焙好的二氧化钛层刮片法、滚压、喷雾、涂装、电泳、凹版 印刷、狭缝涂布、丝网印刷或印刷。产生最高电池性能的烘焙步骤通常在至少450C上，要求 使用导电玻璃而不是塑料来支撑二氧化钛层。二氧化钛层的其他处理过程是可行的，例如 降低温度的烘焙或压制，通常在效率上有些牺牲。需要着重指出的是二氧化钛主要与氧化 锡接触。在光电阳极上存在其他导体(如许多金属、碳和类似物，即使对电解质是化学惰性 的)可以大大地增加电池中的载荷子重组并导致严重的效率损失。非常少的材料(其中例 如氧化锡和钛金属)可用于光电阳极，因为它们对电解质显示化学惰性，并基本上没有重组缺陷。对部分透明的电池，在其各自的涂覆有导电玻璃或透明塑料的氧化锡 片上，相对 的电极(“辅助电极”)包括催化剂(通常每平方厘米含有几微克的钼)薄层。如果不要 求电池的透明度，辅助电极可以是不透明的。例如，辅助电极可以是基于用痕量钼或另一种 催化剂有利地催化的碳或石墨。电池中的电解质通常是含有溶解的氧化还原物质的有机溶 齐U。电解质典型地为乙腈或更高分子量的、降低的挥发性的腈类，且在典型的电池中氧化还 原物质是溶解的碘和碘化钾_基本上是三碘化钾。然而，可以使用其他溶剂、盐类和相，例 如基本上无蒸气压的离子液体，甚至不同的氧化还原物质。Graetzel等人的美国专利第5，350，644号公开了多种染料电池化学，尤其是基于 钌络合物的染料。落在光电极上的光子激发该染料(生成活化的氧化性染料分子)，引起电 子进入二氧化钛的导带中并流至(经由具有负载的外电路)辅助电极。在那里，电子将电 解质中的三碘化物还原成碘，且在光电阳极处，该碘被活化的染料氧化回到三碘化物，留下 用于下个光子的无活性的染料分子。美国专利第5，350，644号公开了这样的染料电池可以 达到10%的光电转化效率，并且在小型的优秀研究电池中获得超过11%的效率。Graetzel等人的美国专利第5，350，644号的电池基于两片在边缘处用有机粘合 剂密封的导电玻璃(在每个面上导电玻璃突出粘合剂之外，允许电流提取)。在峰值太阳照 射下，这些电池以约700mV的电压和15mA/sq. cm的电流密度操作，且辅助电极是正极。该 专利认为由于材料和制备方法是低成本的且二氧化钛层可大面积制备，所以这样的电池可 能潜在地提供低成本光伏电池的良好途径。该专利进一步主张有可能比传统的单晶或多晶 硅电池以及甚至更近的薄膜光伏电池具有显著的成本节约，因为这些都是高成本的并依赖 于昂贵且经常引起环境问题的原料，以及复杂昂贵的半导体工业加工设备和生产工艺。这 些缺点包括使用真空沉积和半导体掺杂方法、洁净室方案，使用有毒的氢化物如硅烷、磷化 氢等作为原料，以及使用包含镉、硒或碲的有毒活性层材料。经由用氧化锡涂覆的导电玻璃的欧姆损耗是染料电池的主要问题。氧化锡涂层极 薄，厚度通常限制在1微米以下，因为必须保持高的光透射通过到光电阳极染料/ 二氧化钛 层。而且，氧化锡仅是半导电的，具有约5xl0_4ohm cm的电阻率，此外，难以粘合性地粘结。 因此，在这样的电池设计中，非常小尺寸的电池或具有狭长的活性二氧化钛带的带电池极 大地限制电流提取。应当指出，活性带电池具有某些技术劣势。例如，上述Kay的电池中，由于欧姆损 耗限制，二氧化钛带和相应的碳带是不利地狭窄(典型地只有6-8mm宽)。这导致了电流限 制的电池构型以及电池间的活性面积的过度损失，后者的损失归因于注液电池密封需要的 惰性材料的实际宽度。在任何情况下，相邻的电池间足够地密封以便有效防止任何注液电 池电解质迁移仍是严峻的挑战。已经做出努力通过在导电玻璃表面上铺放平行的导电带来增加电池的活性面积 和宽度，由此实现大面积、宽的电池构型。Kurth的美国专利第6，462，266号公开了一种具 有设置在隔开的、玻璃支撑长方块上的导电带的光伏电池。以浆料形式印刷基于银或银合 金、铜或铜合金的导电带，随后在升高的温度下烧成。认为通过由无重金属的玻璃组成的绝 缘涂层来防止这些导电带受电池电解质的侵蚀。相对于Graetzel等人的美国专利第5，350，644号公开的电池，美国专利第6，462，266号教导的光伏电池具有降低的欧姆损耗，因为导体带是良好的导体(如银浆丝 网印刷并在600°C下烧成)，以及因为增加了导电材料的总体有效厚度。然而，银和釉料组 合物所需的高处理温度不利地影响了氧化锡涂层的导电率和玻璃的长期强度特性。在较低 温度下可以处理的釉料材料是可利用的，但含有有毒的重金属如铅，且也可能受电解质的 侵蚀或可能污染电解质。此外，通过玻璃层保护银导体在时间上是不合适的，因为釉料中不 能完全排除小孔，尤其是在大规模生产工艺中。事实上，暴露的银被电池电解质中的碘快速 腐蚀，这不利地减少电池中的碘总量并不可逆地侵蚀染料，在由聚合物保护的银线中发生 类似的劣化。Goldstein的美国专利申请公布第20050072458号描述了用于染料电池的大面 积、宽导电玻璃或导电塑料。该导电玻璃或导电塑料携带一组选自在电池电解质存在下本 质上防止腐蚀和载流子重组的材料的导体，并在这种良好的玻璃或塑料(比普通的导电玻 璃或塑料具有增强的电流收集性能)上沉积二氧化钛。通过实例，首先将导电玻璃面开槽， 形成一组平行间隔的浅凹槽。在每个凹槽中放置如钛、钼、钨、铬或它们的合金(在电池运 行条件下对腐蚀和载流子重组基本上惰性)的金属线，且使用基于惰性陶瓷粘合剂(如氧 化铝)与惰性导电填料(如氮化钛)混合的热固粘结剂浆料在凹槽的每个面上在线与氧化 锡层间获得导电率。浆料填充凹槽并重叠在凹槽的每个面上，这样固化后，与氧化锡层形成 良好的电接触。线从电池的玻璃边缘处的凹槽末端突出并可被焊接到电流收集带。在单个实施方式中描述了一组电镀到导电玻璃或导电塑料表面上的平行金属或 金属合金带。在电池的极度腐蚀性的操作条件下电镀合金防止腐蚀。给出的电镀金属的一 个实例是铬。从阳极板提取的电流再次由电池的侧面生成，其中电镀带密封地穿过电池的 边缘密封件。在公开申请的更进一步的实施方式中，平行导体是惰性的钛、钼、钨、铬或它们的 合金的带或线。这些牢固的导体通过使用惰性、导电陶瓷粘合剂直接粘结到玻璃的导电表 面。美国专利申请公布第20050072458号扩展了也用于电池辅助电极中的带槽的导 电玻璃中的线或电镀到导电玻璃上的带的使用。设置有粘结在凹槽中的线或导电表面上的 电镀带的导电玻璃板用作染料电池中的宽阴极的基板(base)，且使用对碘有电活性的催化 层覆盖导电率增加的板。每个边至少10_15cm的宽染料电池成为可能。然而，这样的阴极 尽管安装有用于从大面积的宽电池中提取电流的合适的导电装置，但迫使在电池中需要第 二导电玻璃层，这伴随相关的成本、重量和厚度的不利结果。在电池中两个物理分离的载流电极的存在可能引起额外的问题。具有如此间隔的 电极的大面积电池的电极间难以确保紧密和均一的间距(及由此的均一电流分布)。同样， 由于全日光到晚上(或严寒)条件间的热循环，电池密封的电极间间距和应力可能发生异 常变化，对于具有显著蒸气压的电池电解质尤其如此。
到目前为止，光伏染料电池没有真正的商业化，尽管其有巨大的技术经济潜能。剩 下的主要问题包括宽度远大于一厘米、面积远大于50平方厘米的电池的规模化。而且，由 于来自玻璃或塑料上的差导电性的氧化锡的过度欧姆损耗，电池中的银基导体的长期稳定 性，及密封电池以抵抗长期干燥和性能退化的难度。许多方法依赖于昂贵的用导电氧化 锡的透明衬底的内部涂覆，而不是使用商业上可得到的块体导电玻璃，例如氟掺杂氧化锌(FT0)玻璃。在现有技术中的染料电池和模块的进一步的问题是电池或模块的向阳面上的密 封、保护层和导电路径上浪费过度的表面积。在这些情况下，活性电流产生区域通常少于电 池或模块的几何面积(占用面积(footprint))的70%，造成了可利用面积中差的有效效率。现有技术中的电池的另一个问题是(尤其当辅助电极是与阳极分开的单独元件 时)阳极和阴极间相对大的间隔-在一些情况下对工业应用性的宽电池达到100微米-这 导致了来自电解质的过度欧姆损耗。由前述内容应明显得知，当辅助电极在电池中是与阳 极分开的单独元件时，辅助电极通常要求在电池中使用第二玻璃支撑体，或更不利地，在电 池中使用第二导电玻璃。这些大大地增加了电池的成本、重量和厚度。

发明内容
根据本发明的教导，提供了一种以降低的欧姆损耗将光源转化成电的光伏染料 电池，所述电池包括(a)室，所述室适用于包围所述光伏电池，所述室包括至少部分透明 的电池壁；(b)电解质，所述电解质被置于所述电池壁中，所述电解质含有碘基氧化还原物 质；(c)至少部分透明的导电涂层，所述导电涂层被设置在壁的内表面上；(d)阳极，所述阳 极被设置在所述导电涂层上，所述阳极包括(i)多孔二氧化钛膜，其适用于与所述氧化还 原物质紧密接触；(ii)染料，其被吸收在所述多孔二氧化钛膜的表面上，所述染料和所述 膜适用于将光子转化成电子；(e)阴极，所述阴极与所述阳极基本上相对设置，所述阴极包 括适用于将电子转移到与所述阴极相关的电流收集部件的导电碳层，所述导电碳层被设置 成经由所述电解质与所述多孔二氧化钛膜电解相通，所述阴极具有以相对于二氧化钛膜的 表面直接相邻的方式设置的表面，及其中所述阴极的表面与所述多孔二氧化钛膜的所述表 面之间的平均距离小于7微米。根据本发明的另一个方面，提供了一种以降低的欧姆损耗将光源转化成电的光伏 染料电池，所述电池包括(a)室，所述室适用于包围所述光伏电池，所述室包括具有内表 面的至少部分透明的电池壁；(b)电解质，所述电解质被置于所述电池壁中，所述电解质含 有碘基氧化还原物质；(c)至少部分透明的导电涂层，所述导电涂层在所述光伏电池中被 设置在所述电池壁的所述内表面上；(d)阳极，所述阳极被设置在所述导电涂层上，所述阳 极包括(i)多孔二氧化钛膜，其适用于与所述氧化还原物质紧密接触；(ii)染料，其被吸 收在所述多孔二氧化钛膜的表面上，所述染料和所述膜适用于将光子转化成电子；(e)阴 极，所述阴极与所述阳极基本上相对设置，所述阴极包括至少一个适用于将电子转移到与 所述阴极相关的电流收集部件的柔性的导电碳片，所述导电碳片被设置成经由所述电解质 与所述多孔二氧化钛膜电解相通，所述导电碳片相对于所述阳极的所述多孔二氧化钛膜形 成离散层，及其中所述柔性的导电碳片符合所述多孔二氧化钛膜的轮廓。根据本发明的又一个方面，提供了一种以降低的欧姆损耗将光源转化成电的光伏 染料电池，所述电池包括(a)室，所述室适用于包围所述光伏电池，所述室包括至少部分 透明的电池壁；(b)电解质，所述电解质被置于所述电池壁中，所述电解质含有碘基氧化还 原物质；(c)至少部分透明的导电涂层，所述导电涂层在所述光伏电池中被设置在所述电 池壁的所述内表面上；(d)阳极，所述阳极被设置在所述导电涂层上，所述阳极包括(i)多孔二氧化钛膜，其适用于与所述氧化还原物质紧密接触；(ii)染料，其被吸收在所述多孔 二氧化钛膜的表面上，所述染料和所述膜适用于将光子转化成电子；(e)电流收集部件，其 被设置在所述室内；(f)阴极，所述阴极与所述阳极基本上相对设置，所述阴极包括至少一 个适用于将电子转移到所述电流收集部件的导电碳片(或碳层)，所述导电碳片被设置成 经由所述电解质与所述多孔二氧化钛膜电解相通，及其中所述电流收集部件包括石墨箔或 薄片或由具有低于1200 y Q 的比电阻率的导电材料形成的另一种化学惰性的、导电的 箔或薄片，它们与所述导电碳片基本上平行设置，所述石墨箔用于从所述阴极收集电流。根据描述的优选实施方案中的进一步的特征，该阴极还包括与该导电碳层有关并 适用于催化该氧化还原物质的氧化还原反应的催化组分。根据描述的优选实施方案中的更进一步的特征，高于该电池表面积的至少80%、 至少85%、至少90%或至少95%获得该距离。根据描述的优选实施方案中的更进一步的特征，该阴极表面和多孔二氧化钛膜表 面间的平均距离小于5微米，或甚至小于3微米。根据描述的优选实施方案中的更进一步的特征，该阴极与该多孔二氧化钛膜的表 面直接接触。根据描述的优选实施方案中的更进一步的特征，该光伏电池还包括(f)至少一 条与该阳极和该导电涂层电相关的金属带或线，该带或线具有足够的厚度以形成在多孔二 氧化钛膜的平面上突出至少50微米的突起。根据描述的优选实施方案中的更进一步的特征，该导电碳层形成至少一个自支撑 的片。根据描述的优选实施方案中的更进一步的特征，该自支撑的片与该阳极的多孔二 氧化钛膜仅在物理上相关。根据描述的优选实施方案中的更进一步的特征，该光伏电池的单个电池的占用面 积由该单个电池的长度和宽度限定，其中长度和宽度都超过5厘米，以及在一些情况下，至 少8厘米，或甚至至少10厘米。根据描述的优选实施方案中的更进一步的特征，该至少一种金属带或线是多根 线，该突起是多个突起。根据描述的优选实施方案中的更进一步的特征，该导电碳层形成多个的自支撑 带，该带置于该突起之间。根据描述的优选实施方案中的更进一步的特征，其中该带置于突起之间使该导电 碳层的表面与该多孔二氧化钛膜的表面基本上平行。根据描述的优选实施方案中的更进一步的特征，该导电碳层置于多孔支撑基体 中。根据描述的优选实施方案中的更进一步的特征，该导电碳层由设置在导电碳层之 间的柔性的多孔支撑基体支撑。根据描述的优选实施方案中的更进一步的特征，该导电碳层和该柔性的多孔支撑 基体符合该多孔二氧化钛膜的轮廓。根据描述的优选实施方案中的更进一步的特征，该阴极的表面包括适用于催化该 氧化还原物质的氧化还原反应的催化组分。
根据描述的优选实施方案中的更进一步的特征，该柔性的多孔支撑基体包括纤维垫。根据描述的优选实施方案中的更进一步的特征，该柔性的多孔支撑基体包括玻璃 纤维。根据描述的优选实施方案中的更进一步的特征，该柔性的多孔支撑基体包括玻璃 纤维垫。根据描述的优选实施方案中的更进一步的特征，该导电碳层包括浸渍碳的玻璃纤 维带。根据描述的优选实施方案中的更进一步的特征，该浸渍碳的玻璃纤维带与该多孔 二氧化钛膜的表面直接接触。根据描述的优选实施方案中的更进一步的特征，该部分透明的导电涂层是氧化 锡。根据描述的优选实施方案中的更进一步的特征，该光伏电池还包括至少一种与导 电碳层有关的导电的结构性部件，该结构性部件具有低于1200 y Q cm的比电阻率，该部 件适用于并设置成从阴极收集电流。根据描述的优选实施方案中的更进一步的特征，该导电结构性部件包括石墨。根据描述的优选实施方案中的更进一步的特征，该导电结构性部件包括石墨箔。根据描述的优选实施方案中的更进一步的特征，该光伏电池还包括与该石墨箔连 接的金属导电元件，该金属导电元件延伸穿过该电池的侧壁以影响电流提取。根据描述的优选实施方案中的更进一步的特征，该金属导电元件是金属箔或金属 网。根据描述的优选实施方案中的更进一步的特征，在该阳极与该阴极之间放置少于 50%、少于30%、少于20%或甚至少于10%的电解质。根据描述的优选实施方案中的更进一步的特征，该柔性的导电碳片具有低于90、 低于80或甚至低于70的肖氏D硬度。根据描述的优选实施方案中的更进一步的特征，该电流收集部件含有按重量计少 于2%的粘结剂。优选地，该电流收集部件含有按重量计少于的粘结剂，以及更优选地 按重量计少于0. 5%的粘结剂。该电流收集部件可以基本上无粘结剂。根据描述的优选实施方案中的更进一步的特征，该光伏电池还包括与石墨箔连接 的金属导电元件，该金属导电元件延伸穿过该电池的侧壁以影响电流提取。根据描述的优选实施方案中的更进一步的特征，该金属导电元件是金属箔或金属 网。本发明的光伏染料电池可以是简单的、宽的、大面积的、有效率的、低成本的、轻便 的和牢固的，并可以成功地解决现有技术中的多种缺点。


本发明参考附图仅通过实施例在此处进行描述。现在详细地具体参考附图，强调 的是所示的特例仅作为实施例，并仅作为本发明优选实施方式的示例性讨论的目的，且是 为了提供被认为是本发明原理和概念方面最有用和容易理解的描述而呈现。就这一点而言，没有打算比基本理解本发明所必须的来更详细地展示本发明的结构细节，结合附图的 描述使得如何实际体现本发明的几个形式对本领域的技术人员来说是明显的。在所有附图 中，相同参考的符号用来指定相同的元件。在附图中图1是根据本发明的一个优选实施方式的“开式”光伏染料电池的示意性横截面 图；图2提供了根据本发明的另一个优选实施方式的染料电池的示意性横截面图；图3a提供了具有双板结构的独创性的光伏染料电池的示意性横截面图；图3b是图3a的电池的示意性俯视图，显示了该电池的锚固点的设置；图4是根据本发明的另一个优选实施方式的具有双板结构的光伏染料电池的示 意性横截面图；及图5提供了一种具有作为阴极电流输送工具的具有填充导体的凹槽的光伏染料 电池的示意性横截面图。
具体实施例可以参考附图和伴随的描述更好地理解本发明的辅助电极和光伏染料电池的原 理和操作。在详细地说明本发明的至少一个实施方式前，应当理解，本发明在其应用中不限 于在下面的描述中提出的或在附图中阐释的结构细节和部件布置。本发明能够是其他的实 施方式或能够以多种方式操作或实施。同样，应理解，此处使用的措辞和术语是作为描述的 目的，不应当认为是限制。本发明的一个方面是用于每边典型地为15cm的宽的、大面积的单个染料电池的 辅助电极，及包含这样的辅助电极的独创性的光伏电池结构。我们发现当这类宽的、单个电 池组件尝试用现有技术中的辅助电极的通常的碳基组合物(如上面参考的Kay的专利举例 的，该专利使用二氧化钛粉末作为粘结剂来粘结碳层)时，除了远大于1cm的电池宽度的预 期电流提取限制外，还出现了因碳层的相当脆的性质所产生的额外问题。在大面积的碳层 中嵌入(甚至部分地嵌入)如金属网、金属箔或金属线的电流收集结构而不造成整个结构 分层是非常困难的。这主要归因于无机粘结剂如用于粘结碳层的二氧化钛的非弹性性质。 由于电池中的阳极层和阴极层都需要450C的高烧结温度，所以在这种应用中通常不适合 更柔性的有机型粘结剂。高烧结温度可能破坏有机粘结剂并可能用有机分解的残余物污染 电池。此外，在染料电池工作条件下，许多金属被电池电解质腐蚀，且因而不适合在辅助电 极中用作电流收集器。Kay教导的染料-电池技术中，由于带电池的狭窄宽度而没有出现这 些问题。在这样的狭窄电池中 烧结过(sintered-on)的碳层可以显示足够的机械稳定性，及 碳层可单独输送电流，而不需要辅助的电流收集器。本发明的电池结构可包括石墨箔，其结合了至少部分嵌入石墨箔中的防腐金属或 金属合金的电流提取元件(current takeoff element)，其中结构导电性地粘结到下面的 阴极碳层，或与其直接导电接触。这种结构是可接受的牢固并允许大面积、宽的电池构型， 同时在染料电池中不再需要第二导电玻璃层或第二物理上分离的辅助电极。嵌入石墨箔中的防腐电流提取元件可选自多种形状，包括诸如钛、钛包覆的铜、钨、铁铬高质合金或铁铬 钼高质合金的许多金属或合金的箔、网、带或线。在另外一个优选实施方式中，防腐金属或金属合金电流提取元件在电池中可用作 独立的辅助电极而无需结合碳或石墨箔层，在这种情况下，用痕量钼直接催化的辅助电极。图1显示了独创性的光伏染料电池100的一个实施方式的示意性的横截面图， 该电池可以是一种“开式”夹层状样式。在支撑玻璃如常规的阳极支撑玻璃102(典型厚 度为lmm-3mm)上，设置了薄的、透明的导电表面层104，该层基于例如氧化锡。支撑玻璃 102和导电表面层104可提供有导电率增强特征(例如上面参考的美国专利申请公开第 20050072458号中描述的，该专利基于全部目的在此通过引用并入，就好像它们被全文公 开)。支撑玻璃102用作该染料电池的衬底和基本的组成部分。将该衬底开槽并安装有如 上面参考的专利公开中教导的线电流提取装置。因而，线通过电池的侧面密封地穿出电池， 并结合在一起和/或通过例如焊接连接至电流收集带(未显示)，以便形成电池阳极接线 柱。在每个凹槽108中应用惰性的、导电的粘结剂组合物112，该组合物112将线116连接 到凹槽中，且使得在该凹槽的每个面上与氧化锡层具有良好的桥连电接触。作为一个实施 例，钛、钨或高质合金线可以被插入凹槽中。优选包括如氮化钛的导体和如氧化铝的粘结剂 的导电粘结剂也可以被加入凹槽中。通常通过浆料的丝网印刷，然后干燥和烧结来在氧化 锡表面施加纳米晶二氧化钛层。多孔烧结纳米晶二氧化钛膜或层120被设计成具有约15微米的典型厚度。二氧 化钛膜或层120可包括若干层二氧化钛亚层，每个亚层可独自地丝网印刷和烧结。我们发 现在施加纳米晶二氧化钛层之前，用绝缘层124覆盖导电粘结剂112的上表面可以帮助消 除发生在阳极与阴极间的可能的短路。绝缘层124可能对如图1所示的其中导电粘结剂表 面远高于烧结二氧化钛层120的电池尤其重要。绝缘层124可选自含有优选具有几微米数量级的特征粒度的相当粗糙的二氧化 钛、氧化锆、氧化铝或二氧化硅颗粒的釉料或粘结剂组合物，或可选择地，选自高温聚合物 如聚酰亚胺或硅氧烷。随后可以用来自含有相对粗糙的二氧化钛、二氧化锆、二氧化硅或氧 化铝颗粒的浆料的丝网印刷的多孔绝缘间隔层覆盖二氧化钛层120。设计丝网印刷的间隔 层以生成厚度约为5微米的烧结绝缘间隔层128。烧结绝缘间隔层128也起到光散射层的 作用，引导光回到烧结纳米晶二氧化钛层120。先通过丝网印刷应用辅助电极层来继续构造电池。间隔层128可以是狭窄的，通 常在2-10微米数量级，以确保电池中很小的阳极/阴极间隔、低的欧姆电阻和高的电池填 充因子，所有这些都有助于增强电池性能。在绝缘间隔层128上可经由含有惰性粘结剂的 可丝网印刷的浆料来应用薄的多孔碳层，任选地被痕量钼或钼催化剂替代物催化的多孔碳 层。干燥和烧结此薄层以产生仅有几微米特征厚度的烧结多孔催化碳层132。可丝网印刷的多孔催化碳浆料层烧结后是经由含有惰性粘结剂的可丝网印刷的 碳浆料来应用相对厚的多孔导电碳层。进行另一个烧结步骤，这产生烧结多孔导电碳层 136。典型地设计该碳浆料的丝网印刷以使烧结的导电碳层136的厚度典型地约为50-100 微米。导电碳层136在电池中对碘的氧化还原反应可以是足够活性的，使得可以排除对 分离的催化层例如催化碳层132的需要。
在一个优选的实施方式中，如果可能的话可以在单一烧结步骤中，在450°C下烧结 各层，局部冷却后，经由多孔碳层136把敏化剂染料引入二氧化钛层120中。可以将在其下 设置了具有制备好的、烧结过的、多孔的、导电碳(和化学惰性的)粘结剂层144的一片石 墨箔140置于碳层136上，以便与碳层136形成良好的导电接触。 多孔碳层136、石墨箔140(包括粘结剂层144)和任选的催化层132可以形成电池 100的阴极或辅助电极160。呈线、网、带、穿孔的带或箔形式的防腐金属或金属合金电流收集器152可以至少 部分地嵌入石墨箔中，该电流收集器152突出穿过外周的电池密封件(下文描述)以作为 电池的辅助电极接线柱。我们发现在正常的电池操作情况下，钛、钛包覆的铜和钨以及一些 主要由铬铁或铬铁钼组成的高质合金可用作化学稳定的辅助电极的电流收集材料。石墨箔140可以有利地配置有一个或多个穿孔146以有利于在随后的填充操作中 使电解质分配入电池。片(sheet) 154可以被设置在组件的顶部以密闭电池。片154可由廉价的窗玻璃 或多种金属或合金制成。在片154下及石墨箔140的顶部可有利地设置弹性片148，弹性 片148优选包括泡沫、纤维垫或弹性体垫或膨胀前体材料或膨胀聚合物材料或由这些材料 组成。可以包括聚合物、碳或金属材料的弹性片148是可压缩的和像弹簧的，以助于在石墨 箔140和碳层136间保持相对均勻的压力，同时在大的必要面积上确保足够的电接触而不 脱离层136。电池100的边缘可通过外周密封件156进行密封，例如使用液相密封剂。电解质 可随后引入电池100中，典型地使用真空方式经由片154上的孔(未显示)，该孔可使用密 封组合物密封。电池随后可用于测试/模组化。图2显示了根据本发明的另一个优选实施方式的光伏染料电池200的示意性横截 面图。在支撑玻璃如常规的阳极支持玻璃202 (典型厚度为lmm-3mm)上，设置了薄的、透明 的导电表面层204，该层基于例如氧化锡。可以提供有导电率增强特征的支撑玻璃202作为 染料电池200的衬底和基本的组成部分。在导电表面层204上设置一组隔开的、优选基本 上平行的对电池电解质和载荷子重组呈惰性的金属或合金带216。可以通过电镀方式沉积 的带216为电池200提供电流输送装置。带216可密封地穿过电池200的侧面，并可以电 连接在一起，例如通过密封件外的电流收集带(未显示)，由此形成电池的阳极接线柱。基 本上如上文关于图1所示的填充凹槽进行描述的，电镀的带也可以有利地涂覆绝缘层228， 例如包括二氧化钛、氧化锆、氧化铝和/或二氧化硅的釉料或粘结剂组合物以防止阳极/阳 极的短路。通常通过丝网印刷浆料、干燥和烧结将纳米晶二氧化钛层应用到导电表面层204 上。多孔的烧结纳米晶二氧化钛膜或层220被设计成具有约15微米的典型厚度。二 氧化钛膜或层220可以包括若干二氧化钛亚层，每个亚层可独自地丝网印刷和烧结。然后用丝网印刷的多孔绝缘间隔层覆盖二氧化钛层220，该间隔层经历烧结以生 成烧结绝缘间隔层228。该丝网印刷的浆料可以含有相对粗糙的二氧化钛、氧化锆、二氧化 硅和/或氧化铝颗粒。干燥和烧结后，烧结绝缘间隔层228可具有约2-10微米的厚度。设 计该厚度以确保电池中很小的阳极/阴极间隔。进一步设计该厚度以获得低的内阻和高的 电池填充因子，由此提高电池性能。间隔层228也起到光背散射层的作用，引导光回到烧结纳米晶二氧化钛层220。在绝缘间隔层228上设置电池200的阴极或辅助电极260。阴极260包括烧结多孔催化导电碳层232，该碳层232可含有对电池200的成分呈化学惰性的粘结剂并可以被痕 量钼或钼催化剂替代物催化。可通过丝网印刷或以其他方式施加多孔催化碳浆料的薄层来 制备碳层232，随后干燥和烧结该层。烧结多孔导电碳层232可具有几微米的厚度，典型地 小于约10微米。在催化碳层232上设置相对厚的烧结导电碳层236，该碳层236也可形成 阴极260的一部分。可以通过丝网印刷制备碳层236，随后干燥和烧结该层以得到50-100 微米的典型厚度。一些高表面积碳和石墨在电池中对碘的氧化还原反应如此活泼以致于可以排除 对分离的催化或镀钼的层228的需要。在一个优选实施方案中，典型地或优选地在450°C下，在单一烧结步骤中烧结各 层，局部冷却后，经由多孔碳层236把敏化剂染料弓I入二氧化钛层220中。接着，经由导电碳 粘结层245将一片石墨箔240导电性地粘结到碳层236，该粘结层245可被选择成在120°C 的温度下是可固化的，由此避免对二氧化钛层220中的热敏染料造成任何损害。粘结层245 的合适成分可以包括碳粉和基于氧化铝的惰性(相对于电解质)无机粘结剂或基于例如硅 氧烷或聚酰亚胺的惰性(相对于电解质)有机粘结剂。可以考虑将石墨箔240和导电碳粘结层245形成阴极260的一部分。呈线、网、带、穿孔的带或箔形式的防腐金属或金属合金电流收集器252可以嵌入 (至少部分地)石墨箔240中，该电流收集器252突出穿过外周的电池密封件(下文描述) 以作为电池200的辅助电极接线柱。我们发现钛、钛包覆的铜和钨以及一些主要由铬铁或 铬铁钼组成的高质合金可用作化学稳定的辅助电极的电流收集材料。石墨箔240可以有利 地具有穿孔246以有利于电解质分配入电池中。在此阶段可进行电解质填充步骤。通过放置一片塑料层状箔258及在电池的元件202和258间应用外周密封剂252 而从结构上完成电池，或可选择地，可喷涂聚合物密封层以便先密封该电池并使用外部金 属箔(未显示)来提供额外的密封。然而，如果轻质构造不是特别关键的，那么窗玻璃或金 属/合金片可以用于密闭该电池，且在后一种情况下，可省略电流收集器252。如前所述，具有物理上分隔的阳极和辅助电极的大面积的、宽染料电池可能会经 受各种特有的性能限制。减少或消除这种物理分隔是如图1和2所示的开式夹层状设计的 一个目的，在该设计中所有的活性层都被粘结到单独的(导电)玻璃片上。在宽电池的工 业应用中，尤其是使用不挥发电解质的电池中，电极间的间距倾向于至少50-100微米，在 此点处，电池电解质的欧姆损耗变得过大。同样地，白天晚上间的温度变化可能引起电极间 间距的膨胀/收缩变化，这可能导致电流不规则和密封处被加应力。然而，在一个优选的实施方式中，我们公开了一种具有双板设计的光伏染料电池， 该光伏染料电池可以克服这些限制。虽然二氧化钛层上的氧化锆间隔层上印刷有碳层的多种夹层结构可以允许碳和 二氧化钛表面的紧密间隔，但是必须强调这样的结构极易使碳印刷层经由二氧化钛或间隔 印刷层中的任何孔洞或缺陷渗透到导电玻璃表面。碳印刷层渗透到FTO玻璃的导电表面导 致该电池短路，由此降低或限制电池性能。考虑到对于电池达到商业生存力所需要的至少 7-10年的寿命，此问题尤其严重。在此处描述的独创性的双板结构消除了这个重要且潜在的关键问题，因为碳辅助电极没有被烧结(例如，在高温下化学粘结)到二氧化钛或间隔印刷层上。相反，碳辅助电极是置于间隔层的上部且可以物理接触间隔层，或置于二氧化钛层 的上表面，但并未化学粘结到间隔层或二氧化钛层上的不同的和独立的实体，如印刷碳层 技术中一样。如在此处说明书和随后的权利要求书部分中使用的，相对于阴极的表面和阳极的 表面(例如阴极的碳表面或催化的碳表面和阳极的多孔二氧化钛膜)，术语“直接相邻”指 的是未被插层分隔的表面。如在此处说明书和随后的权利要求书部分中使用的，相对于阴极层和/或阳极 层，术语“仅物理上相关”指的是相接触的、但未烧结在一起的及以其他方式被化学分离的层。如在此处说明书和随后的权利要求书部分中使用的，相对于阴极的带或层和/或 阳极的层，术语“自支撑”指的是带或层关于相对的电极以分离结构保持在电池中的适当位置。如在此处说明书和随后的权利要求书部分中使用的，相对于电池中相邻的层，术 语“离散”指的是可以彼此接触但物理上仍不同的层。图3a提供了这样独创性的光伏染料电池300的一个实施方式的示意性横截面图。 具有lmm-3mm的典型厚度的阳极玻璃302具有基于导电材料如氧化锡的薄的、透明的导电 表面层304。阳极玻璃302和导电表面层304可提供有导电率增强的特征。将导电玻璃开 槽并安装基本上如前所述的线电流提取装置。因而，线在该电池的侧面密封地穿出电池，并 被编结在一起和/或通过例如焊接连接至电流收集带(未显示)，以形成电池300的阳极接 线柱。在每个凹槽308中应用导电粘结剂层312，该层优选对电池电解质呈化学惰性并起到 将导线316连接到凹槽308中的作用，同时使得在凹槽308的每个面上与氧化锡层(导电 表面层304)具有良好的桥连电接触。作为一个实施例，钛、钨或高质合金线可以被插入凹 槽308中，且优选包括如氮化钛的导体和如氧化铝的粘结剂的导电粘结剂也可以加入凹槽 308 中。在构造电池300中，在施加纳米晶二氧化钛层之前，可以用绝缘层324覆盖导电粘 结剂层312的上表面，以防止阳极与阴极间发生短路。当导电粘结剂层312的表面远高于 烧结纳米晶二氧化钛层320时(如图3a所示)，这尤其重要。绝缘层324可选自含有具有几微米的特征粒度的相当粗糙的二氧化钛、氧化锆、 氧化铝或二氧化硅颗粒的釉料或粘结剂组合物，或可选择地，选自高温聚合物如聚酰亚胺 或硅氧烷。在氧化锡表面(导电表面层304)上施加纳米晶二氧化钛层，这通常是通过丝网 印刷浆料，随后干燥并烧结以生成烧结纳米晶二氧化钛层320。此烧结层被设计成在烧结步 骤后具有约15微米的典型厚度。基于电绝缘和/或光背散射的目的，二氧化钛层320可任 选地被涂覆有基于二氧化钛、氧化锆、氧化铝或二氧化硅的粗糙颗粒层(未显示)。在电池 300的构造过程中，随后可用敏化剂染料覆盖二氧化钛层320，此步骤可随后进行，在填充 电解质前。用防腐金属片368封闭电池，该金属片已使用例如痕量钼微晶332的催化剂常规 催化，且使用耐电解质的密封剂336在每个边缘处将这种片密封到阳极玻璃300。作为金属 片368的合适构造材料可包括钛、钛包覆的铜、钨或主要地包括铁铬或铁铬钼的高质合金。重要地，通过使用一层耐电解质的粘合剂340，将金属片368粘结到绝缘层324的上升的电绝缘材料。合适的粘合剂是可利用的，例如基于硅氧烷或聚酰亚胺。可沿着覆盖 凹槽308的材料以周期性的间距间隔放置粘合剂层340以在片368和阳极玻璃302间维持 牢固的锚固和均勻的间距。横向连续的粘合剂层是可操作的，然而，但可能是不利的，因为 它以液压方式隔离相邻凹槽间的电解质，并使电解质填充电池300相当费力。图3b显示了在电池300的示意性俯视图中的锚固点的设置，其中每个“ + ”记号 303表示沿着阳极板上放置有粘合剂的凹槽的间距位置。图3a中的片368可以以互补的方式开槽于阳极玻璃302，以便如要求地接受绝缘 层324的上升的轮廓，由此在催化剂332的表面与二氧化钛层320的表面间实现期望的紧 密接近(只有几十微米)。电池可经由金属片368的孔(未显示)被填充电解质，随后密封 孔。根据期望的间距标准，构建双板设计的各种可选择的实施方式都是可能的。在图 3a中，阳极板可以被安装有导电金属带，而不是嵌入的线。同样地，基于辅助电极的金属片 可以被简单地冲压成型为像凹槽的形貌。在一个优选的实施方式中，辅助电极可以是适度 催化的平的金属片，已经从金属片冲孔或切割出狭缝，使得狭缝安装在位于凹槽上的上升 元件上，同时使狭缝间的催化表面与下面的二氧化钛表面达到紧密接近。在这样的情况下， 放置在带狭缝的板上的玻璃或聚合物片将会用来封闭电池，且此玻璃或聚合物将会被锚固 到上升元件上的多个点处。图4提供了根据本发明的另一个实施方式的双板光伏染料电池400的示意性横截 面图。此双板电池的构型能够每个电池仅使用单个导电玻璃片。这种构型进一步实现阳极 和阴极的非常紧密的并置。涂覆有基本上透明的导体层404的光电阳极支撑玻璃或衬底 402可以具有间隔的，优选平行的线410，该线通过基本上惰性的导电粘合剂层例如导电陶 瓷粘合剂层415被粘结在导电玻璃的表面上的合适位置(例如，导体层404的顶部上)。化 学惰性的电流收集线410和电池400的边缘处间是通常为10-15微米厚的烧结纳米晶多孔 二氧化钛层406。由于线410可以典型地具有至少100微米的直径，以及二氧化钛层406的 高度典型地低于约15微米，所以线410可以在二氧化钛层406上突出超过80微米。为了 避免电池400的辅助电极430的短路，可以有利地用电绝缘层418，例如包括氧化锆的层覆 盖陶瓷粘合剂层415。电绝缘层418可以典型地具有20-50微米范围内的厚度。电池400可以有两个物理上分离的电极。因而，阴极或辅助电极430可以是位于阳 极元件上的不同部件，且可以被设置成紧密接近阳极元件。辅助电极430可以有利地包括 多孔导电阴极层425，如支撑浸渍碳的多孔支撑基体。多孔基体可以包括或基本上由垫、织 造物和/或非织造物、泡沫或本领域已知的可能的其他基体组成。用于垫的优选材料是玻 璃纤维，因为它成本低、柔性并且可符合电池几何形状，在电池环境中呈化学惰性，并可以 经受住高的固化或烧结温度。也可以使用其他纤维如碳纤维。可以通过惰性粘结剂将浸渍 碳粘结到多孔支撑基体，惰性粘结剂可以选自如氧化铝的无机材料或如聚四氟乙烯(PTFE 或Telfon )的聚合物材料。辅助电极430可包括多孔阴极层425和催化层432 (催化层432面向二氧化钛层 406设置)或其组合。多孔阴极层425可以以多根带设置在电池400内，每根带具有的宽度 能够使带安装在层418的相邻突起之间，或邻近电池外周，在层418的突起与(内)边缘密封件465的内壁间。
经由置于多孔阴极层425的带(且通常相对于带物理分离)上的石墨箔435可影 响来自阴极或辅助电极430的电流提取。在其外周，石墨箔435可具有至少部分嵌入的、可 能突出在电池400外的惰性金属网或箔440以促进阴极电流收集。根据以下独创性的方法可制造染料电池400 在具有透明导体层404(如导电的透 明氧化锡层)的光电阳极支撑玻璃402的表面上是二氧化钛浆料的丝网印刷带。一旦烧 结，生成烧结多孔二氧化钛层406的间隔开的带。电流收集线410位于相邻的二氧化钛带 间的每个间隙中。可绕着线410印刷化学惰性的导电陶瓷浆料。可在陶瓷材料的顶部上印 刷电绝缘浆料。烧结操作使陶瓷粘合剂层415化学粘结到透明导体层404。烧结使电绝缘 层418化学粘结到陶瓷粘合剂层415。在这点上，二氧化钛带可能会被染料玷污。电池400的辅助电极包括置于二氧化钛层406的带上的多孔导电层425的带。这 些带可以有利地包括浸渍了已经历烧结的导电碳浆料的玻璃纤维垫。导电层425的带可使 用催化层432被有利地催化，该催化层432可包括在其表面上的痕量钼催化剂。这些带可直 接置于光电阳极的烧结二氧化钛层406上，其中催化层432面向二氧化钛层406设置。尽 管这种直接接触，但是我们发现在浸渍碳的带中，使碳与二氧化钛进一步隔离是没必要的。经由置于导电层425的带上的石墨箔435有利地完成电流提取。石墨箔435在其 外周具有可以密封地穿出该电池的嵌入的惰性金属网或箔440。通过窗玻璃盖445连同内 部边缘密封件465和外部边缘密封件470来密封电池400，优选地通过两种顺序施加的聚 合物产生。玻璃盖445向下面的石墨箔施加足够的压力以确保电池中的元件良好的电接触 和紧密的间距。电解质添加到电池中可以通过窗玻璃上的填充孔(未显示)进行，其中孔 随后由聚合物密封。经由电池400的壁外部的提取端子442从该电池提取阴极电流，所述 端子由通过电池壁的金属网或箔440的可密封的突起形成，如通过边缘密封件465和470。 可以将经由边缘密封件465和470从光电阳极可密封出现的单独的线可以被焊接到电流收 集带(未显示)以形成光电阳极电流收集器。在太阳能模块中，单个电池可以被电连接或适宜地安装在支撑结构上。根据上述内容明显得出，阴极430相对于阳极的多孔二氧化钛膜406形成离散的、 物理上分离的层。阴极430也适用于显示压缩性和弹性的量值。与现有技术中基本上无产 率的阴极形成鲜明的对比(其中为了防止损坏，阴极必须与阳极的脆的多孔二氧化钛膜的 表面保持一定距离)，阴极430 (且尤其是导电层425的带)可以被保持为倚住多孔二氧化 钛膜406的表面，并可吸收对于多孔二氧化钛膜406来说正常的适度压力以便保护二氧化 钛膜406。此外，阴极430的最底面可适合或符合二氧化钛膜406的轮廓，使得显著地降低 了表征各种现有技术中的染料电池的严重的欧姆低效率。为了使带达到必要的一致性程度，导电层425的带可以具有低于90的肖氏D硬 度。在一些情况下，导电层425的带可以具有低于80，或低于70的肖氏D硬度。在如图5所示的根据本发明的另一个优选实施方式的光伏染料电池的示意性横 截面图中，可基本上与图3a—样来构建阳极部分。辅助电极板或盖包括窗玻璃578，通过外 周密封件556，如使用液体密封剂在边缘处将该窗玻璃粘结到阳极玻璃302。为了电绝缘和 光背散射的目的，可以用基于二氧化钛、氧化锆、氧化铝或二氧化硅的粗糙颗粒层322涂覆 阳极的纳米 晶二氧化钛层320。在电解质填充前，随后可用敏化剂染料涂覆纳米晶二氧化钛层320，或此步骤可随后进行。在电池500的阴极面上，如凹槽588的至少一个凹槽中的每 个凹槽含有通过导电粘合剂层592被粘结在合适位置上的导线596，其中该粘合剂层也作 为连续层延伸遍布玻璃面以便在相邻凹槽中提供导电率。通过一层粘合剂566，沿着阳极和 反凹槽(counter groove)(与在图3a中一样)可将阳极和相反的板在不同的点(如周期 性间隔区间)粘结在一起。在相邻凹槽间，提供碳或石墨的层570，任选地涂覆有催化剂，如 痕量钼，且选择该层的厚度以允许碳或催化剂表面与纳米晶二氧化钛层320紧密接近。电 池500可通过辅助电极中的填充孔(未显示)填充电解质，随后密封该孔，在此时，电池500 可准备用于测试和模组化。存在紧密放置的锚固点(如，在尺寸为15cmX15cm的大面积电 池上相隔约1cm)以及使用强粘结剂如硅氧烷在电池500中维持了间距并防止短路。
虽然已经结合特定的实施方式描述了本发明，但是许多替代方案、修改和变化对 本领域的技术人员来说是明显的。因此，期望包含所有这样的替代方案、修改和变化。此说 明书中提到的所有出版物 和专利在此通过以与好像每个单独的出版物或专利在此处通过 引用被明确地和单独地并入相同的程度进行引用而全文并入到说明书中。此外，在本申请 中任何参考的引用或确认不应当解释为承认这样的参考作为本发明的现有技术是可利用 的。
权利要求
一种以降低的欧姆损耗将光源转化成电的光伏染料电池，所述电池包括(a)室，所述室适用于包围所述光伏电池，所述室包括具有内表面的至少部分透明的电池壁；(b)电解质，所述电解质被置于所述电池壁中，所述电解质含有碘基氧化还原物质；(c)至少部分透明的导电涂层，所述导电涂层在所述光伏电池中被设置在所述电池壁的所述内表面上；(d)阳极，所述阳极被设置在所述导电涂层上，所述阳极包括(i)多孔二氧化钛膜，其适用于与所述氧化还原物质紧密接触；以及(ii)染料，其被吸收在所述多孔二氧化钛膜的表面上，所述染料和所述膜适用于将光子转化成电子；(e)阴极，所述阴极与所述阳极基本上相对设置，所述阴极包括一个适用于将电子转移到与所述阴极相关的电流收集部件的导电碳层，所述导电碳层被设置成经由所述电解质与所述多孔二氧化钛膜电解相通，所述阴极具有以相对于所述阳极的所述多孔二氧化钛膜的表面直接相邻的方式设置的表面，及其中所述阴极的表面与所述多孔二氧化钛膜的所述表面之间的平均距离小于7微米。
2.如权利要求1所述的光伏电池，其中所述阴极还包括催化组分，所述催化组分与所 述导电碳层相关并适用于催化所述氧化还原物质的氧化还原反应。
3.如权利要求1所述的光伏电池，其中高于所述电池表面积的至少80%获得所述距罔。
4.如权利要求1所述的光伏电池，其中高于所述电池表面积的至少85%获得所述距罔。
5.如权利要求1所述的光伏电池，其中高于所述电池表面积的至少90%获得所述距罔。
6.如权利要求1所述的光伏电池，其中高于所述电池表面积的至少95%获得所述距罔。
7.如权利要求2所述的光伏电池，其中所述距离小于5微米。
8.如权利要求2所述的光伏电池，其中所述距离小于3微米。
9.如权利要求1所述的光伏电池，其中所述阴极的所述表面与所述多孔二氧化钛膜的 所述表面直接接触。
10.如权利要求1所述的光伏电池，所述光伏电池还包括(f)至少一条金属带或线，其与所述阳极和所述导电涂层电相关，所述带或线具有足够 的厚度以形成在所述多孔二氧化钛膜的平面上突出至少50微米的突起。
11.如权利要求1所述的光伏电池，所述导电碳层形成至少一个自支撑片。
12.如权利要求11所述的光伏电池，所述自支撑片与所述阳极的所述多孔二氧化钛膜 仅在物理上相关。
13.如权利要求1所述的光伏电池，其中所述光伏电池的单个电池的占用面积由所述 单个电池的长度和宽度界定，其中所述长度和所述宽度都超过5厘米。
14.如权利要求10所述的光伏电池，所述至少一条金属带或线是多根线，且所述突起是多个突起。
15.如权利要求14所述的光伏电池，所述导电碳层形成多个自支撑条，所述带设置在 所述突起之间。
16.如权利要求15所述的光伏电池，所述带设置在所述突起之间使所述导电碳层的表 面与所述多孔二氧化钛膜的所述表面基本上平行。
17.如权利要求1所述的光伏电池，所述导电碳层被设置在多孔支撑基体中。
18.如权利要求1所述的光伏电池，所述导电碳层由柔性的多孔支撑基体支撑。
19.如权利要求18所述的光伏电池，其中所述导电碳层和所述柔性的多孔支撑基体符 合所述多孔二氧化钛膜的轮廓。
20.如权利要求1所述的光伏电池，其中所述阴极的所述表面包括适用于催化所述氧 化还原物质的氧化还原反应的催化组分。
21.如权利要求18所述的光伏电池，其中所述柔性的多孔支撑基体包括纤维垫。
22.如权利要求18所述的光伏电池，其中所述柔性的多孔支撑基体包括玻璃纤维。
23.如权利要求18所述的光伏电池，其中所述柔性的多孔支撑基体包括玻璃纤维垫。
24.如权利要求1所述的光伏电池，其中所述导电碳层包括浸渍碳的玻璃纤维带。
25.如权利要求1所述的光伏电池，其中所述浸渍碳的玻璃纤维带与所述多孔二氧化 钛膜的所述表面直接接触。
26.如权利要求1所述的光伏电池，其中所述部分透明的导电涂层是氧化锡。
27.如权利要求1所述的光伏电池，还包括至少一种与所述导电碳层有关的导电结构 性部件，所述结构性部件具有低于1200 μ Ω · cm的比电阻率，所述部件适用于并设置成从 所述阴极收集电流。
28.如权利要求27所述的光伏电池，所述导电结构性部件包括石墨。
29.如权利要求27的光伏电池，所述导电结构性部件包括石墨箔。
30.如权利要求29所述的光伏电池，还包括与所述石墨箔连接的金属导电元件，所述 金属导电元件延伸穿过所述电池的侧壁以影响电流提取。
31.如权利要求30所述的光伏电池，其中所述金属导电元件是金属箔或金属网。
32.如权利要求1所述的光伏电池，在所述阳极与所述阴极之间放置少于50%的所述 电解质。
33.如权利要求1所述的光伏电池，在所述阳极与所述阴极之间放置少于30%的所述 电解质。
34.如权利要求1所述的光伏电池，在所述阳极与所述阴极之间放置少于20%的所述 电解质。
35.如权利要求1所述的光伏电池，在所述阳极与所述阴极之间放置少于10%的所述 电解质。
36.一种以降低的欧姆损耗将光源转化成电的光伏染料电池，所述电池包括(a)室，所述室适用于包围所述光伏电池，所述室包括具有内表面的至少部分透明的电 池壁；(b)电解质，所述电解质被置于所述电池壁中，所述电解质含有碘基氧化还原物质；(c)至少部分透明的导电涂层，所述导电涂层在所述光伏电池中被设置在所述壁的所述内表面上；(d)阳极，所述阳极被设置在所述导电涂层上，所述阳极包括(i)多孔二氧化钛膜，其适用于与所述氧化还原物质紧密接触；以及(ii)染料，其被吸收在所述多孔二氧化钛膜的表面上，所述染料和所述膜适用于将光 子转化成电子；(e)阴极，所述阴极与所述阳极基本上相对设置，所述阴极包括至少一个适用于将电子 转移到与所述阴极相关的电流收集部件的柔性的导电碳片，所述导电碳片被设置成经由所述电解质与所述多孔二氧化钛膜电解相通， 所述导电碳片相对于所述阳极的所述多孔二氧化钛膜形成离散层，及其中所述柔性的 导电碳片符合所述多孔二氧化钛膜的轮廓。
37.如权利要求36所述的光伏电池，其中所述导电碳片包括柔性的多孔支撑基体。
38.如权利要求37所述的光伏电池，其中所述柔性的多孔支撑基体包括纤维垫。
39.如权利要求37所述的光伏电池，其中所述柔性的多孔支撑基体包括玻璃纤维。
40.如权利要求37所述的光伏电池，其中所述柔性的多孔支撑基体包括玻璃纤维垫。
41.如权利要求36所述的光伏电池，其中所述导电碳片包括浸渍碳的玻璃纤维带。
42.如权利要求41所述的光伏电池，其中所述浸渍碳的玻璃纤维带与所述多孔二氧化 钛膜的所述表面直接接触。
43.如权利要求36所述的光伏电池，其中所述柔性的导电碳片具有低于90的肖氏D硬度。
44.如权利要求36所述的光伏电池，其中所述柔性的导电碳片具有低于80的肖氏D硬度。
45.如权利要求36的光伏电池，其中所述柔性的导电碳片具有低于70的肖氏D硬度。
46.一种以降低的欧姆损耗将光源转化成电的光伏染料电池，所述电池包括(a)室，所述室适用于包围所述光伏电池，所述室包括至少部分透明的电池壁，所述电 池壁具有内表面；(b)电解质，所述电解质被置于所述电池壁中，所述电解质含有碘基氧化还原物质；(c)至少部分透明的导电涂层，所述导电涂层在所述光伏电池中被设置在所述电池壁 的所述内表面上；(d)阳极，所述阳极被设置在所述导电涂层上，所述阳极包括(i)多孔二氧化钛膜，其适用于与所述氧化还原物质紧密接触；以及 ( )染料，其被吸收在所述多孔二氧化钛膜的表面上，所述染料和所述膜适用于将光 子转化成电子；(e)电流收集部件，其被设置在所述室内；(f)阴极，所述阴极与所述阳极基本上相对设置，所述阴极包括至少一个适用于将电子 转移到所述电流收集部件的导电碳片[碳]，所述导电碳片被设置成经由所述电解质与所述多孔二氧化钛膜电解相通， 及其中所述电流收集部件包括与所述导电碳片基本上平行设置的石墨箔，所述石墨箔 用于从所述阴极收集电流。
47.如权利要求46所述的光伏电池，其中所述电流收集部件含有按重量计少于2%的粘结剂。
48.如权利要求46所述的光伏电池，其中所述电流收集部件含有按重量计少于的 粘结剂。
49.如权利要求46所述的光伏电池，其中所述电流收集部件含有按重量计少于0.5% 的粘结剂。
50.如权利要求46所述的光伏电池，其中所述电流收集部件基本上无粘结剂。
51.如权利要求46所述的光伏电池，还包括与所述石墨箔连接的金属导电元件，所述 金属导电元件延伸穿过所述电池的侧壁以影响电流提取。
52.如权利要求51所述的光伏电池，其中所述金属导电元件是金属箔或金属网。
全文摘要
一种把光源转化成电的光伏染料电池，包括(a)包括至少部分透明的电池壁的室；(b)置于该电池壁中的、含有碘基氧化还原物质的电解质；(c)设置在该电池壁的内表面上的至少部分透明的导电涂层；(d)设置在该导电涂层上的阳极，并包括(i)适用于与该氧化还原物质紧密接触的多孔二氧化钛膜；和(ii)吸收在该多孔二氧化钛膜的表面上的染料，该染料和膜适用于将光子转化成电子；(e)与该阳极基本上相对设置的阴极，并包括至少一个适用于将电子转移到与该阴极相关的电流收集部件的柔性的导电碳片，该导电碳片被设置成经由该电解质与该多孔二氧化钛膜电解相通，其中该导电碳片相对于该阳极的二氧化钛膜形成离散层，并符合该膜的轮廓。
文档编号H01L31/00GK101842905SQ200880113787
公开日2010年9月22日 申请日期2008年8月28日 优先权日2007年8月28日
发明者B·布林, E·罗施·候德施, I·亚库波维, J·R·高德斯坦 申请人:3G太阳能有限公司