一种大面积染料敏化太阳能电池及其制造方法
【专利摘要】本发明公开一种高效大面积染料敏化太阳能电池，包括光阳极和对电极，所述光阳极包括导电基体和TiO2层，在导电基体的与TiO2层接触的一面印制有金属导电栅，在所述金属导电栅栅线的表面包覆有玻璃保护层；所述对电极包括导电基体和铂催化层，在导电基体的与铂催化层接触的一面印制有金属导电栅，在所述金属导电栅栅线的表面包覆有玻璃保护层。本发明能有效提高大面积DSSC的光电转换效率，增加单位面积太阳光利用率的同时可有效提高大面积DSSC的效率及寿命，进而有效的降低大面积DSSC的制备成本。
【专利说明】一种大面积染料敏化太阳能电池及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于太阳能电池领域，具体涉及一种具有较高的光电转换效率的大面积染 料敏化太阳能电池及其制造方法。
【背景技术】
[0002] 染料敏化太阳能电池被评为第三代太阳能电池（DyeSensitizedSolarCells, 简称DSSC)，作为新型太阳电池，自Gratzel教授1991年在实验室小面积（〈0. 2cm2)取得 7. 1%的光电转换效率以来，引起了越来越多的科学家重视，随着技术的进步，目前光电转换 效率已达到15% (面积0.285cm2)。DSSC主要由导电基体、半导体电极、染料敏化剂、电解 质溶液和对电极组成，是一类有机无机复合型光电化学太阳电池。与硅基太阳能电池相比， 其具有原材料丰富；电池两面均可以吸光发电，且弱光条件下也可发电；可制备出半透明 或不同颜色的电池；同时具有质量轻、可制成便于携带的柔性器件。
[0003] 但在DSSC实用化研究中发现，随着电池面积的不断增加，电池的填充因子迅速减 小，电池光电转换效率变小，无法达到实用化的要求。在小面积DSSC中我们可以获得较理 想的伏安特性曲线和参数，如开路电压Voc，短路电流密度Jsc，填充因子FF，短路电流和光 电效率Π等，其填充因子可以达到60%以上。随着电池面积逐渐增大，如面积5cmX5cm以 上，电池的伏安特性发生了明显的变化，与小面积DSSC相比，填充因子FF和光电转换效率 Π大大减小。从DSSC物理模型可以看出，其主要原因是DSSC基体(如TCO导电玻璃，PET 等)表面电阻的影响，即电子传输路程太长，从而导致电子在传输过程中的损耗增大。因此， 要想在大面积电池中获得好的电池伏安特性曲线，获得更高的电池效率，必须减少电池中 电子在DSSC基体表面传输的损失。
[0004]目前解决DSSC中电子在DSSC基体表面传输损失的常见方法是将大面积电池改为 条状电池，并在条状DSSC电极四周制备低电阻的银(铝)栅电极，从而减少电子的传输距离， 减小电子传输路径的电阻，电池性能得到较大的改善，使得电池的性能接近小面积电池的 性能。但该方法将大面积的DSSC转化为若干个条状DSSC，一方面会降低单位面积上DSSC 有效发电单元面积；另一方面各独立的条状DSSC需独立的电解液灌装孔洞，孔洞的增多大 大增加了电解液封装的难度，同时因电解液对银(铝）栅的腐蚀，加剧大面积DSSC效率的衰 减。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是解决现有染料敏化太阳能电池因面积增大后光电转换效率下降 严重的问题，提供一种大面积染料敏化太阳能电池及其制造方法。
[0006] 本发明实现上述目的所采用的技术方案如下： 一种大面积染料敏化太阳能电池，包括光阳极和对电极，所述光阳极包括导电基体和TiO2层，在导电基体的与TiO2层接触的一面印制有金属导电栅，在所述金属导电栅的栅线 表面包覆有玻璃保护层；所述对电极包括导电基体和钼催化层，在导电基体的与钼催化层 接触的一面印制有金属导电栅，在所述金属导电栅的栅线表面包覆有玻璃保护层。
[0007] 所述导电基体为FTO导电玻璃、TCO导电玻璃或导电PET。
[0008] -种大面积染料敏化太阳能电池的制造方法，步骤如下： (1) 导电基体的前处理； (2) 采用网目120T?200T的丝网，将金属导电浆料印刷至经步骤（1)处理的导电基体 上，于150?510°C烧结5?60min，得到印有金属导电栅的导电基体； (3) 采用丝网印刷，在对应于金属导电栅栅线的位置上印刷玻璃粉浆料，于300? 500°C烧结15?60min，得到玻璃保护层； (4) 在经步骤（3)得到的导电基体上，用网目40T?140T的丝网印刷TiO2浆料，于 300?550°C烧结5?300min，得到光阳极； (5) 在经步骤（3)得到的导电基体上用网目70T?250T的丝网印刷钼浆料，于300? 450°C烧结5?300min，得到对电极； (6 )将光阳极和对电极组装得到大面积染料敏化太阳能电池。
[0009] 进一步，步骤（1)所述的前处理为： (a) 导电基体清洗； (b) 将清洗的导电基体放入40mmol/L的TiCl4水溶液中，70°C处理5?30min，降至 室温，取出，用去离子水冲洗，放于马弗炉先于60?80°C烘干，再于125?450°C烧结5? 15min〇
[0010] 经上述处理后可在导电基体的表面产生一层薄的、致密的TiO2薄膜，该TiO2薄膜 作为阻挡层，从而抑制由导电基体上的光生电子与电解液中之间所形成的暗电流，进而得 到光电转换效率高的DSSC。
[0011] 进一步，步骤（2 )所述金属导电浆料为银浆或铝浆。
[0012] 进一步，步骤（3)所述玻璃粉浆料是通过将粒径为0. 01?5μm的玻璃粉超声分散 于松油醇、乙基纤维素、流平剂和乙醇的混合液中，再旋转蒸发得到。为保证印刷和烧结时 玻璃层的平整和线宽，松油醇：乙基纤维素：流平剂质量比=(4?6):(6?2) :1，玻璃粉 浆料中玻璃粉含量为30?80wt%，可印刷0. 04mm?0. 5mm的精细玻璃粉线条。松油醇与乙 基纤维素比值直接影响所制浆料的粘度，比值越大，所制浆料粘度越低，如松油醇：乙基纤 维素大于6 :1时，浆料粘度太低，印刷后线条扩展严重，导致大面积DSSC的受光面积降低， 进而影响转换效率。添加流平剂可以防止覆盖其上的TiO2层或钼催化层出现应力集中点， 从而避免大面积DSSC电极烧结时发生剥离。
[0013] 进一步，步骤（4)所述TiO2浆料是通过以下方法得到：向含10?1281102的120ml TiO2乙醇分散液中依次加入40g松油醇，4g0P-10,55gl0wt%乙基纤维素乙醇溶液，得到的 胶体状溶液进行机械搅拌和超声搅拌，交替处理三次，再于40°C的水浴中加热，进行旋转蒸 发，得到粘度为2. 15X105mPa*s的TiO2浆料，其中，TiO2的粒径分布为IOnm彡粒径< 20nm 占24%、20nm占64%、20nm<粒径彡30nm占12%。采用该种TiO2浆料可重复印刷而不会产 生龟裂，高温烧结后，颗粒间结合性能好，不易剥落。
[0014] 本发明适用于大面积DSSC制备（50cm2以上），能有效提高大面积DSSC的光电转 换效率，增加单位面积太阳光利用率的同时可有效提高大面积DSSC的寿命，进而有效的降 低大面积DSSC的制备成本，对DSSC的应用有较好的促进作用。
【专利附图】
【附图说明】
[0015] 图1为本发明的大面积染料敏化太阳能电池，其中，（101、108)-导电基体，102-金 属导电栅，103-玻璃保护层，KM-TiO2层，105-钼催化层，106-封装材料，107-电解液。
[0016] 图2为本发明的大面积染料敏化太阳能电池的电性能曲线。
【具体实施方式】
[0017] 以下结合实施例和附图对本发明做进一步详细说明。
[0018]TiO2浆料可以采用商用产品，如Dyesol18NR-T型TiO2浆料，然而商用TiO2浆料 一般容易出现龟裂、剥落等问题，为克服这些问题，可以采用以下方法得到的TiO2浆料：向 含10?12g1102的12〇1111 1102乙醇分散液中依次加入40g松油醇，4g0P-10,55gl0wt%乙 基纤维素乙醇溶液，得到的胶体状溶液进行机械搅拌和超声搅拌，交替处理三次，再于40°C 的水浴中加热，进行旋转蒸发，得到粘度为2. 15X105mPa*s的TiO2浆料，其中，TiO2的粒径 (按数量计，用电镜统计)分布为IOnm彡粒径< 20nm占24%、20nm占64%、20nm<粒径彡30nm 占 12%。
[0019] 实施例1 本发明的大面积染料敏化太阳能电池结构如图1所示，包括相对设置的光阳极和对电 极，在光阳极和对电极之间的腔体中灌注电解液，用热容胶或紫外固化胶等常用胶将光阳 极和对电极所构成的腔体的周边密封，其中，所述光阳极包括导电基体和TiO2层（由传递层 和散射层构成)，在导电基体的与TiO2层接触的一面印制有呈网格状的金属导电栅，在所述 金属导电栅的栅线表面包覆有玻璃保护层；所述对电极包括导电基体和钼催化层，在导电 基体的与钼催化层接触的一面印制有呈网格状的金属导电栅，在所述金属导电栅的栅线表 面包覆有玻璃保护层。
[0020] 具体制造过程如下： 所述玻璃粉浆料的制备：采用商用BP075型玻璃粉，粒径0. 6微米，取IOg玻璃粉超声 分散于130ml乙醇液中，依次加入12g松油醇，2g流平剂0P-10,57. 2g8wt%乙基纤维素乙 醇溶液，得到的胶体状溶液进行机械搅拌和超声搅拌，交替处理五次，再于40°C的水浴中加 热，进行旋转蒸发乙醇，得到29g玻璃粉含量为35wt%的玻璃粉浆料。
[0021] 导电基体采用FTO导电玻璃(厂商NSG、厚度2. 2mm)，并进行以下前处理： 先用洗洁精水洗30min，自来水冲洗干净，二次水冲洗； 市售专用玻璃清洗液40°C超声波清洗20min，取出； 洗洁精清水洗l〇min，去离子水冲洗，乙醇冲洗，放于烘箱60°C烘干待用； 清洗后的FTO导电玻璃放入40mmol/L的TiCl4水溶液中于70°C处理lOmin，慢慢加 入去离子水使得溶液的温度降至室温，取出，用去离子水慢慢冲洗，放于马弗炉80°C烘干、 125°C烧结lOmin。
[0022] 采用商业的银浆(上海宝银)，用网目140T的丝网，将银浆刷至导电基体，经480°C 烧结IOmin制成导电银栅。
[0023] 采用丝网印刷，按线条宽度比导电银栅栅线宽60Mffl，将上述的玻璃粉浆料印刷覆 盖在导电银栅各细栅线上，经500°C烧结15min形成玻璃保护层。
[0024] 取一块经上述处理得到的导电基体，用网目43T的丝网印刷自制的TiO2浆料，单 次印刷后经450°C烧结IOmin冷却至室温，重复上述操作5次形成光阳极TiO2传递层；随后 在形成的光阳极传递层上用网目43T的丝网印刷商用TiO2浆料（Dyesol18NR-A0系列)，印 刷1层形成光阳极TiO2散射层，最终经510°C烧结20min制成光阳极。
[0025] 取另一块经上述处理得到的覆盖有导电栅线的导电基体，采用商用钼浆料(营口 奥匹维特OPV-Pt-SP型)，通过网目140T丝网印刷，经410°C烧结IOmin制成对电极。
[0026] 电池组装： 将制备完成的光阳极浸入到浓度为〇. 7mmol/L的N719染料中，避光密封，经过24小 时，完成光阳极染料浸泡。
[0027] 将光阳极和对电极保持一定距离相对放置，采用商用紫外固化胶，通过点胶设备， 调节紫外固化设备传输速度和功率，经照射固化后累计能量为2500mJ/cm2,形成光阳极与 对电极四周密封的腔体。
[0028] 通过对电极的一个预留孔洞，采用真空灌装，将商用电解液（台湾永光化学 EL-200型)充满光阳极与对电极形成四周密封的腔体中。灌满电解液后，将预留孔洞密封， 得到面积80cmX80cm的大面积染料敏化太阳能电池。
[0029] 本发明的大面积染料敏化太阳能电池的电性能曲线如图2所示，结果如下：
【权利要求】
1. 一种大面积染料敏化太阳能电池，包括光阳极和对电极，其特征在于：所述光阳极 包括导电基体和Ti02层，在导电基体的与Ti02层接触的一面印制有金属导电栅，在所述金 属导电栅的栅线表面包覆有玻璃保护层；所述对电极包括导电基体和钼催化层，在导电基 体的与钼催化层接触的一面印制有金属导电栅，在所述金属导电栅的栅线表面包覆有玻璃 保护层。
2. 根据权利要求1所述大面积染料敏化太阳能电池，其特征在于：所述导电基体为FTO 导电玻璃、TCO导电玻璃或导电PET。
3. -种大面积染料敏化太阳能电池的制造方法，其特征在于，步骤如下： (1) 导电基体的前处理； (2) 采用网目120T?200T的丝网，将金属导电浆料印刷至经步骤（1)处理的导电基体 上，于150?510°C烧结5?60min，得到印有金属导电栅的导电基体； (3) 采用丝网印刷，在对应于金属导电栅栅线的位置上印刷玻璃粉浆料，于300? 500°C烧结15?60min，得到玻璃保护层； (4) 在经步骤（3)得到的导电基体上，用网目40T?140T的丝网印刷Ti02浆料，于 300?550°C烧结5?300min，得到光阳极； (5) 在经步骤（3)得到的导电基体上用网目70T?250T的丝网印刷钼浆料，于300? 450°C烧结5?300min，得到对电极； (6) 将光阳极和对电极组装得到大面积染料敏化太阳能电池。
4. 根据权利要求3所述大面积染料敏化太阳能电池的制造方法，其特征在于：步骤（1) 所述的前处理为： (a) 导电基体清洗； (b) 将清洗的导电基体放入40mmol/L的TiCl4水溶液中，70°C处理5?30min，降至 室温，取出，用去离子水冲洗，放于马弗炉先于60?80°C烘干，再于125?450°C烧结5? 15min〇
5. 根据权利要求3所述大面积染料敏化太阳能电池的制造方法，其特征在于：步骤（2) 所述金属导电浆料为银浆或铝浆。
6. 根据权利要求3所述大面积染料敏化太阳能电池的制造方法，其特征在于：步骤（3) 所述玻璃粉浆料是通过将粒径为〇. 01?5 y m的玻璃粉超声分散于松油醇、乙基纤维素、流 平剂和乙醇的混合液中，再旋转蒸发得到。
7. 根据权利要求6所述大面积染料敏化太阳能电池的制造方法，其特征在于：所述松 油醇：乙基纤维素：流平剂质量比=(4?6):(6?2): 1，玻璃粉浆料中玻璃粉含量为30? 80wt%〇
8. 根据权利要求3所述大面积染料敏化太阳能电池的制造方法，其特征在于：步骤 (4)所述Ti02浆料是通过以下方法得到：向含10?12gTi02的120ml Ti02乙醇分散液中 依次加入40g松油醇，4g 0P-10,55gl0wt%乙基纤维素乙醇溶液，得到的胶体状溶液进行 机械搅拌和超声搅拌，交替处理三次，再于40°C的水浴中加热，进行旋转蒸发，得到粘度为 2. 15X 105mPa ? s的Ti02浆料，其中，Ti02的粒径分布为10nm彡粒径< 20nm占24%、20nm 占 64%、20nm <粒径彡 30nm 占 12%。
【文档编号】H01L51/44GK104392842SQ201410671278
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年11月21日 优先权日:2014年11月21日
【发明者】何早阳, 朱凯, 顾军, 邹志刚 申请人:南京大学昆山创新研究院