光电化学电池的垂直电连接的制造方法与工艺

光电化学电池的垂直电连接本发明涉及光电化学电池(photoelectrochemicalcell)或DSSC(燃料敏化太阳能电池)的垂直电连接。更具体地，本发明涉及与DSSC电池的光伏模块集成的所述电连接的结构以及其实现的工艺。DSSC电池是由两个衬底限定的多层结构构成的光伏电池。通常，所述衬底由透明材料构成(优选玻璃，但PET或PEN也可)且在朝向多层结构的内部的一侧上被导电涂层涂覆，该导电涂层也是透明的(通常为透明导电氧化物，优选掺杂氟或碘的氧化钛，分别表示为FTO和ITO)。光电极(阳极)被布置在两个衬底中，其布置在两个衬底之一的导电涂层上；反电极(阴极)被布置在另一个衬底的导电涂层上；而电解质插入在所述光电极和所述反电极之间。特别地，光电极通常由多孔氧化钛构成，其支撑由可在吸收光子之后传输电子的染料构成的活性材料。反电极通常由铂构成，而电解液通常由碘(I2)和碘化钾(KI)构成。这种类型的光电化学电池已在例如美国专利No.4,927,721中进行了描述；使用在这种类型电池中的材料已在例如美国专利No.5,350,664中进行了描述。究其本质，该结构的导电涂层具有高电阻。此外，这种类型的单个电池不能产生光电化学电池可被寻址的大多数可能应用中所需要的电压水平。因此，为了克服这些缺陷，需要相互串联连接多个光电池，最终产生较大的电压差，从而最小化总电流，即最小化由于导电涂层的电阻引起的功率损失。在实用中，光电化学模块实现在同一个衬底上，即每一个衬底的导电涂层被分成多个电隔离区域，通常保持为并排布置的多个条状物，两个衬底之一的导电涂层的每一个区域被放置在与另一个衬底的导电涂层的区域重合并且与其在横向上仅稍微偏移的位置上，光电化学电池在两个衬底的每一对重叠区域之间实现。通过与同一衬底集成连接而被串联连接，从而获得并排的光电化学电池，该衬底在模块的实现期间制造。与衬底集成的串联连接可根据不同的模式制造，已知的如Z连接、W连接和外部连接。根据说明书中稍后将详细阐释的一种配置，类似Z的连接由一系列垂直接触(contact)构成，布置在并排的两个电池之间的间隔中，特别是在两个电池或条状物的长边之间的间隔中，即在由于两个衬底的导电涂层的电隔离区域的交错配置而不用于电池的间隔中，并彼此电连接至两个衬底的导电涂层的相互隔离的区域。类似W的连接是在不需要接触的情况下获得的，但由于根据这一配置的一半电池从反电极一侧被启动，最终光电化学模块的配置往往具有内部电流的不平衡。此外，在同一衬底上光电极和反电极相互交替，从而二氧化钛和铂被沉积并同时经受固化。这表明不能独立对两种材料的固化工艺进行优化，两种材料通常具有不同的优化烧成温度和时间(对于铂为420℃和15分钟，对于二氧化钛为500℃和30分钟)。相反，就外部连接而言，这种连接在模块的边缘制造，接近于形成光电化学电池条状物的短边。电子必须经过长路径以到达模块的边缘，在边缘处单个电池的连接被制造，限制了电池的长度(以防止由于电阻引起的额外损失)并严重危害模块的填充因子，填充因子是描述由设备产生的最大功率和由开路电压乘以闭路电流的乘积之间的比率，并在由电池之间的连接引起的电阻和由电子的长路径引起的电阻的值增加时按比例地减小的特定参数。参照图1，在光电化学模块的两个电池之间示意性地示出了Z型连接配置。特别地，图1示出两个衬底，用数字10标记，在朝向另一衬底的一侧上，每一个衬底通过透明导电涂层11涂覆。导电涂层11通过间隔物12被分成电隔离区域。每一个光电化学电池在包括在两个相对的衬底10的导电涂层11的两个面对面的电隔离区域之间的区域中制造，每一个电池由布置在两个衬底10之一的导电涂层11上的光电极13、布置在另一个衬底10上的导电涂层上的反电极14以及置于所述光电极13和所述反电极14之间的液体电解质构成。每一个电池通过密封件16横向接壤，目的是将液体电解质保持在电池中。通过借助连接两个衬底10之一的导电涂层11的电隔离区域的交错部分和相对衬底10的导电涂层11的电隔离区域的重合交错部分的连接元件17，获得了串联电池的连接。由于导电涂层11的每一个电隔离区域与各自的电极电接触这一事实，因此通过两个相对衬底10中每一个上的导电涂层11，连接元件17允许连接两个并排光电化学电池的电极。通过垂直接触连接的路径可通过三个电阻表示：由布置在第一衬底10上的导电涂层和连接元件17之间的接触电阻构成的第一电阻、由连接元件17本身材料的电阻构成的第二电阻以及由连接元件17和布置在与第一衬底相对的衬底10上的导电涂层11之间的接触电阻构成的第三电阻。根据现有技术，连接元件可通过不同的技术制造：-在两个衬底的导电涂层上沉积导电胶以及在耦合衬底以形成光电化学模块(封装)之前将其固化；-在单个衬底的导电涂层上沉积导电胶以及在耦合衬底以形成光电化学模块(封装)之前将其固化；或-(在一个或两个衬底的导电涂层上)沉积导电胶以及在光电化学模块的密封(通过封装)的步骤期间将其固化。在任意情形下，在导电涂层11的间隔物12的排列并排的位置上，即在导电涂层11的电隔离区域的交错部分上，与一种或多种粘接剂和/或溶剂一起，通过制造胶“条状物”，产生了沉积，该胶“条状物”包括制造一个或两个衬底10的导电涂层11上的连接元件17的材料，因此，通过耦合衬底10以形成光电化学模块，间隔物的排列被稍微交错，使得构成垂直接触的导电元件将相对的衬底10的电隔离区域的导电涂层11进行相互连接。在两个衬底10的导电涂层11上的沉积导电胶和随后在封装之前固化的情形下，固化温度可根据使用的材料进行选择以确保具有低电阻的电接触，特别是参照通过固化导电胶而获得的层和导电涂层之间的界面。在实践中，这些温度通常在500-520℃的范围内，并一直低于550℃(高于此温度，导电涂层和/或衬底有损坏的风险)，从而允许尽可能多地去除胶中的导电材料的所有载体并由此获得高的导电性，尽可能多地接近选择的导电材料的导电性。在这种情形下，如图2示意性地示出，通过布置在相对的衬底10的涂层11上的连接元件的两个部分18’和18”之间简单的机械接触而产生导电，其结果是形成连接元件的两个部分18’和18”之间的电阻不可忽略，但是相反，忽略布置在每一个衬底10上的导电涂层11和连接元件的相应部分18’、18”之间的电阻。此外，以这种方式制造的连接具有随温度升高而产生的导电问题。这是由于制造连接元件的材料和将液体电解质15保持在各个电池中的密封件16的材料之间不同的热行为(热膨胀)引起的。在单个衬底10的导电涂层上沉积导电胶以及在封装以制造连接元件之前将其固化——说明书附图中未示出——的这种情形下，通过连接元件和导电涂层11之间的简单机械接触产生导电，而其上未沉积胶的衬底10的导电涂层11和连接元件之间的电阻不可忽略。图3示出了衬底10的一个或两个的导电涂层11上沉积导电胶以及随后在模块密封(通过封装)的步骤中固化导电胶的情形，以便通过由连接两个相对的衬底10的涂层11的单体构成的连接元件获得接触。然而，在这一情形下，仅在低于可能损伤形成模块元件的温度下，且特别是光电极13的染料和形成密封件16的材料的温度下才可固化导电胶，结果是就导电性而言不能具有优化的特性。在这一情形下，在导电涂层11和连接元件19两侧产生的电阻不能被忽略。而且，除了其性能随着温度升高而衰减的问题之外，这种连接还具有非最佳的导电性。在根据采取在上述方案折中的形式的现有技术的其它技术方案中可能遇到非常类似的问题。例如，US2005/067006公开了串联连接的光电化学电池，其中并排的两个电池的导电涂层(和电极)通过由金属线构成的垂直连接元件进行连接，布置成平行于电池，由低熔点金属涂覆并封装在一层粘接剂中。AU761370公开了与US2005/067006中公开的配置类似的一种配置，其中垂直连接元件包括包含在SiO2基质中的钛布线和钨粒子。EP1603169公开了与US2005/067006中公开的配置类似的一种配置，其中垂直连接元件包括使用低温焊料或基于银的环氧树脂涂覆的金属或合金。US2010/0024875公开了串联连接的光电化学电池，其中并排的两个电池的导电涂层(和电极)通过由多个层构成的垂直连接元件进行连接，其中第一层施加在两个衬底中之一的导电涂层上并在染料施加之前固化，而第二层施加在另一个衬底的导电涂层上并在密闭模块之后以及染料施加之后固化。根据该申请的教导，第一层可通过选择最佳的固化温度、考虑使用的材料而制造，以获得具有低电阻的电接触，而在密闭模块时制造的第二层，如果一方面允许增加所述第一层和相对层的导电涂层之间的接触表面，遵循先前形成的第一层的形状并填充仍可填充的间隔，另一方面，由于其必须在不损坏密封件和/或染料的情形下制造，则就导电性而言，不能具有最佳的特性。在所有这些现有技术文献中，制造用以使不同的光电化学电池串联的连接的效率，受到在两个衬底适配期间或之后经受固化处理的层的存在的不利影响。这一层的影响更重要，因为其与衬底10的导电涂层11直接连接。事实上，由于接触元件和形成导电材料的材料的本质，穿过位于接触元件和导电涂层11之间的界面的电导不可忽略。鉴于上述内容，对具有提高垂直接触的性能增加并提高连接相对于机械和热应力的可靠性的光电化学电池的垂直电连接的需求是明显的。在本文中，根据本发明提出了一种技术方案，其目的是提供一种允许实现两个衬底之一上的导电涂层、连接元件和相对衬底上的导电涂层之间连接的单个路径的连接元件，其在约100℃的温度下也是高导电性的。根据提供光电化学电池的垂直电连接的本发明获得这些和其它结果，垂直电连接是复合型的，即由两个部分和第三部分构成，该两个部分分别与两个相对衬底之一的导电涂层耦合，由具有高紧凑性和导电性的导电材料制成，使用导电涂层进行密封，该第三部分连接前两个部分，由具有低煅烧点的导电材料的胶制成制成。因此本发明的目的是实现能够克服根据现有技术的技术方案的限制的光电化学电池的垂直电连接并获得前述技术效果。本发明进一步的目的是所述连接元件可以以相当低的成本进行制造。并非本发明最后一个目的的目的是实现相当简单、安全且可靠的连接元件。因此本发明的第一个具体目的是一种光电化学电池的垂直电连接，光电化学电池并排布置在两个相对的衬底之间，衬底的至少一个是透明或半透明的且在朝向另一个衬底的一侧上由导电涂层覆盖，该导电涂层通过相应数目的间隔物被分成多个电隔离的并排区域，所述垂直电连接布置在与一个光电化学电池电接触的一个衬底的导电涂层的电隔离区域和与毗邻的一个光电化学电池接触的相对的衬底的导电涂层的电隔离区域之间，其由三个重叠部分构成，即两个第一部分和额外的中间部分，两个第一部分分别与限定所述光电化学电池的两个相对衬底中每一个的导电涂层耦合，由彼此聚集并集成至所述导电涂层的颗粒形式的导电材料构成，额外的中间部分连接耦合至两个衬底中每一个的导电涂层的两个部分，由通过聚合物和/或环氧树脂和/或有机粘接剂的基质构成的导电材料制成，导电材料或导电聚合物的粒子分散在其中。根据本发明，优选与两个衬底中每一个的导电涂层耦合的所述两个部分具有低于0.5的孔隙率(表示为孔隙空间的体积相对于总体积)，包括使用化学型结合的相互聚集的颗...