单片密封电化学系统的制作方法

专利名称：单片密封电化学系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种单片密封电化学系统(sealed monolithic electrochemicalsystem)，所述系统包括电绝缘基片、导电图案和封装，所述导电图案包括 承载区域和接触部分，该接触部分用于支撑设置在所述基片上的多个多孔结构的模块，其 中，每个多孔结构包括工作电极、绝缘层和反电极(counterelectrode)，其中，电解质至少 部分地填充在所述多孔结构的模块中，以形成多个电化学电池，所述封装覆盖所述多个多 孔结构的模块，其中，每个模块包括至少一个多孔结构；所述多个模块串联连接，其中，模块 中的至少一个反电极与下一个模块中的至少一个工作电极连接，并且所述多个模块排列为 串联连接的模块矩阵。本发明还涉及一种操作单片密封电化学系统的方法，所述方法包括以下步骤(a) 提供电绝缘基片；(b)在所述基片上设置导电图案，所述导电图案包括用于支持多个多孔 结构的模块的承载区域，在所述导电图案的顶部形成多个所述多孔结构，其中，每个多孔结 构包括工作电极、绝缘层和反电极，其中，每个模块包括至少一个多孔结构，所述多个模块 串联连接，其中，模块中的至少一个反电极与下一个模块中的至少一个工作电极连接，并且 所述多个模块排列为串联连接的模块矩阵；(c)沉降电解质，以至少部分地填充所述多孔 结构的模块，从而形成多个电化学电池以及(d)用包装(encapsulation)覆盖所述多个多 孔结构的模块。
背景技术：
化石燃料的有限供应量和燃烧化石燃料而产生的问题引起了深入研究，以便发现 可替代能源，例如风能，水能，太阳能和核能。使用太阳能电池将太阳辐射能转换成电能是 一种很有前景的实现零排放和更新电能的方法。可以将太阳能电池技术划分为第一代、第二代或第三代。第一代太阳能电池以硅 为基础。这些太阳能电池具有非常高的效率。但是，就目前来说，提供所需的高品质硅受到 限制，而且不足以用于工业的快速发展。另外，制造硅太阳能电池非常昂贵，因此从经济的 角度来说还不能够与传统的能源竞争。第二代太阳能电池就是所谓的薄层太阳能电池，例如CIS或CIGS太阳能电池。由 于半导体材料的层非常薄(< lum)，所以使用这种太阳能电池可以减少材料消耗，从而降 低生产成本。通过例如蒸汽直接将所述层设置到基片上。因此，生产的组件的大小不再受 硅片片材大小的限制，因此可以根据装置设计和所选玻璃片材的大小而大范围地改变所述 组件。另外，已经得到了非常高的效率。此项技术的缺点是初期生产时需要极其高昂的投 资成本，而且很难降低成本到使得产品在经济上可以与传统的能源相竞争的水平。第三代太阳能电池可以被定义为正处于研发阶段，其目标是降低用太阳能产生电 能的成本。第三代太阳能电池中最有前景的技术是光电化学系统(photo-electrochemical system)，光电化学系统也被称作染料敏化太阳能电池(dye-sensitized solar cell)。 这种电池包括被吸光染料浸透的纳米多孔半导体材料(nanoporous semi-conductingmaterial)、反电极和电解质。光电化学系统的潜在价值主要由三个因素决定较低的初 期生产投资、不存在无法突破的重要的投资瓶颈、以及允许生产不同大小的所述装置的灵 活的设计。尽管染料敏化太阳能电池的效率仍然低于第一代太阳能电池和第二代太阳能 电池，但是和传统的能源相比，在用太阳能电池产生电能的整体成本上，它有很高的竞争潜 能。单片电化学系统是将工作电极和反电极组装在一个单独的完整主体内的光电化 学系统，这是本领域公知的。工作电极和反电极通过多孔绝缘材料的中间层分隔开。工 作电极和反电极是多孔结构，电解质至少部分地填充在所述多孔结构中，这即是单片系统 (monolith)，其包括形成工作电极的层、形成反电极的层、以及将所述反电极与所述工作电 极分隔开的绝缘层。WO 97/16838公开了一种单片光电化学系统的早期实例，其描述了一种光电池的 电池组，所述电池组包括由多个串联连接的光电池组成的单片电路组件。传统的光电化学 系统包括设置有第一电极的第一基片和设置有第二电极的第二基片。定位所述第一基片和 第二基片，使得它们的电极相对并且以很小的缝隙将电极间隔开。为了确保所述缝隙的大 小在希望的范围之内，可以使用取间隔装置(spacer)将所述基片以固定的距离间隔开。所 述系统将所述第一基片与第二基片的边缘和相邻的电池之间密封，从而防止电解质在所述 电池之间形成连接，和/或避免电解质和所述电池的集电器之间发生不希望的接触。为了 形成在整个活性区域都具有均勻特性的光电化学系统，使电极之间保持狭小的距离是必要 的，这使生产难度更大。另外一个需要牢记的重要方面是应该防止电解质在相邻的串联连 接的电池之间接触。因此，所述两基片的水平和竖直位置必须非常精准，它们同样也会加大 生产的难度。这种传统的双片类型的光电化学系统的另一个缺点是通常在组装好所述系统 之后才将电解质导入。在导入电解质之后，必须很好地密封导入电解质的通道的开口，以防 止电解质泄露并保护所述电池不被水或者杂质渗透。还有，每个电池都需要单独的开口，导 致具有很多电池的系统需要大量的开口。另外，通过狭小的通道将电解质导入基片之间非 常密闭的空间可能导致在所述系统中产生气泡(air pocket)或者导致电解质的不均勻分 布。所有这些因素使得生产困难并且可能会损坏所述系统的质量。单片电化学系统的设计非常紧凑和简单，不需要使第一基片与所述第二基片保持 特定的距离。在这种情况下，可以通过将多层结构设置于基片来建构所述电化学系统，在这 之后封闭所述电化学系统。优选地，在封闭所述电化学系统之前将电解质导入。所述结构 可以适当地通过至少一层聚合层制成的柔性片层来封闭，优选地，在加热和低于大气压的 压力下将所述聚合层设置于所述结构。试验表明大批生产具有同样特性或者在希望范围内的特性的单片光电化学电池 是困难的，即使这些电池是在同一基片上同时生产的。单个的光电化学电池的特性由电 流-电压特性表示。电池的电流-电压特性随光强度和光谱而改变。描述光电化学电池的 电流-电压特性的重要参数是有短路电流(Isc)、开路电压(Uoc)、和最大功率(Pmax)。填 充因子(ff)通常用于描述曲线ff = Pmax/(Uoe · Isc)。为了减少设置在同一基片上的各 个电池的电流-电压特性的差异，生产过程需要高纯度的化学成分、清洁的生产环境和生 产工艺。这些措施导致更加昂贵的生产成本。一个重要的例子是必须严格控制所述工作电 极、所述绝缘层以及所述反电极的沉积，从而防止所述反电极部分地渗透所述绝缘层，这会导致接触所述工作电极和/或位于所述基片上的所述中间导电层，引起能量损失并因此导 致同一基片上的各个电池的电流-电压特性的差异。由于为了通过促进所述工作电极和所 述反电极之间的氧化还原电解质的扩散来获得最佳的电池性能而需要薄的绝缘分隔层，因 而这种控制所述工作电极、所述绝缘层以及所述反电极的沉积变得更加重要。另一个重要 的例子是必须严格控制封装过程，从而避免如气孔(pinhole)这样的瑕疵。气孔可能造成 所述装置内的电解质和集电器之间发生不希望的接触，从而降低效率和/或稳定性。气孔 还可能导致电解质从一个电池蔓延到另一个电池，就是所谓的电泳。随着太阳能电池装置 大小的增加，封装过程的问题和缺点变得更加难以克服。由于制造单片光电化学系统的技术相对便宜，因而生产大型的太阳能电池结构的 成本也相当低。然而，考虑到上述实验经验，单电池的失败率是相当高的。在电池串联连接 的情况下，某些电池可能会逆向工作，即给定一个电流值时获得负电压。如果系统性能的下 降很大程度是受所述某些电池的影响，就必须废弃所述系统，这样导致了生产量的下降和 生产成本的上升。所述光电化学系统性能的下降还可能由于所述电池的不同使用寿命和/ 或所述系统的部分退化造成，在这两种情况下，电池可能逆向工作，因为和系统内的其它电 池相比它们产生的电流太小了。可以通过断开光电化学模块系统的所述某些电池的连接来解决此问题。专利号为US 6，593，520的美国专利公开了在接地故障时断开太阳能电池组。该 文件描述了由多个串联连接的太阳能电池板形成的太阳能电池组、用于输出根据对所述太 阳能电池组的接地故障检测的异常检测信号的检测器、以及沿电池组的串联方向设置在串 联电路中的至少一个中间开关，该中间开关通过所述异常检测信号转换到打开状态。太阳 能电池组的输出由收集箱收集，该收集箱包括中间开关、线路开关(string switch)、接地 故障异常检测器等。换言之，所有的线都被连接到外部控制装置。

发明内容
本发明的目的是提供一种单片光电化学系统，该系统包括设置在同一基片上的多 个电池，和现有技术相比，所述单片光电化学系统在没有对生产工艺有更严格的要求的情 况下，提高了产量和效率，从而使所述电化学系统的生产成本有效。该目的通过权利要求1公开的单片电路系统实现。所述系统中所包括的接触部件允许在密封所述系统之前和/或后单独断开模块 的同时保持非常高的表面效率。由于用于断开元件的接线端(terminal)设置在所述接线 端服务的模块的旁边，所以这是可以实现的。在一种实施方式中，所述单片光电化学系统设置有连接于所述接触设备的二极 管，从而确保当所述模块反方向运作时将所述模块断开。也可以通过施用形成短路路线的焊点或者施用金属钉来闭合所述接线端Tij进而 断开模块。所述断开操作可以在辅助所述系统之前或之后进行。所述矩阵是mXn型的，其中m和η都是整数，所述矩阵具有不接触所述矩阵边缘 的内模块，即m和η都大于或等于3。另外，所述矩阵可以包括多个四方模块，每个模块具有内部交叉区域。四方模块由
6左上部模块、右上部模块、左下部模块和右下部模块形成。所述内部交叉区域是具有中心的 小区域，在该中心，垂直通道将所述模块分隔成两列且水平通道将一列中的模块分隔成连 续的两个模块。所述接触部件设置在所述内部交叉区域中。为了接触所述接线端，在所述内部交叉区域内设置穿过所述基片或穿过所述封装 包装的通道。本发明还提供根据权利要求19所述的操作密封单片光电化学系统的方法。


图1是16个串联连接的模块矩阵的示意图，其中可以通过接触内部接触点将每个 模块断开；图2显示了用于四方模块的交叉区域的接触部件的细节；图3是用于如图1所示的16个串联连接的模块矩阵的中间层的示意图，在这种情 况下每个模块包括一个单片电池；图4显示了电化学系统的结构的横截面，所述系统通过中间层承载包括设置在基 片上的单个单片多孔结构的模块；图5显示用于实现反电极和反电极的集电器之间电连接的结构；图6显示用于实现反电极和反电极的集电器之间电连接的第二种结构；图7显示用于实现反电极和反电极的集电器之间电连接的第三种结构；图8显示用于实现反电极和反电极的集电器之间电连接的第四种结构；图9显示用于实现工作电极和工作电极的集电器之间电连接的结构；图10显示用于实现工作电极和工作电极的集电器之间电连接的第二种结构；图11显示用于实现工作电极和工作电极的集电器之间电连接的第三种结构；图12显示了用于实现工作电极、工作电极和反电极的集电器、和用于工作电极和 反电极的共用集电器之间电连接的结构；图13显示了包括多个串联连接的单片电池的模块；图14显示了适合图13所示的模块的中间层；图15显示了设置在图14所示的中间层上的第一模块和第二模块；图16显示了包括并联连接的单片电池的模块；图17是穿过具有16个串联连接的模块矩阵的基片观察的示意图，其中，每个模块 包括8个并联连接的电池，可以通过接触内部接触点来断开每个模块；图18是穿过具有16个串联连接的模块矩阵的基片观察的示意图，其中，每个模块 包括4个串联连接的电池，可以通过接触内部接触点来断开每个模块；图19是从图17和图18所示的具有16个串联连接的模块矩阵的基片的封装侧观 察的示意图，其中，每个模块可以在密封之前或之后通过封装材料上的开口接触内部接触 点来断开所述模块。所述附图只是示意图而不是用于限制。在附图中，为了说明的目的，一些元件的大 小可能被放大而没有按比例绘制。尤其是包括承载区域、反电极、绝缘层和工作电极在内的 多个层的厚度大小与每层的水平大小相比起来被很大程度地放大了。第二个例子是所述层 和所述集电器的宽度在水平方向的大小并不是它们彼此之间实际的比例。
具体实施例方式图1显示了单片电化学系统1的顶视示意图。所述单片电化学系统以传统的方式 形成在电绝缘基片3上。在所述电绝缘基片3上设置有导电图案5 (见图3)，用于支撑设置 在所述基片3上的多个多孔结构的模块9η··· 944。使用所述顶视图用于说明从将所述基片 作为背底的侧观察的所述系统。由于没有示出封装，所以可以看见所述系统的反电极。多个模块9^ 944设置在串联连接的模块9γ··944的矩阵中。第一模块列9Π从图 1中的顶部到底部串联连接。在该列的末端，位于底部的模块914与位于下一模块列的底部 的模块924连接。第二模块列92i从图1中的底部到顶部串联连接，从位于底部的模块924开 始到位于第二模块列92i的顶部的模块921结束。因此，第二模块列92i从图1中的底部到顶 部串联连接。位于第二模块列92i的顶部的模块921与位于第三模块列93i的顶部的模块931 连接。第三模块列93i从图1中的顶部到底部串联连接。在该列的末端，位于底部的模块934 与位于第四模块列94i的底部的模块944连接。第四模块列94i从图1中的底部到顶部串联 连接，从位于底部的模块944开始到位于第四模块列94i的顶部的模块941结束。因此，第四 模块列94i从图1中的底部到顶部串联连接。因此，所述模块以Z字形(zick-zack)方式串联设置，从而从顶部到底部和从底部 到顶部交替设置各个连续的列。所述模块将会基本上覆盖整个基片3。目的是形成用于具 有4X4或更大模块矩阵的系统的、超过70% (优选超过90%)填充区域，该填充区域被定 义为电化学电池区域除以所述基片的总区域。每个模块包括流入集电器11和流出集电器13。第一列中的第一模块9n的流 入集电器11与所述电化学系统1的第一接线端15连接，同时，最后一列94i中最后的模块 941的流出集电器与所述电化学系统1的第二接线端17连接。在图1公开的实施例中，所 述电化学系统包括偶数列，即4列，从而最后一列中最后的模块位于最后一列的顶部，就像 第一模块位于第一列的顶部。因此，两个接线端都位于所述电化学系统的同一侧。如果所 述电化学系统包括奇数列，所述接线端将会位于所述电化学系统的相对两侧。模块的流入集电器11沿着所述模块的宽度延伸，并且与设置在模块内的一 个或多个工作电极连接，同时，模块、的流出集电器沿着所述模块的宽度延伸，并且与设 置在模块、内的一个或多个反电极连接。在图1所示的实施例中，除了最后一行的最后一 个模块941，模块的流出集电器13与连续的下一个模块的流入集电器11连接，如果连续 的下一个模块在同一列中并且设置在模块的下面，则所述连续的下一个模块将会是模 块9ij+1，如果连续的下一个模块在同一列中并且设置模块的上面，则所述连续的下一个 模块将会是模块、―，如果所述连续的下一个模块在下一列，则所述连续的下一个模块将 会是模块％…。优选地，位于同一模块列中的两个连续的模块和9U+1之间的流出集电器13和 流入集电器11由单独的结构元件形成。所述流入集电器和流出集电器用于使电流以低电阻能量损失的方式流过。因此优 选地，所述流入集电器11和流出集电器13由金属导体形成。 如前所述，根据所述列的数目，模块列中的模块沿垂直方向从顶部到底部或从底 部到顶部串联连接。所述流入集电器11和流出集电器13将沿着每个模块的宽度延伸，也就是说所述流入集电器11和流出集电器13将沿水平方向延伸。设置有根据本发明的接触部件19，以允许每个模块在通过封装将所述多个电化学 电池密封后能够单独断开，所述断开是通过连接同一模块的流入集电器11和流出集电器 13从而短路所述模块来实现的。图2详细显示了所述接触部件19。为了实现本目的，所述接触部件19包括用于每个模块Qij的导体，所述导体 位于将两个模块列、和％~分开的通道P内。根据所述模块的位置，所述导体2^沿
着模块、的一侧从所述模块的流入集电器11或流出集电器13朝向同一模块的流 出集电器13或流入集电器11延伸，从而为每个模块形成接线端Tijtl所述导体延 伸至所述导体的自由端F，该自由端F位于离同一模块的流入集电器11或流出集 电器13的接触部C不远的位置上。因此，所述导体具有与流入集电器11和流出集电器13 中的一个连接的连接端和自由端F，所述自由端F位于流入集电器11和流出集电器13中 的另一个的接触部C的旁边。因此，所述接线端Tu是定位在将两个模块列和9i+u分开 的通道P内的模块的导体的自由端F与同一模块的流入集电器11或流出集电 器13的接触部C之间的连接点。如果模块的导体2、与流入集电器11连接，所述导 体2、将会从所述流入集电器11朝向同一模块的流出集电器13的接触部C延伸。所 述接触部是流入集电器11或流出集电器13的一部分，它可以延伸至将两个模块列、和 9i+1J分开的通道P内。在这种情况下，所述接线端Tu是定位在将两个模块列和9i+lj分 开的通道P内的模块的导体与同一模块的流出集电器13的接触部C之间的连 接点。如果模块的导体与流出集电器13连接，所述导体将会从所述流出集电 器13朝向同一模块的流入集电器11的接触部C延伸。在这种情况下，所述接线端Tij 是定位在将两个模块列和9i+u分开的通道P内的模块的导体与同一模块的 流入集电器11之间的连接点。连接点用于将所述导体和流入集电器11或流出集电器 13分隔开的狭小缝隙G，这取决于所述导体的没有所述狭小缝隙G的另一端与流入集 电器11和流出集电器13中的哪一个连接。所述狭小缝隙G应该是所述导体的长度的一小 部分。所述缝隙应该很方便地通过焊点或小的金属钉就可填补。适当地，所述缝隙G的尺 寸与所述导体的宽度一样。如果所述缝隙G由二极管填补，则所述缝隙就与所述二极管的 尺寸一样。图19显示了接触部C、缝隙G和自由端F。在模块的接线端Tu闭合的情况下，所述流入集电器11、所述导体2、和所述 流出集电器13确保可以以低电阻能量损失的方式绕过(by-pass)模块。为了实现低电阻 能量损失，所述流入集电器11和流出集电器13具有金属导电特性并且沿着所述模块的 宽度方向延伸，从而允许电子以低电阻损失的方式沿水平方向移动。所述导体沿着所述模 块在模块列之间的通道内延伸，从而在所述模块的接线端Tu闭合的情况下允许绕过模 块。当所述模块的接线端Tu闭合时，所述模块沿其宽度方向在流入侧、流出侧和连 接所述流入侧和所述流出侧的第三侧被金属导体包围。因此，当所述模块的接线端Tij 闭合时，所述流入集电器11、所述导体、所述流出集电器13和所述接线端Tij形成金属 导体的支架[or]，其中该支架部分地闭合所述模块，所述模块的沿垂直方向的一侧的可以 是断开的。
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总而言之，接触部件19包括沿着模块的宽度方向延伸的流入集电器11、沿着模块 的相反侧的宽度方向延伸的流出集电器13和导体，所述导体与所述流入集电器11 和流出集电器13中的一个连接并且朝向所述流入集电器11和流出集电器13中的另一个 延伸至与所述流入集电器11和流出集电器13中的另一个距离很短的位置，以形成模块的 接线端Tij，可以在该接线端绕过所述模块。这里的“宽度方向”指的是所述模块沿垂直于一 列串联模块的导通(direct)方向的方向延伸。在图1中，根据所研究的列，一列串联模块 的导通方向是从顶部到底部或从底部到顶部的垂直方向。因此在附图中，所述宽度沿着水 平方向延伸。流入集电器11将会接触到所述模块的一个或多个工作电极。如果所述模块包括 包含工作电极、绝缘层和反电极的单个的单片电化学多孔结构，或者如果所述模块包括由 包含工作电极、绝缘层和反电极的单片电化学多孔结构串联连接的单个排，所述流入集电 器将会与一个工作电极接触。如果所述模块包括并联连接的多个包含工作电极、绝缘层和 反电极、的单片电化学多孔结构，所述流入集电器11将会与多个工作电极连接。流出集电器13将会接触到所述模块的一个或多个反电极。如果所述模块包括包 含工作电极、绝缘层和反电极的单个的单片电化学多孔结构，或者如果所述模块包括由包 含工作电极、绝缘层和反电极的单片电化学多孔结构串联连接的单个排，所述流出集电器 将会与一个反电极接触。如果所述模块包括并联连接的多个包含工作电极、绝缘层和反电 极、的单片电化学多孔结构，所述流出集电器13将会与多个反电极接触。方便地，在串联连接的模块列里的两个连续的模块的接线端Tij可以相互邻近地 位于内部交叉区域23，设置所述交叉区域23的位置以由左上部模块、右上部模块、左下部 模块和右下部模块形成的四方模块 ^…知^双中各模块之间的位置为中心。所述模块列9η···914 ；921··· 924 ；931··· 934 ；941··· 944 ；通过垂直通道 P1, P2, P3 分隔开， ^MitPljP2jP3的宽度D允许所述导体组位于所述模块之间。模块列中的两个连续的模 块9η，912通过水平通道H分隔开，在所述水平通道H中设置有所述流入集电器和所述流出 集电器。在所述水平通道和垂直通道，优选地，每个模块通过封装层与相邻的模块密封，因 此电解质就不会从一个模块流向另一个模块。后面将会显示，如果模块包含多个电池，可以 密封每个电池以便防止电解质在模块内的不同电池之间流动。优选地，在垂直和水平通道之间的交叉处设置所述接线端Tijtl然而，这样可能允 许流入集电器11和流出集电器13延伸至所述垂直通道P中，从而所述接线端Tij将会位于 所述垂直通道P中。同样的，可能允许所述导体延伸至所述水平通道H中，从而所述接 线端Tij将会位于所述水平通道H中。由于模块的流入集电器11、流出集电器13和导体用于形成允许模块单独 断开的接触部件19，流入集电器11、流出集电器13和导体可以由具有金属导电特性 的材料形成。无需使流入集电器11、流出集电器13和导体位于导电的中间层上，如图 5至图12所示，他们可以直接设置在所述基片上或者位于所述反电极的下方或上方或者与 工作电极接触。然而，模块的流入集电器11、流出集电器13和导体21。_总是被所述基片 承载并设置在所述基片上，而且总是定位在密封的电化学系统内。这里设置指将其直接或 间接地设置在基片上，也就是直接设置在基片上或设置在任何放置在基片上的材料上，如 中间层或工作电极或反电极。因此，模块的流入集电器11、流出集电器13和导体21。_不是由在所述系统外部延伸并因而未由所述基片承载且未设置在所述基片上的外导体形成。更优选地，在串联连接的模块列中的四个连续模块的接线端Tij相互邻近地设置 在内部交叉区域23，设置所述内部交叉区域23的位置以由左上部模块、右上部模块、左下 部模块和右下部模块形成的四方模块 ^…知^双中各模块之间的位置为中心。这些通过将所述导体设置在第一模块列的右侧和下一模块列的左侧来实现。 这种情况下，第一列的导体和第二列的导体21i+u位于第一垂直通道中。因此，相邻两 列的导体2、和21i+u设置在同一垂直通道中。对于第一四方模块 ，^，知，^来说，第一导体？‘在相邻两模块 ，知之间从 模块9n的流入集电器11朝向模块9n的流出集电器13延伸。以同样的方式，第二导体2121 在相邻两模块9n，921之间从模块921的流出集电器13朝向模块921的流入集电器11延伸。 另外，第三导体2112在相邻两模块912，922之间从模块912的流出集电器13朝向模块912的 流入集电器11延伸。最后，第四导体2122在相邻两模块912，922之间从模块922的流入集电 器11朝向模块922的流出集电器13延伸。通过这种方式，用于单独使每个模块9n，912，921，922断开的接线端T12……T22定位 于所述内部交叉区域23。为了方便的连接到用于使在四方模块内的每个模块单独断开的所有四个接线端 Τ12···Τ22，设置有所述接线端的内部交叉区域23具有比2D更小的径向延伸，其中D是所述垂 直通道P的宽度。通过测量位于相邻两列内的、相邻两模块的反电极的边缘之间的水平距 离得到垂直通道的宽度。优选地，所述内部交叉区域23的中心位于垂直通道和水平通道的 交叉处的几何中心。所述交叉区域是限定适合紧凑设置所述模块的接线端的虚拟区域。所 述接线端设置在其服务的所述模块和相邻模块之间的所述垂直通道和/或水平通道内。适 合地，两个或四个接线端设置于径向延伸比4D小的内部交叉区域，优选地，如上所述，所述 径向延伸小于2D。通过使所述接线端以两个或四个的方式相互邻近设置，从在垂直通道和 水平通道之间的交叉部的几何中心算起，径向延伸4D，优选地小于2D。通常，所述内部交叉区域23形成于垂直通道P和水平通道H之间的交叉部的中心 位置。因此，优选地，内部交叉区域的位置在将模块列分隔开的垂直通道内，该位置大致 为在各模块列中将模块分隔开的水平通道与所述垂直通道交叉的位置。如上所述，可以允 许所述流入集电器和流出集电器延伸至所述垂直通道中并进一步在所述垂直通道中朝上 和/或朝下一些，从而允许所述接线端Tij位于离所述水平通道和所述垂直通道的交叉点有 一些距离的地方。也可以允许所述导体延伸至水平通道中一些，从而将所述接线端Tij定位 于所述水平通道内。为了不降低表面效率，也就是由电池覆盖的面积除以所述基片的总面 积。由于当接线端不在该接线端所服务的模块旁边时，需要空间用于更多的导体，因而所述 接线端优选位于所述垂直通道中并位于所述接线端所服务的模块旁边。因此，通过连接导体21n和模块9n的流出集电器13可以断开模块9n ；通过连接 导体2112和模块912的流入集电器11可以断开模块912 ；通过连接导体2121和模块921的流 入集电器11可以断开模块921 ；通过连接导体2122和模块922的流出集电器13可以断开模 块 ^22 °可以通过所述基片内的开口或者优选地通过封装内的开口接近所述接触部件19。优选地，在形成所述系统时在所述基片或所述封装内形成孔，但也可以在所述系统密封后 通过穿透所述封装或者在完成所述系统后通过在所述基片内形成空腔来形成所述孔。优选 地，封装材料在所述交叉区域的位置上具有开口。所述开口的大小应该至少可以接触到所 述交叉区域的接线端。所述封装材料可以包括例如层状物。典型地，所述层状物由至少一 种塑料材料与金属箔压制而成。所述金属箔可以更好地阻止气体和湿气。在这种情况下， 所述封装包括塑料材料和金属箔制成的层状物，将不可能看透所述封装材料。这意味着，从 所述单片光电化学系统的后侧(即从封装侧看到的顶视图)，图1所示的单片光电化学系统 将至少有四个开口，每个交叉区域都有一个。另外，所述封装还可以具有用于第一接线端15 和第二接线端17的两个开口。所述封装也可以包括例如，封装在所述单片光电化学系统的 基片和第二基片之间的塑料材料或玻璃粉(glass-frit)材料，所述第二基片位于由所使 用的封装材料的限定的图案中。优选地，所述封装材料围绕着每个电池使用，从而避免电泳 和/或电解质与集电器之间的不希望的接触。所述第二基片可以包括玻璃，但是其它材料 也可以使用。在这种情况下，优选地，在所述交叉区域上的第二基片上形成开口，从而可以 在封装后接触所述接线端。也可以在封装所述系统之前，在所述接线端Tij安装二极管。当所述模块在负偏 压下操作时，这种二极管允许电流通过。另外，在这种情况下，优选地，在所述封装材料或所 述第二基片中具有开口，从而防止在封装过程中损坏所述二极管。优选地，所述单片电化学系统1包括排列于mXn型的矩阵内的多个模块9ij，其 中m和η都是等于或大于3的整数。当m和η都是等于或大于3的整数时，至少存在一个 内部模块，该内部模块的任何一侧都不与所述模块矩阵的外围相邻。相反地，内部模块将由 其它模块包围。通过至少对由其它模块包围的内部模块(而不是所述模块矩阵的外围)在 内部交叉区域23设置所述接线端，将可以减少必须设置在所述模块之间的导体的数目，因 此在允许每个模块单独断开的同时可以保持高的表面效率。优选地，所述矩阵的大小为在垂直和水平方向上都包括4的整数倍。特别是，当 mXn型的矩阵中的m和η都是等于或大于4的整数时，在所述矩阵的内部上形成所述接触 部件19，即当接线端不形成在所述矩阵的外围时，将减少必须设置在水平通道和垂直通道 内以允许所述模块单独断开的导体的数目。因此，优选地，所述矩阵包括至少一个不接触所 述矩阵边缘的、由模块包围的内部模块。通过在由左上部模块、右上部模块、左下部模块和右下部模块形成的四方模块中 的各模块之间形成内部交叉区域，并且在所述内部交叉区域设置接触部件，通过垂直穿过 所述基片或所述封装来接合所述接触部件，或者通过在所述四方模块内的一个或多个接线 端Tij设置二极管，能够有效、独立地断开每个模块。当所述矩阵可以被再分为多个由左上 部模块、右上部模块、左下部模块和右下部模块形成的四方模块，并且所述接触部件设置于 内部交叉区域时是尤其有益的，所述内部交叉区域形成于四方模块内的两模块之间的水平 通道与四方模块内的两模块之间的垂直通道的交叉之处。通过这种方式，用于单独断开四 方模块内的每个模块的四个接线端将占据很小的区域。本发明实现的重要特征是可以在封装所述系统之前和/或之后单独地接触每个 模块，即使在密封所述矩阵之前或之后没有断开连接也可以实现上述特征。另一个重要特 征是在封装所述系统之前或之后能够有效地使用二极管，可以降低操作系统中由例如所述
12系统的部分衰退和/或所述系统的某些部分的快速退化导致系统的一部分在负电压下运 作而降低效率所引起的效率损失。关于图1，需要说明的是，这是可以用于将16个模块串联连接的方案中的一种。所 述模块还可以通过很多其它的方式串联连接。作为一种实施例，另外一种可以获得四个交 叉区域的方式是从模块912开始以以下顺序9 12，9n，921，922，9 32 931，941，942，943，944，934，933， 923，924，914和913串联连接模块，其中每个交叉区域包括用于断开四个不同模块的接线端。 这意味着共享第一交叉区域的四个模块将是912，9n，921和922，共享第二交叉区域的四个模 块将是932，931，941和942，共享第三交叉区域的四个模块将是943，944，934和933，共享第四交叉 区域的四个模块将是923，924，914和913。这种布置方式的优点在于所述两个接线端15和17 可以相互邻近地位于相邻的模块内。明显地，这种或其它任何一种布置方式都需要所述系 统的各部分的适应性的设计，例如中间层和集电器。图3是用于如图1所示的由16个串联连接的模块组成的单片电化学系统的 基片3的一种实施例。合适的基片在现有技术中已众所周之，优选地，由玻璃或塑料材料制 成。在本实施例中，每个模块包括一个多孔结构，即一个单片光电化学电池。所述基片3承 载了粘结在基片3上的中间层的导电图案5。所述导电图案5形成单独的区域25kl。一列 内的所有的区域25kl通过形成将在列i内的区域25u相互分隔开的分隔线26而相互分隔 开。对于模块的导体连接于流入集电器11的区域25u来说，所述分隔线可以形成 为水平直线26。对于这样的模块，模块的导体的一端将要与所述模块的流入集电 器11连接，所述集电器11沿着所述模块的宽度的水平方向延伸。所述导体向下朝向 将区域25u与区域25u+1分隔开的水平线26延伸。然而，所述导体将不会经过所述分 隔线。相反的，接线端Tu形成于所述水平线，其中，如果所述接线端闭合，与其连接的模块 将会短路。对于模块的导体2、连接于流出集电器13的区域25u来说，，所述分隔线26 将会具有比较复杂的形式。之所以如此是因为所述导体需要经过相邻区域25ij+1或区 域25+i (根据所述串联连接的模块将沿着向下的方向还是向上的方向来确定是区域25iJ+1 还是区域25^)。在图3所示的实施例中，设置用于支撑导体2112的区域2513的延伸部分即 接触路线(contact path) 2912将导致向上朝向用于支撑模块912的流入集电器11的接触路 线3012。然而，相邻区域2512的接触路线3012之间的通道将会保留。因此，对于模块9。_的 导体连接于流入集电器11的区域25u来说，用于该区域25u的分隔线26将包括在承 载区域下方延伸的水平部分26a、向上朝向用于承载所述模块的流入集电器的接触路线3012 延伸的垂直部分26b、和沿着所述接触路线向外延伸至垂直分隔线28的第二水平部分26。。由于所述导体应该具有金属导电性，且因为所述导体可以直接设置于所述基 片3上，所以没有必要提供具有接触路线29u的区域25『由于所述流入集电器11和流出 集电器13应该具有金属导电性，所以没有必要提供具有接触路线30u的区域25ijt)所述流 入集电器和流出集电器相对于所述反电极、工作电极、导电层和基片的各种可能的位置如 图5至图12所示。 当位于一列内的模块应该与位于下一列内的模块串联连接时，该列内的第一区域 或最后区域可能连接于下一列内的第一区域或最后区域。为了实现这个目的，垂直分隔线 28交替地从所述导电图案的顶部33延伸至所述导电图案的底部，从而除了最后一行的最 后区域之外，将所述区域25kl分隔成分开的列，其中所述最后区域可能伸出超过两列，或者垂直分隔线28交替地从所述导电图案的底部35朝向所述导电图案的顶部延伸，从而除了 列内的最上端区域之外，将所述区域25kl分隔成分开的列，其中所述最上端区域可能伸出 超过两列。选择性地，所述顶部区域和底部区域可以具有连接两列的连接部37。包括连接 部37的结构在第三列和第四列之间的连接处显示，其中，区域2 535和2545没有被分隔开而 是形成通过连接部37连接的单独的连续的表面。由于两列之间的过渡处包括金属导体，所 以没必要在相邻的两列内的两个连接区域之间包括所述连接部37。因此，所述垂直分隔线 28可以延伸，使得它还在相邻的两列内的两模块应该串联连接的位置上将底部或顶部区域 分开。连接部37的缺失在第一列和第二列之间的连接处显示，其中，区域2515和2525在底 部35通过所述垂直分隔线28分隔开。区域2515和2525之间的连接部将由形成模块914的 流出集电器13 (图3未示出)和模块924的流入集电器11 (图3未示出)的金属导体制成。 连接部37的缺失进一步在第二列和第三列之间的连接处显示，其中，区域2521和2531在顶 部33通过所述垂直分隔线28分开。区域2521和2531之间的连接部将由形成模块921的流 出集电器13 (图3未示出)和模块931的流入集电器11 (图3未示出)的金属导体制成。 本领域的技术人员可以选择是否包括连接部37，从而使应该串联连接的相邻两列模块内的 区域25u和25i+lj不是被分开，而是形成通过连接部37连接的单独的连续的表面。如实施 例中所示，可以包括用于特定列而不是用于其它列的连接部。可以根据传统方法选择性地 通过例如激光构形(laser-structurjng)或化学蚀刻去除中间层来形成所述区域25kl，或 者通过例如丝网印刷(screen-printing)选择性地设置中间层来形成所述区域25kl。区域25kl组成的列包括第一区域25kl和最后区域25kN，其中N是列内的区域的数 目。除了第一区域和最后区域以外的所有区域包括形成承载区域27kl的部分，承载区域 27kl用于支撑模块9kl的工作电极；接触路线30kl，所述接触路线30kl用于支撑模块9kl的流 入集电器11 ；和模块礼―或9kl+1的流出集电器13，这取决于所述串联连接是从顶部到底部 设置(如奇数列)还是从底部到顶部设置(如偶数列)，集电器13用于与模块的反电极接 触；以及连接部分31+i或 ㈣，这取决于所述串联连接是从顶部到底部设置(如奇数列) 还是从底部到顶部设置(如偶数列)，连接部分31+i或9kl+1用于与模块的反电极接触。每 个模块都具有用于支撑模块的导体的接触路线29u。然而，所述接触路线没有 被分配为使得每个区域都包括接触路线。包括模块(该模块的导体21w连接于所述模块 的流出集电器且该模块没有位于列的底部或顶部)的承载区域27kj的区域25kl将包括用于 模块9kj的接触路线29kj和接触路线29^或29kj+1，这取决于所述串联连接是从顶部到底部 设置(如奇数列)还是从底部到顶部设置(如偶数列)。第一区域25kl和最后区域25kN将 分别包括接触路线29kj，然而包括模块9kj (该模块的导体21kj连接于所述模块的流入集电 器且该模块没有位于列的底部或顶部)的承载区域27w的第一区域25kl将不包括接触路线 29kJO在图3公开的实施例中，区域25^包括单独的接触路线29^ ；区域2512不包括接触路 线；区域2513包括两个接触路线2912和2913 ；区域2514不包括接触路线；区域2515包括单独 的接触路线2915。在下一列内，区域2521包括单独的接触路线；区域2522不包括接触路 线；区域2 523包括两个接触路线2922和2 923 ；区域2 524不包括接触路线；区域2525包括单独 的接触路线2925。随后的列按照同样的方式设置。用于列数为奇数的列的第一区域25kl将包括承载区域27kl，但是不包括接触部分 。用于列数为奇数的列的最后区域25^将包括接触部分31kN，但是不包括承载区域27ijt)
14用于列数为偶数的列的第一区域25kl将包括接触部分31kl，但是不包括承载区域27u。用于 列数为偶数的列的最后区域25kN将包括承载区域27kN，但是不包括接触部分接触部分31ijt)因此，可以看出包括N个区域的列将承载N-I个模块9『第一列内的第一区域25n包括导电区域39，所述导电区域39通向所述电化学系统 的第一接线端15。用于承载串联连接的模块矩阵中的最后模块的接触部分的区域(根据列 的数目，该区域是最后一列区域的第一区域或最后区域)包括导电区域39，该导电区域39 通向所述电化学系统的第二接线端17。在本实施例中，形成承载区域27u以支撑模块的工作电极的部分、用于支撑模 块的流入集电器11和相邻模块的流出集电器13的接触路线30u (如果有的话)、和用于 接触模块的反电极的相邻模块的接触部分之间的分隔完全是虚拟的，因为这些区域形 成为在所述中间层内形成的单独的连续的区域的一部分。在区域25u内以上述方式具有一 个或两个接触路线的情况下，这也应用到所述接触路线。图4显示了电化学系统1的结构 的横截面，所述系统承载模块，该模块包括单个单片多孔结构，即设置在具有中间层的基片 上的单个单片光电化学电池。所述横截面在前两个区域25n和2512沿着图3中所示的B-B 线截取。在图4所示的具体实施方式
中，每个模块％和912都包括单独的多孔结构。因此， 每个模块包括分别设置在承载区域27^和2712上的单个工作电极41。绝缘层43覆盖所述 工作电极41并且将所述工作电极41与设置在所述绝缘层43的顶部上且至少部分地覆盖 所述绝缘层43的反电极45分隔开。所述反电极45向下延伸至接触部分31n，第一模块9n 的流入集电器11定位在接触路线30n上，形成第一模块9n的流出集电器和第二模块912的 流入集电器11的导体定位在接触路线3012上。WO 97/16838公开了一种早期的单个单片光电化学电池的实施例，即由工作电极、 绝缘层和反电极组成的多孔结构。在WO 2004/038745A3和JP2007 194039中公开了最近 的单片光电化学系统的实施例。这些文件提到的所有的结构都包括在本申请中，并且可以 被用作多孔结构。图4所示的电化学系统的实施例中的电池通过密封材料47封装，所述密封材料47 将电解质封装在电池内。在反电极和所述反电极的集电器之间实现电连接的各种结构的实施例如图5至 图8所示。在图5中所示的一种实施例中，流出集电器13(也就是所述反电极45的集电 器)设置为与反电极45的边缘相距特定的距离。当收集电流的导体与电解质的化学性质 不一致时，和/或当需要获得封装阻挡层(encapsulation barrier) 47以防止所述电解质 在相邻的串联连接的模块之间形成连接时，应该优选这种方式。这种封装应该使用例如塑 料材料、所谓的玻璃粉材料或任何其它适合的封装材料。在图6所示的第二种实施例中， 反电极47的集电器13与反电极45接触。当集电器的化学性质与电解质一致时可以采用 这种结构。这意味着所述集电器的材料与至少部分地填充所述光电化学系统的多孔结构 的电解质的化学性质一致。在这种方式中，导体可以暴露于电解质中而不冒使所述电池退 化的风险。另一方面，所述电解质和所述导体之间的非化学性质的匹配度将会随着时间导 致所述装置性能的退化并减少寿命。传统的光电化学电池的电解质包含具有氧化还原对 (redoxcouple)碘化物/三碘化物，通常溶解于有机溶剂。然而，其它的氧化还原对和各种 的电解质也可以使用并因而包括于此。与典型的包含碘化物/三碘化物的电解质的化学性质一致的集电器的材料是例如钛和镍。然而，也包括其它所有的化学性质相互一致的电解 质和导体的结合。在第三种实施例中，如图7所示，反电极45的集电器13至少部分地位于 集电器47的下面。这种结构也需要集电器的材料与电解质的化学性质一致。这种结构的 优点是由集电器引起的表面损失会减少。在图8所示的第四种实施例中，反电极45的集电 器13设置在接触部分31和/或中间层25的导电路线30的下面。在这种情况下，优选地， 反电极45的集电器13设置为尽可能地靠近反电极47。甚至可能将反电极45的集电器13 设置在接触部分31的下面。可以采用各种结构实现工作电极和流入集电器11 (即工作电极41的集电器)之 间的电连接。在图9所示的一种实施例中，工作电极41的流入集电器11设置为与工作电 极41相距特定的距离。当收集电流的导体与电解质的化学性质不一致时，和/或当需要获 得封装阻挡层47以防止所述电解质在相邻的串联连接的模块之间形成连接时，应该优选 这种方式。在图10所示的第二种实施例中，工作电极的集电器11与工作电极41和/或绝 缘层43接触。当集电器的材料的化学性质与电解质一致时可以采用这种结构。如图11所 示，在第三种实施例中，工作电极41的集电器11设置在中间层25的下面，优选设置在导电 路线30的下面。在这种情况下，优选地，集电器设置为尽可能地靠近工作电极。实际上，在大部分情况下，模块的反电极的集电器和下一个模块的工作电极的流 入集电器的集电器是同一个集电器。该结构可以是图12中所示的结构，其中，一个模块的 流出反电极和下一个模块的流入工作电极的共用集电器11，13以与所述电极相距特定的 距离设置于所述两个模块之间。所述集电器可以由银或其它任何高导电性的材料制成。这 给位于串联连接的模块之间并用于防止电解质在相邻的串联连接的模块内的电池之间形 成接触的密封装置47提供了空间。在集电器的材料的化学性质与电解质一致的情况下，可 以使一个模块的流出反电极和下一个模块的流入工作电极的共用集电器与所述工作电极 和/或所述反电极接触。事实上，也可以使用如图5至图11所示的所有的其它可能的结构， 或者也可以使用图5至图11所示的实施例的任何形式的组合。在图5至图12所示的所有的实施例中，由高导电性材料制成的集电器包括平行于 工作电极和反电极的宽度方向设置的直的导电路线。然而，集电导体也可以包括例如一组 支路(branch)，从而改善从模块内的一个或多个电池集电的效果。例如，这些支路可以从工 作电极的集电器垂直地沿朝向反电极的集电器的方向延伸，从而改善模块内的一个或多个 工作电极的集电效果，和/或这些支路从反电极的集电器垂直地沿朝向工作电极的集电器 的方向延伸，从而改善模块内的一个或多个反电极的集电效果。在图13中，横截面示意图显示了包括多个串联连接的单片光电化学电 池21; 22，23的模块。每个电池21; 22，23构成多孔结构并且包括工作电极或光电极 (photo-electrode)41、绝缘层43和反电极45。电池21;22，23或多孔结构被应用到设置在 基片3上的中间导电层25并位于导电图案5内。WO 97/16838和WO 01/97237公开了在这种系统的模块内串联连接电池的实施
例，其中所有的描述全部结合于此。所述单片模块包括以纳米多孔光电极的形式形成在基片上的工作电极41。所述基 片包括透明导电材料的中间层25的导电图案5。所述基片3可以由玻璃材料或塑料材料制 成。所述中间层可以为F掺杂(F-doped)的SnO2或几0，也可以包括所有合适的材料。每个工作电极41位于所述中间层25上。所述中间层25被分成细的分隔线49图案，分隔线 49处的中间层25被去除或选择性的使用。因此，形成了承载一组3个串联连接的电池21; 22，23的图案。优选地，所述图案包括一组细长的矩形，虽然优选地将图案设计为允许高的 表面效率，但是当然也可以以任意的方式设计。所述工作电极41由绝缘层43的多孔层覆盖，所述绝缘层43使所述工作电极41 与设置在所述绝缘层43上的多孔的反电极45绝缘。优选地，所述绝缘层43还包括漫反射 体(diffuse reflector)，所述漫反射体用于反射穿过所述工作电极41但没有被其吸收的 光，这样会增加所述系统的吸收率。在一种优选实施方式中，反电极45以基本上覆盖绝缘层43并且向上延伸至位于 没有被所述绝缘层43覆盖的相邻电池上的中间层的方式设置。通过这种方式形成了串联 连接的电池，其中一个电池的反电极与下一个电池的工作电极电连接。流入集电器11和流 出集电器13分别设置在模块的端部。防止电解质在相邻的电池之间流动(也就是所谓的电泳)是非常重要的，因为电 泳可能降低电池的性能和使用寿命，也可能导致相邻电池之间的不希望的性能差异。一种 解决方法是使用不能扩散的电解质，例如所谓的孔导体(hole-conductor)或非常粘的电 解质。然而，传统的电解质都是液体并因而可以在相邻电池之间移动。在这种情况下，优选 通过空隙51将相邻的电池分隔开。所述空隙51可以填充绝缘材料，用于防止电解质从多孔 结构泄露并且避免在不同电池内的电极之间形成不希望的接触。在一种优选实施方式中， 所述绝缘材料包括被压入所述空隙51中的封装材料47的一部分。图14显示了图13所示的串联连接的电池的中间层25的适合图案的实施方式，其 显示了从上方观察的两个连续的区域25^和2512。每个连续区域25^和2512用于支撑3个 串联连接的单片电池。所述中间层将包括区域25ij;区域25u和用于包括图3所示的单个 单片电池的模块的区域具有一样形状的。然而，承载区域27u将被分成多个单独区域。在 如图14所示的实施例中，每个模块将包括如图13所示的3个串联连接的电池。为了这 个目的，与所述承载区域27u相对应的区域将被分成3部分。第一部分I与模块的接触 路线30u连接。第二部分II和第三部分III位于所述第一部分I的下面并且互相隔开。所述 第一部分包括第一电池的承载区域，第二部分包括第一电池的接触部分和第二电池的承载 区域，第三部分包括第二电池的接触部分和第三电池的承载区域。所述第三电池的接触部 分将定位于相邻的区域，这和包括单个电池的模块的情况一样。图15显示了设置在图14所示的区域25n和2512上的第一模块9n和第二模块912。 这里，线L1, L2, L3显示电池21;22和23的下边缘，反电极在所述下边缘向下延伸至所述接触 部分，21； 22和23的下边缘设置为使得电池的下边缘将会与位于第二部分II上的接触部 分电接触，电池22的下边缘将会与位于第三部分III上的接触部分电接触，电池23的下边缘 将会与位于相邻区域上的接触部分电接触。如果在A-A位置形成穿过模块的截面图，应该 注意的是，在线C1以上的结构(该结构可以一直向下延伸至绝缘层开始朝向所述分隔线49 下降的位置)与包括单个单片电池的模块相同。同样地，应该注意的是，在线C2以下的结 构(该结构可以一直向上延伸至绝缘层开始朝向所述分隔线49下降的位置或延伸至反电 极终止的位置)与包括单个电池的模块相同。还是在图13中，显示了线C1和C2，无论模块 内具有单个电池还是具有多个串联元件，从线C1和C2开始，模块的结构可以是相同的。
这意味着可以通过连接图9至图11所示的任何一种结构和图5至图8所示的结 构来形成包括串联连接的电池的模块。实际上，可以使用图5至图12中所示的所有可能的 方式或图5至图11中所示的实施例的任何组合。如果要在模块内设置多个串联连接的电池，在线C1和线Ctl之间所包括的重复整数 倍的结构将形成包括多个串联连接的电池的模块，所述结构采用图9至图11所示的结构和 图5至图8所示的结构之间的结构。在模块包括多个串联连接的电池的情况下，每个模块包括与第一电池的工作电 极连接的流入集电器，该集电器将被命名为流入集电器11 ；和流出集电器，该流出集电器 与模块内串联连接的电池的最后一个电池的反电极连接，所述流出集电器将被命名为流出 集电器13。当模块包括多于一个多孔结构时，与一个电池的解决方式相同，优选通过用于形 成所要串联连接的模块的流入集电器11和流出集电器13的金属带连接模块。在一列内的模块以图4所示的方式串联连接的情况下，在一列内的两个连续的承 载区域之间的垂直通道P和水平通道H之间的交叉区域形成内部交叉区域。图16说明了模块中的单片光电化学电池的并联连接。在本实施例中，模块包括多 个并行设置的单片电池，该单片电池设置为细长的电池Z1Hj2nWRASn在本实施方式中， 流入集电器11和流出集电器13包括第一底座20，该第一底座20沿着所述行48延伸，第一组延伸部22与所述底座20 连接；所述第一组延伸部22包括第一延伸部24、最后延伸部26和第一组中间延伸部18，第 一延伸部24在行48中的第一电池之前并沿或沿该第一电池延伸，最后延伸部26在 行48中的最后一个电池2211之后并沿该电池2211延伸，从第二缝隙开始，第一组中间延伸部 18延伸至电池之间的每隔一个缝隙30中，使得底座20和第一组延伸部22形成梳子形图案 (III )；和第二底座32，该第二底座32沿所述行延伸，第一底座20和第二底座32设置在 行48的相反侧上，第二组中间延伸部50与所述第二底座32连接并从第一缝隙开始延伸至 电池之间的每隔一个缝隙中，使得所述第二底座和第二组延伸部形成梳子形图案(门)。每个中间延伸部18，50都与相邻的两电池电连接。第一底座和第一组延伸部形成 流入集电器和流出集电器中的一个的一部分，同时，第二底座和第二组延伸部形成流入集 电器和流出集电器中的另一个的一部分。也就是，根据一种实施方式，第一底座20和它的 延伸部形成与电池的工作电极连接的流入集电器，同时，第二底座32和它的延伸部形成与 并联布置的电池的反电极连接的流出集电器。在另一种可选择的实施方式中，第一底座20 和它的延伸部形成与并联连接的电池的反电极连接的流出集电器，同时，第二底座32和它 的延伸部形成与工作电极连接的流入集电器。因此，光电化学电池的行被设置为使得在该行内的所有电池都与流入集电器和流 出集电器并联连接。一行内的所有的单独的电池是细长的(优选是矩形形状)且并排设置，并通过较 长的一侧相互面对。由于在中间层(该中间层承载工作电极)的欧姆电阻片(Ohmic sheet resistance)和反电极的欧姆电阻片中进行的电子移动过程会造成能量损失，所以所述电 池的宽度受到限制。因此，电池的承载区域和接触部分通过延伸至电极之间的缝隙中的导 体与接线端连接。由于电池的长度加长，延伸部18，50的大小必须增加从而保持较低的能
18量损失。因此，电池之间必要的缝隙的宽度随着电池长度的增加而增加。为了在基片上提 供尽可能最大的活性区域，电池的合适大小是宽度为5-10mm和长度为30_200mm。在本实施例中，因此，一行8个并联连接的电池形成一个模块。模块串联连接，即 一个模块的流入工作电极和前一个模块的流出反电极连接。EP 1840916公开了具有并联设置的电池的模块的合适结构，其所有的内容都结合 于此。图17显示了 16个串联连接的模块的矩阵的实施例的示意图，其中，所述模块包括 8个并联连接的电池。图18显示了 16个串联连接的模块的矩阵的实施例的主视图，其中， 所述模块包括4个串联连接的电池。图17和图18都是从底部观察的视图，即穿过基片观 察的视图。图17和图18包括设置用于断开所述模块的接线端的交叉点的放大视图。在模 块9n，912，921，和922的交叉点处设置这些模块的输出部，用于形成在密封所述矩阵后仍可以 被接触的内部接触点(图17和图18)。如果检测到模块内的一个或多个电池运作不正常， 或者应该使用二极管防止它们在负电压下工作时，可以通过连接相应的导体来断开所述模 块。例如，Q11通过连接导体60和62断开，912通过连接导体62和64断开，921通过连接导 体66和68断开，922通过连接导体70和68断开。可以通过所述装置的封装层的开口 74接触内部接触点72，或者在使用第二基片 进行封装的情况下通过第二基片接触内部接触点72，因此，可以在密封所述矩阵后断开模 块。还可例如在封装前安装二极管，从而可以在不会因来自例如封装材料或第二基片的压 力而损坏二极管的情况下关闭所述系统。导体的自由端F和流入集电器11或流出集 电器13的接触部分C都定位在开口 74的边缘的内侧。因此，可以通过所述开口 74接触导 体的自由端F和流入集电器11或流出集电器13的接触部分C。显然的，一个或多个 导体的自由端可以位于同一开口内。在附图中所示的实施例中，通过同一开口可以接触到 4个自由端。图19显示了从封装侧观察的图17和图18所示的矩阵，其中，显示了位于封 装材料内的开口 74。由于图19是顶视图，而图17和图18是底部视图(即穿过基片观察 的视图)，所以图17和图18中的模块的位置与图19的成镜像颠倒。另外，应该重视的是， 在图19所示的结构中，封装材料是不透明的，因此看不见电池。在其它情况下，例如，当使 用玻璃作为用于封装的第二基片时，可以看见电池。但是，穿过封装材料或第二基片的开口 74应当形成在在同样的位置上。因此，通过所述开口可以接触接线端Tij，从而断开所选择 的模块。还可以在完全密封所述系统之前或之后形成开口 74。以四方形式布置的模块中， 每个模块的流入集电器和流出集电器直接位于用于断开模块的导体2、旁边，从而确保每 个四方模块只需要具有一个开口即可满足使用。优选地，在封装材料或第二基片中可以形 成另外两个开口 76，以用于接触接线端15和17。明显地，后者可以容易地通过减小封装材 料或第二基片的大小而获得。可以通过引入桥接元件(bridge element)来实现断开，该桥接元件在接线端Tu 将各流入集电器11或流出集电器13与所选择的导体连接，从而在所述集电器和所述 导体之间形成连接。所述桥接元件可以通过焊点或其它任何合适的、能够连接所选择的导 体2、与流入集电器11或流出集电器13的导电元件形成。也可以通过二极管在接线端Tij 连接的流入集电器11或流出集电器13与所选择的导体21…其中，所述二极管在负偏压下工作时可以绕开所述模块从而使所述模块断开连接。所述二极管可以在密封所述系统之前 引入，或者在密封所述系统之后通过穿过封装材料或第二基片引入。当在封装所述系统之 前引入所述二极管时，可以在烧结电极之后、应用光敏感染料之后、或者施用电解质溶液之 后引入所述二极管。光电化学系统包括串联连接的电池，其中该电池用作将光转变为电能的装置，当 光电化学系统内的单个电池或一些电池由于例如部分退化、原始差异、和/或电池使用时 间的不同而相比其它电池具有较小短路电流时，在所述系统以高于所述电池的短路电流的 工作电流工作时，电流会在反偏压(即负极性)的作用下经过这个或这些电池。这可能导 致电池的退化并且显然会导致所述系统效率的降低，因为能量会在反偏压的作用下消耗在 电池内。作为本发明的一种结果，有效地检测出和断开包含了在反偏压下工作的电池的模 块，因此没有必要丢弃整个矩阵。在密封所述系统之前，电解质至少部分地填充在所述多孔结构的模块中，以 形成多个电化学电池，这是通过在所述多个多孔结构的模块上施用模块的封装包装 (encapsulation covering)来实现的。模块的单片电池的实施例包括单电池、多个串联连接的电池、和多个并联连接的 电池。显然地，可以在模块内结合串联连接和并联连接的电池。只要不同电池的电输出非 常类似，就可以想象在一个模块内具有不同的几何结构。同样的，只要不同模块的电输出非 常类似，就可以想象不同模块具有不同的几何结构。本发明还涉及一种操作单片密封电化 学系统的方法，所述方法包括以下步骤提供电绝缘基片；设置导电图案，所述导电图案用于支撑位于所述基片上的多个多孔结构的模块， 在所述导电图案的顶部形成所述多个多孔结构，其中，每个多孔结构包括工作电极、绝缘层 和反电极，其中，每个模块包括至少一个多孔结构，所述多个模块设置在串联连接的模块2 的矩阵1中。该方法进一步包括为所述多个模块内的每个模块形成接触部件19的步骤，所述 接触设备19包括流入集电器11，该流入集电器11与所述模块的一个或多个工作电极连 接；流出集电器13，该流出集电器13与所述模块的一个或多个反电极连接的；和导体21… 该导体与所述流入集电器11和流出集电器13中的一个连接并且朝向所述流入集电器 11和流出集电器13中的另一个延伸至与所述流入集电器11和流出集电器13中的另一个 相距很短距离的位置，形成的模块的接线端Tijtl最后，该方法包括断开至少一个所述模块的步骤，通过闭合模块的接线端Tu来实 现所述断开。所述断开可以在封装包装密封所述系统之前或之后进行。在密封所述系统之前，进行沉积电解质的步骤，以使电解质至少部分地填充在所 述多孔结构的模块中，以形成多个电化学电池。由于优选地应该在测试完电池的性能后再执行断开，所以优选地，在沉积电解质 之后并密封所述系统之后执行断开。为了实现本目的，优选地，该方法进一步包括用封装包装来覆盖多个所述多孔结 构的模块的步骤，其中所述封装包装包括一组开口，用于在通过封装密封所述系统后可以接触所述接线端Tijt5本说明书中提到的水平方向和竖直方向指的是附图平面中的方向。自然地，所述 系统在使用时可以沿任意方向安装。参考竖直方向和水平方向完全是参考形成布置模块的 矩阵的平面的不同方向。对于在各模块列中的向上和向下的术语来说也是如此。优选的，电池的形状是矩形并具有用于连接沿所述电池的较长侧定位的流入工作 电极和流出反电极的连接部，从而因电池内的低电阻损失而使电池成品率(yield of the cell)更高。然而，也可以使用其它的结构和形状的电池，只要该电池可以以具有高表面效 率的方式布置即可。六边形、菱形和三角形的形状都可以考虑。然而，这样会使得电池之间 的连接，以及流入集电器、流出集电器和导体的设置较为困难。优选地，所述模块也具有矩形形状。模块的其它形状例如六边形、菱形和三角形的 形状都可以考虑。在模块是菱形的情况下，一行模块之间或模块之间和/或模块列之间的分隔通道 在基片的平面内通常是倾斜的。所述分隔通道总是互相交叉，也可以找到内部交叉区域的 位置。在使用六边形形状的情况下，将会在三个模块而不是四个模块的连接位置上形成所 述内部交叉区域。在使用三角形形状的情况下，将会在多个模块的连接位置上形成所述内 部交叉区域，例如在所述模块具有等边三角形形状的情况下，所述内部交叉区域形成在六 个模块的连接位置上。
权利要求
一种单片密封电化学系统，该系统(1)包括电绝缘基片(3)、导电图案(5)和封装，所述导电图案(5)用于支撑设置在所述基片(3)上的多个多孔结构的模块(9ij)，其中，每个多孔结构包括工作电极(41)、绝缘层(43)和反电极(45)，其中，电解质至少部分地填充在所述多孔结构的模块(9ij)中，以形成多个电化学电池；所述封装覆盖所述多个多孔结构的模块(9ij)，其中，所述多个模块(9ij)设置为串联连接的模块的矩阵，所述多个模块中的每个所述模块(9ij)包括接触部件(19)，该接触部件(19)包括与模块(9ij)的一个或多个工作电极(41)连接的流入集电器(11)和与模块(9ij)的一个或多个反电极(45)连接的流出集电器(13)，其特征在于，所述接触部件(19)还包括导体(21ij)，该导体(21ij)与所述流入集电器(11)和流出集电器(13)中的一个连接并且朝向所述流入集电器(11)和流出集电器(13)中的另一个延伸至所述导体(21ij)的自由端(F)，所述自由端(F)位于离所述流入集电器(11)和流出集电器(13)中的另一个的接触部(C)一定距离的位置上，在所述自由端(F)形成模块(9ij)的接线端(Tij)，所述接线端(Tij)包括形成在所述导体(21ij)的所述自由端(F)和所述流入集电器(11)和流出集电器(13)中的另一个的接触部(C)之间的缝隙(G)，从而所述多个模块内的每个模块(9ij)都可以通过闭合与其相关的接线端(Tij)而被绕过。
2.根据权利要求1所述的单片密封电化学系统(1)，其特征在于，所述接触部件(19) 用于允许每个模块(9U)单独断开连接，通过连接同一模块(9U)的流入集电器(11)和流出 集电器(13)来实现所述断开连接。
3.根据权利要求1或2所述的单片密封电化学系统(1)，其特征在于，所述流入集电器 (11)沿模块(9U)宽度在该模块(9U)的第一侧上延伸，所述流出集电器(13)沿模块(Qij) 的宽度在该模块(9U)的相反的第二侧上延伸，所述导体(21u)在所述模块(Qij)的侧部上 延伸。
4.根据权利要求1、2或3所述的单片密封电化学系统(1)，其特征在于，所述接触部件 (19)连接有二极管，从而在所述模块(9U)反向工作时断开所述模块(9U)的连接。
5.根据权利要求1、2或3所述的单片密封电化学系统(1)，其特征在于，通过施用形成 短路路线的焊点来闭合所述接线端(Tij)。
6.根据权利要求1、2或3所述的单片密封电化学系统(1)，其特征在于，通过施用形成 短路路线的金属钉来闭合所述接线端(Tij)。
7.根据权利要求1至6中的任意一项所述的单片密封电化学系统(1)，其特征在于，所 述矩阵是mX η型的，其中m和η都是等于或大于3的整数，所述矩阵包括至少一个内部模 块，该内部模块被模块包围而不与所述矩阵的边缘接触。
8.根据权利要求7所述的单片密封电化学系统(1)，其特征在于，在以由左上部模块、 右上部模块、左下部模块和右下部模块形成的四方模块之间的位置为中心的位置上设置有 内部交叉区域(23)，所述接触部件(19)设置于所述内部交叉区域。
9.根据权利要求8所述的单片密封电化学系统(1)，其特征在于，所述四方模块内的每 个模块的所述接线端(Tu)位于所述内部交叉区域(23)内。
10.根据上述任意一项权利要求所述的单片密封电化学系统(1)，其特征在于，所述导 体(21u)设置在位于两个连续的模块列之间的垂直通道内。
11.根据权利要求8-10中任意一项所述的单片密封电化学系统(1)，其特征在于，在所述内部交叉区域(23)提供穿过所述基片的通道，从而提供对所述四方模块的所述流入集 电器(11)和流出集电器(13)的接触。
12.根据权利要求8-10中任意一项所述的单片密封电化学系统(1)，其特征在于，在所 述内部交叉区域(23)提供穿过所述封装包装的通道，从而提供对所述四方模块的所述流 入集电器(11)和流出集电器(13)的接触。
13.根据权利要求8-12中任意一项所述的单片密封电化学系统(1)，其特征在于，所述 矩阵包括多个四方模块，每个四方模块都具有内部交叉区域(23)。
14.根据上述任意一项权利要求所述的单片密封电化学系统(1)，其中，每个模块(9U) 包括单个电化学电池。
15.根据上述任意一项权利要求所述的单片密封电化学系统(1)，其中，每个模块(9U) 包括并联连接的多个电化学电池。
16.根据上述任意一项权利要求所述的单片密封电化学系统(1)，其中，每个模块(9U) 包括串联连接的多个电化学电池。
17.根据上述任意一项权利要求所述的单片密封电化学系统(1)，其特征在于，所述电 化学系统是光电化学系统。
18.根据上述任意一项权利要求所述的单片密封电化学系统(1)，其特征在于，所述电 化学系统包括至少一个断开连接的模块(9U)，该模块(9U)通过闭合接线端(Tu)来断开连 接。
19.一种操作单片密封电化学系统(1)的方法，该方法包括以下步骤提供电绝缘基片⑶；设置导电图案(5)，该导电图案(5)用于支撑位于所述基片上的多个多孔结构的模块 (9U)，在所述导电图案的顶部上形成所述多个多孔结构，其中，每个多孔结构包括工作电极 (41)、绝缘层(43)和反电极(45)，所述多个模块设置为串联连接的模块矩阵；沉积电解质，从而至少部分地填充在所述多孔结构的模块(9U)中，以形成多个电化学 电池，其中，所述方法包括为所述多个模块(9U)中的每个模块形成接触部件(19)的步骤， 所述接触部件(19)包括与模块(9U)的一个或多个工作电极(41)连接的流入集电器(11) 和与模块(9U)的一个或多个反电极(45)连接的流出集电器(13)，其特征在于，导体(21u) 与所述流入集电器(11)和流出集电器(13)中的一个连接并且朝向所述流入集电器(11) 和流出集电器(13)中的另一个延伸至所述导体(2、)的自由端(F)，所述自由端(F)位于 离所述流入集电器(11)和流出集电器(13)中的另一个的接触部(C)距离很短的位置上， 在所述自由端(F)形成模块(9U)的接线端(Tu)，所述接线端(Tu)包括形成在所述导体 (21^·)的所述自由端(F)和所述流入集电器(11)和流出集电器(13)中的另一个的接触部 (C)之间的缝隙(G)，所述方法包括通过闭合模块的接线端(Tij)而单独断开所述模块中的 至少一个模块的步骤。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述方法还包括用封装包装覆盖所述 多个多孔结构的模块的步骤，其中所述封装包装包括一组开口(74)，该一组开口(74)用于 在通过所述封装密封所述系统后接触所述接线端(Tij)。
全文摘要
本发明涉及一种单片密封电化学系统(1)和单独断开该系统(1)的方法，所述系统(1)包括电绝缘基片(3)；导电图案(5)，该导电图案(5)用于支撑设置在所述基片(3)上的多个多孔结构的模块(9ij)，其中，每个多孔结构包括工作电极(41)、绝缘层(43)和反电极(45)，其中，电解质至少部分地填充在所述多孔结构的模块(9ij)中，以形成多个电化学电池；以及覆盖所述多个多孔结构的模块的封装，其中，每个模块包括至少一个多孔结构，其中，所述模块可以在密封所述系统(1)之前和/或后单独断开。
文档编号H01G9/20GK101965619SQ200980103075
公开日2011年2月2日 申请日期2009年1月29日 优先权日2008年1月30日
发明者H·彼得森 申请人:黛纳膜公司