专利名称：一种染料敏化太阳能电池的制作方法
技术领域：
本发明属于绿色可再生能源技术领域，涉及一种独立平行太阳能电池。
背景技术：
进入二i^一世纪，随着地球温暖化及大气污染问题日趋严重，开发和利用可再生 绿色能源已成为人类社会所面临的重大课题。太阳能是我们取之不尽、用之不竭的洁净能 源，用太阳能发电直接把光能转换为电能是利用太阳能的重要方式。目前传统硅太阳电池 虽已进入实用化阶段，但还存在着制造成本高、生产工艺复杂和高纯度硅原料缺乏及在生 产过程中会造成环境污染和消耗能源等问题。1991年瑞士联邦工学院的Gratzel等人在文 献(0，Regan B, Gratzel M. Nature, 1991, 353 (6346) :737_740·)中报道了一种利用自然界 光合成原理的新型染料敏化太阳能电池(dye-sensitized solar cell,DSC) 0目前实验室 制作的小面积DSC ( < 0. 2cm2)已达到了 12%的光电转换效率，小面积DSC的研究水平已经 接近非晶硅太阳电池的研究水平。目前世界上各国正在积极开展大面积染料敏化太阳能电 池的研究工作。传统的大面积染料敏化太阳能电池通常设计和制作成串联和并联两种方式，其中 串联DSC又分为W型和Z型。W型DSC在光照面存在正反向两种单元，即光阳极在上为正向 单元，对电极在上为反向单元。W型DSC缺点是光入射面存在正反向单元，导致每条电池的 电流密度不一致，使整块电池的均勻性受到影响，会降低整体电池的电流和电压。和W型相 比，Z型电池DSC组件，在光入射面都由正向单元组成。Z型DSC虽然能够得到较高电压，但 存在着内阻大、活性面积小、制作工艺复杂等缺点。并且串联电池内部单元串联后电子由一 条栅电极弓I出，如有一条制作不均勻，将会影响整体组件的性能。并联DSC虽然有结构简单 及制作工艺简单的特点，但内部并联DSC的总电压却很小。综上所述，传统的大面积DSC中 并联DSC只能得到较高电流，而串联DSC只能得到较高电压，并且二者都是如有一条制作不 均勻，会大幅度降低整体电池的性能。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种独立平行大面积染料敏化太阳能电池。为达到 上述目的，本发明的技术方案是设计制作了 一种独立平行染料敏化太阳能电池。这种独立 平行染料敏化太阳能电池在光入射面都由正向独立单元电池所组成。该太阳能电池是由若 干个独立单元电池所组成，每个独立的单元电池包括光阳极、对电极和电解质。该染料敏化 太阳能电池的光阳极和对电极上都分布着金属栅电极和绝缘刻蚀线，并且金属栅电极和绝 缘刻蚀线紧密相邻平行分布。这种独立平行染料敏化太阳能电池的光电转换效率不会因单 条制作不均勻而受到显著影响，并且可以根据不同需要进行任意串并联组合并能得到较高 的光电转换效率，可进一步形成对接插板式大型太阳能电池组件。这一结构不但能够得到 较高电压而且还能得到较高电流，并且内阻小、制作工艺简单。利用该发明技术提高了整体 太阳能电池的出力和光电转换效率。
本发明的具体技术方案如下该太阳能电池是由若干个独立单元电池所组成，每个独立的单元电池包括光阳 极、对电极和电解质；每个独立的单元电池的光阳极和对电极上都分布着金属栅电极和绝 缘刻蚀线，并且金属栅电极和绝缘刻蚀线紧密相邻平行分布；所述的光阳极由基板、导电 膜、半导体薄膜、金属栅电极和绝缘线构成。所述的对电极是 由导电基底、催化剂层、金属栅电极和绝缘刻蚀线构成。所述的绝缘刻蚀线用激光或等离子或感光胶刻蚀或用物理或化学方法刻蚀，刻蚀 线的宽度为0. 001-10mm。所述的金属栅电极是由低导电率的金属组成，低导电率的金属是铜、铝、金、银、 铁、镍、钛、钼或锡中的一种或二种以上金属构成的合金，栅电极的宽度为0. 001-10mm。绝缘刻蚀线和金属栅电极紧密相邻分布，二者之间的距离为0. Ol-IOOOym ；所述的基板材料为玻璃基板、金属基板或高分子基板。所述导电膜的导电材料为氧化锡、氧化铟、氧化铟锡、氧化锑锡、石墨、碳纳米管、 氟掺杂氧化铟锡或氟掺杂氧化锑锡。所述的半导体薄膜、催化剂层和金属栅电极通过印刷法、喷涂法或刮涂法制备。其 半导体薄膜和催化剂层不能覆盖绝缘刻蚀线和金属栅电极。然后在半导体薄膜上浸泡染 料。所述的电解质中包含起氧化还原的物质和电解液；电解液为有机溶剂、离子性液 体、熔融性盐、半熔融性盐或水。采用高分子膜、固化胶、玻璃粉、陶瓷等来保护金属栅电极和绝缘区域并密封两电 极。本发明的优势在于(1)这种独立平行染料敏化太阳能电池的光电转换效率不会因单条制作不均勻而 受到显著影响。(2)通过制作绝缘刻蚀线组成独立平行的单元电池，可以使电池根据不同的需要 进行任意的串并联。(3)在设计了合理的串并联方式后，在获得较高光电流的同时还可得到较高的电 压，进而提高了整体太阳能电池的光电转换效率。可扩大太阳能电池的使用范围和用途。(4)在导电基底上制作绝缘刻蚀线，把导电基底分成几个较小独立部分，电池的电 阻比整块大基板的电阻小，所以可大幅度提高大面积染料敏化太阳能电池的效率和输出功 率，进而实现染料敏化太阳能电池的产业化。
图1是本发明的大面积染料敏化太阳能电池的剖面图。图2是本发明的染料敏化太阳能电池并联后与传统技术制作的并联染料敏化太 阳能电池比较的I-V特性曲线图。图中1基底；2透明导电膜；3半导体层；4金属栅电极；5绝缘刻蚀线；6对电极导 电基底；7催化剂层；8保护密封层；9电解质。
具体实施例方式以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。根据图1所示，本发明包括光阳极、对电极和电解质，其中光阳极包括基底1、透明 导电膜2、半导体层3、金属栅电极4、绝缘刻蚀线5。以上各部分组合为在基底1上涂一层 导电膜2，在导电膜2上设置有半导体层3、金属栅电极4和绝缘刻蚀线5，其半导体层3不 能覆盖金属栅电极4和绝缘刻蚀线5。其对电极包括对电极导电基底6、催化剂层7、金属栅 电极4和绝缘刻蚀线5，催化剂层7制备于对电极导电基底6上并且不能覆盖金属栅电极4 和绝缘刻蚀线5。光阳极和对电极相对设置，电解质9在光阳极和对电极之间，保护密封层 8既起到保护金属栅电极4不被电解质9腐蚀和保护绝缘刻蚀线5防止电解质进入的作用， 又起到密封光阳极和对电极的作用。
实施例1使用50mmX50mm的FTO透明导电玻璃，在其表面用激光刻蚀制作绝缘刻蚀线，绝 缘区域的宽度是0. 1mm，长度是50mm，两绝缘区域的间距为11mm。然后用丝网印刷方法在透 明导电玻璃上印刷导电银浆料，制作金属栅电极，在150°C下预烘干lOmin，在500°C下烧结 15min。金属栅电极和绝缘刻蚀线紧密相邻，二者距离为1mm。金属栅电极宽度是1mm，厚度 是4μπι，长度是50mm，两银线之间的距离是11mm。然后再用丝网印刷的方法在透明导电玻 璃上印刷一层二氧化钛浆料，在200°C下烘干lOmin，再在500°C下烧结30min。当温度降至 80°C时，将其浸泡在N719染料(N719的浓度为5 X 10_4mol/L)的乙腈和叔丁醇溶液里17小 时进行染料负载，制作的光阳极备用。制作对电极，采用FTO导电玻璃作为对电极导电基底，采用制作光阳极上的金属 栅电极和绝缘刻蚀线的方法来制作对电极上的金属栅电极和绝缘刻蚀线，采用0. 5衬％氯 钼酸的异丙醇溶液(溶液中含有聚乙二醇、乙基纤维素)作为钼浆料，采用丝网印刷的方法 在对电极导电基底上印刷钼浆料，在500°C下烧结30min，得到钼对电极。采用厚度为60 μ m的高分子热封膜surlyn膜将光阳极和对电极热封在一起。最 后，通过对电极上的注入孔，将电解液(0. 6M的1- 丁基-3甲基咪唑碘、0. 03M的碘和0. 06M 碘化锂的乙腈溶液)注入光阳极和对电极之间。再用紫外固化胶将注入孔封住，最后用 surlyn膜和载玻片二次封住注入孔，完成本发明的染料敏化太阳能电池组件的制作，通过 不同的连接方式制备了 H型染料敏化太阳能电池组件A、B、C。在AMI. 5的模拟太阳光照射下，测试太阳能电池组件的光电转换效率，经串并联A 组件后的光电转换效率为3. 11 %，B串联组件的光电转换效率为2. 92 %，C并联组件的光电 转换效率为3. 10%。实施例2在光阳极及对电极上只印刷金属栅电极，其余制备方法同实施例1，组装制作的传 统并联式染料敏化太阳能电池组件D，所得的光电转换效率仅为2. 07%。由上述结果证明 本发明技术制作的染料敏化太阳能电池并联后的光电转换效率比传统技术制作的并联染 料敏化太阳能电池的光电转换效率提高49. 76%。二者比较的I-V特性曲线及性能参数由 图2和表1所示实施例3在光阳极及对电极上印刷金属栅电极和绝缘刻蚀线，其余制备方法同实施例1，组装制作成传统的串联式W型染料敏化太阳能电池组件E和F，分别得到1.54%和1.63%的 光电转换效率。由上述结果证明本发明技术制作的染料敏化太阳能电池串联后的光电转换效率 比传统技术制作的W型和Z型串联染料敏化太阳能电池的光电转换效率分别提高89. 61% 和79. 14%，二者比较的性能参数如表1所示。表1 本发明的新型组件和传统技术制作组件的性能参数对比
权利要求
一种染料敏化太阳能电池，其特征是该太阳能电池是由若干个独立单元电池所组成，每个独立的单元电池包括光阳极、对电极和电解质；每个独立的单元电池的光阳极和对电极上都分布着金属栅电极和绝缘刻蚀线，并且金属栅电极和绝缘刻蚀线紧密相邻平行分布；所述的光阳极由基板、导电膜、半导体薄膜、金属栅电极和绝缘刻蚀线构成；所述的对电极由导电基底、催化剂层、金属栅电极和绝缘刻蚀线构成。
2.如权利要求1所述的染料敏化太阳能电池，其特征是所述的绝缘刻蚀线用激光或 等离子或感光胶刻蚀或用物理或化学方法刻蚀，绝缘刻蚀线的宽度为0. 001-10mm。
3.如权利要求1所述的染料敏化太阳能电池，其特征是所述的金属栅电极是由低导 电率的金属组成，低导电率的金属是铜、铝、金、银、铁、镍、钛、钼或锡中的一种或二种以上 金属构成的合金，金属栅电极的宽度为0. 001-10mm。
4.如权利要求1、2或3所述的染料敏化太阳能电池，其特征是所述的基板为玻璃基 板、金属基板或高分子基板。
5.如权利要求1、2或3所述的染料敏化太阳能电池，其特征是所述的导电膜的导电 材料为氧化锡、氧化铟、氧化铟锡、氧化锑锡、石墨、碳纳米管、氟掺杂氧化铟锡或氟掺杂氧 化锑锡。
6.如权利要求1、2或3所述染料敏化太阳能电池，其特征是所述的半导体薄膜、催化 剂层和金属栅电极通过印刷法、喷涂法或刮涂法制备。
7.如权利要求1、2或3所述的染料敏化太阳能电池，其特征是电解质中包含起氧化 还原的物质和电解液；电解液为有机溶剂、离子性液体、熔融性盐、半熔融性盐或水。
全文摘要
本发明公开了一种染料敏化太阳能电池，属于绿色可再生能源技术领域。该太阳能电池是由若干个在光阳极和对电极上都带有绝缘刻蚀线的独立单元电池所组成。太阳能电池的光阳极和对电极上都间隔分布着金属栅电极和绝缘刻蚀线，并且金属栅电极和绝缘刻蚀线紧密相邻平行分布。这种独立式染料敏化太阳能电池的光电转换效率不会因单条制作不均匀而受到显著影响，并且可以根据不同的需要进行任意串并联组合并能得到较高的光电转换效率，可进一步形成对接插板式大型太阳能电池。本发明的有益效果是通过合理的串并联方式，可在获得高光电流的同时得到较高电压，进而提高了整体太阳能电池的输出功率。
文档编号H01L27/30GK101866759SQ20101018741
公开日2010年10月20日 申请日期2010年5月31日 优先权日2010年5月31日
发明者汪娜, 翁韬, 马廷丽 申请人:大连理工大学