软基纳米半导体敏化薄膜太阳能电池及制造方法

专利名称:软基纳米半导体敏化薄膜太阳能电池及制造方法
技术领域：
本发明涉及一种太阳能电池及制造方法，尤其是一种生产工艺简单、造价低廉、重量轻、使用方便的软基纳米半导体敏化薄膜太阳能电池及制造方法。
背景技术：
以往，太阳能电池都是在玻璃基底上用单晶硅或多晶硅制成的光伏型光电池，不但造价高，而且效率低，通常多晶硅光电池效率只有10％左右，单晶硅光电池也只有14％左右。为了提高光电池的效率，目前太阳能电池多采用的是纳米半导体敏化薄膜太阳能电池，其效率可达18～40％。纳米半导体敏化薄膜太阳能电池的生产方法是取具有导电层的基体，将超微粒(纳米级)二氧化钛熔胶—凝胶坯料或氧化锌熔胶—凝胶坯料、三氧化铁熔胶—凝胶坯料涂覆在导电层上，经过300～600℃高温煅烧，形成半导体多孔电极，然后用窄禁带量子尺寸的半导体硫化镉、硫化铅进行修饰，形成纳晶半导体电极层，再经过卟啉、肽菁有机体染料敏化纳晶半导体电极层，形成染料敏化层，从导电层上引出电池阳极接线；在另一块基体上镀涂金属(Pt)电极层，在金属电极层上设置液态电解质层或涂覆固态电解质层，从金属电极层上引出电池阳极接线；将两块基体复合在一起，应保证染料敏化层与电解质层相对应，电池阴极接线与电池阳极引线不相重合。由于现有生产方法需用300～600℃高温煅烧，因此存在以下问题1.基体必需是耐高温材料，故现有基体所采用的是耐高温的玻璃板材，不但成本高，而且涂覆二氧化钛等熔胶—凝胶坯料时，只能采用浸渍提拉涂覆、旋转涂覆、喷涂法以及丝网印刷法等，生产效率低，对涂层的形状、厚度、尺寸等难以控制，直接影响光电池的质量；2.由于煅烧温度高、时间长，不但浪费大量能源，增大生产成本，而且会促使纳米粒子晶核快速生长，容易形成电极粒径大晶型；3.煅烧难以击穿二氧化钛表面的氧化膜，影响半导体修饰效果；4.受玻璃板材尺寸限制，只能制成小功率单块电池。

发明内容
本发明是为了解决现有技术所存在的上述问题，提供一种生产工艺简单、造价低廉、重量轻、使用方便的软基纳米半导体敏化薄膜太阳能电池及制造方法。
本发明的技术解决方案是一种软基纳米半导体敏化薄膜太阳能电池，由基体1、导电层2、纳晶半导体电极层及染料敏化层3、固态电解质层4、金属电极层5、基体6复合而成，与导电层2相接有电池阳极接线7，与金属电极层5相接有电池阴极接线8，所述的基体1、6是软质绝缘层，所述的导电层2是ITO薄膜。
所述的软质绝缘层是PET或PI塑料薄膜。
所述的纳晶半导体电极层是TiO2层。
一种软基纳米半导体敏化薄膜太阳能电池的制造方法，其特征在于有如下步骤a.在ITO薄膜2上印刷纳晶半导体电极层坯料；b.将纳晶半导体电极层坯料经过低温等离子场处理，并经半导体修饰、染料敏化形成纳晶半导体电极层及染料敏化层3；c.将ITO薄膜2、纳晶半导体电极层及染料敏化层3剪下并粘接在软质绝缘层1上，制作电池阳极接线7；d.在软质绝缘层6上镀金属电极层5；e.在金属电极层5上涂固态电解质层4并制作电池阴极接线8；f.将软质绝缘层1与软质绝缘层6复合，其中的纳晶半导体电极层及染料敏化层3与电解质层4相对应，电池阴极接线与电池阳极引线不相重合。
所述的低温等离子场的电压是3～50KV，频率是40～50KHz。
所述的等离子场中充有氢气或氢气与氩气或氢气与氖气。
本发明同现有技术最大的区别是用低温等离子场处理纳晶半导体电极层坯料。由于低温等离子场中等离子体温度在104K，较高的电子密度和较高的等离子体频率，使得低温等离子体的离子速度快、穿透能力强，因此，本发明具有以下优点1.高温度等离子体与纳米颗粒未接触部位产生放电，生成焦耳热，大大促进纳米颗粒原子的扩散，使受热均匀，能够使纳晶半导体电极层坯料中的有机物、水、杂质等迅速气化，处理时间短，节约能源；同时等离子体带能量少，纳晶半导体电极层坯料中纳米颗粒受离子撞击温度快速升高，脉冲间隔时间温度快速下降可避免纳米粒子晶核长大，晶型稳定，可控性高，可将纳米粒子直径控制在3～100μm；2.使纳晶半导体电极层坯料上的氧化膜在一定程度上被击穿，使表面得以净化和活化，产生活性基团，为纳晶半导体电极层半导体修饰、染料敏化提供了较好的吸附条件；3.由于电子能量较低，作用时间极短，能够迅速活化表面生成游离基，无脉冲期间快速冷却，在下一脉冲到来时已恢复到初态，可以对基材温度上升起抑制作用，因此，可以在低温基材表面制备纳晶半导体电极层，即可用软质绝缘层作为基体。用软质绝缘层作为基体的优点如下①.软质绝缘层成本较低，使得整个产品造价低廉，便于普及；②.可以将软质绝缘层卷制成卷，用凹板印刷工艺印制纳晶半导体电极层坯料，印刷速度快、生产效率高，而且形状、尺寸、厚度的可控性强；③.可以将成卷的软质绝缘层一边放卷、一边收卷，用导向轴导向、平等压辊传动，连续通过等离子场进行等离子体处理，处理效率高、成本低；④.可以不受尺寸限制，制成相互串联、并联的高电压大功率电池。
图1是本发明实施例1、2a、b步骤中产品的结构示意图。
图2、3是本发明实施例1c步骤中产品的结构示意图。
图4是本发明实施例1d、e步骤中产品的结构示意图。
图5、6是本发明实施例2的产品结构示意图。
图7是本发明实施例1、2的等离子场处理设备结构示意图。
具体实施方式下面将结合本发明的具体实施方式
。
实施例1a.如图1所示用凹板印刷工艺在ITO薄膜2上印刷纳晶半导体电极层坯料，烘干后收卷待用。通常ITO薄膜是符合在塑料绝缘薄膜上，如在PET或PI塑料薄膜上镀ITO薄膜，外购即可；纳晶半导体电极层坯料可同现有技术，即微粒(纳米级)二氧化钛或氧化锌、三氧化铁熔胶—凝胶坯料。
b.将印刷在ITO薄膜上的纳晶半导体电极层坯料经过低温等离子场处理，并经半导体修饰、染料敏化形成纳晶半导体电极层及染料敏化层3；低温等离子场的形成如图7所示，有平行设置并与电源E相接的相并联正极板9、负极板10，在极板间两端设置有导向轴11、12、导向轴11、12之间有多个平等压辊13，同时设置有放卷轴14、收卷轴15。电源E向正负极板9、10提供产生低温等离子场的直流脉冲电压，产生低温等离子场的电晕脉冲上升前沿极陡，宽度极窄，只有质量轻的电子才能被加速产生“非平衡等离子体”，最好是3～50KV，频率是40～50KHz。成卷的软质绝缘层一边放卷、一边收卷，用导向轴导向、平等压辊传动，连续通过等离子场进行等离子体处理。半导体修饰、染料敏化工艺均同现有技术。
c.如图2、3所示将ITO薄膜2、纳晶半导体电极层及染料敏化层3单块剪下并粘接在软质绝缘层1上，如PET或PI塑料薄膜，制作电池阳极接线7；d.如图4所示在软质绝缘层6上真空蒸镀单块金属电极层5，如铂层；e.在金属电极层5上涂固态电解质层4并制作电池阴极接线8，固态电解质层4同现有技术；f.将软质绝缘层1与软质绝缘层6用胶粘合在一起，其中的纳晶半导体电极层及染料敏化层3与电解质层4相对应，电池阴极接线与电池阳极引线不相重合。即制成软基纳米半导体敏化薄膜太阳能电池，由基体1、导电层2、纳晶半导体电极层及染料敏化层3、固态电解质层4、金属电极层5、基体6复合而成，与导电层2相接有电池阳极接线7，与金属电极层5相接有电池阴极接线8，所述的基体1、6是软质绝缘层(PET或PI塑料薄膜)，所述的导电层2是ITO薄膜。
实施例2a.如图1所示用凹板印刷工艺在ITO薄膜2上印刷纳晶半导体电极层坯料，烘干后收卷待用。通常ITO薄膜是符合在塑料绝缘薄膜上，如在PET或PI塑料薄膜上镀ITO薄膜，外购即可；纳晶半导体电极层坯料可同现有技术，即微粒(纳米级)二氧化钛或氧化锌、三氧化铁熔胶—凝胶坯料，最好是微粒(纳米级)二氧化钛熔胶—凝胶坯料b.将印刷在ITO薄膜上的纳晶半导体电极层坯料经过低温等离子场处理，并经半导体修饰、染料敏化形成纳晶半导体电极层及染料敏化层3；低温等离子场的形成如图7所示，有平行设置并与电源E相接的相并联正极板9、负极板10，在极板间两端设置有导向轴11、12、导向轴11、12之间有多个平等压辊13，同时设置有放卷轴14、收卷轴15。电源E向正负极板9、10提供产生低温等离子场的直流脉冲电压，产生低温等离子场的电晕脉冲上升前沿极陡，宽度极窄，只有质量轻的电子才能被加速产生“非平衡等离子体”，最好是3～50KV，频率是40～50KHz。成卷的软质绝缘层一边放卷、一边收卷，用导向轴导向、平等压辊传动，连续通过等离子场进行等离子体处理。如果需要制作高活性晶格，则与向等离子场通入还原性气体，如氢气等，或者氢气与氩气的混合气体，或者是氢气与氖气的混合气体。半导体修饰、染料敏化工艺均同现有技术。
c.如图4、5所示可根据制作电压大小只需要，将多块ITO薄膜2、纳晶半导体电极层及染料敏化层3剪下并粘接在软质绝缘层1上，如PET或PI塑料薄膜，制作电池阳极接线7；d.如图4所示在软质绝缘层6上真空蒸镀多块金属电极层5，如铂金层；e.在金属电极层5上涂固态电解质层4并制作电池阴极接线8，固态电解质层4同现有技术；f.将软质绝缘层1与软质绝缘层6用胶粘合在一起，其中的纳晶半导体电极层及染料敏化层3与电解质层4相对应，ITO薄膜2与金属电极层5部分重叠(相串联)，电池阴极接线与电池阳极引线不相重合。即制成高电压软基纳米半导体敏化薄膜太阳能电池，由基体1、导电层2、纳晶半导体电极层及染料敏化层3、固态电解质层4、金属电极层5、基体6复合而成，与导电层2相接有电池阳极接线7，与金属电极层5相接有电池阴极接线8，所述的基体1、6是软质绝缘层(PET或PI塑料薄膜)，所述的导电层2是ITO薄膜。
权利要求
1.一种软基纳米半导体敏化薄膜太阳能电池，由基体(1)、导电层(2)、纳晶半导体电极层及染料敏化层(3)、固态电解质层(4)、金属电极层(5)、基体(6)复合而成，与导电层(2)相接有电池阳极接线(7)，与金属电极层(5)相接有电池阴极接线(8)，其特征在于所述的基体(1)、(6)是软质绝缘层，所述的导电层(2)是ITO薄膜。
2.根据权利要求
1所述的软基纳米半导体敏化薄膜太阳能电池，其特征在于所述的软质绝缘层是PET或PI塑料薄膜。
3.根据权利要求
1或2所述的软基纳米半导体敏化薄膜太阳能电池，其特征在于所述的纳晶半导体电极层是TiO2层。
4.一种软基纳米半导体敏化薄膜太阳能电池的制造方法，其特征在于有如下步骤a.在ITO薄膜(2)上印刷纳晶半导体电极层坯料；b.将纳晶半导体电极层坯料经过低温等离子场，并经半导体修饰、染料敏化形成纳晶半导体电极层及染料敏化层(3)；c.将ITO薄膜(2)、纳晶半导体电极层及染料敏化层(3)剪下并粘接在软质绝缘层(1)上，制作电池阳极接线(7)；d.在软质绝缘层(6)上镀金属电极层(5)；e.在金属电极层(5)上涂固态电解质层(4)并制作电池阴极接线(8)；f.将软质绝缘层(1)与软质绝缘层(6)复合，其中的纳晶半导体电极层及染料敏化层(3)与电解质层(4)相对应。5.根据权利要求
4所述的软基纳米半导体敏化薄膜太阳能电池的制造方法，其特征在于所述的低温等离子场的电压是3～50KV，频率是40～50KHz。
6.根据权利要求
4或5所述的软基纳米半导体敏化薄膜太阳能电池的制造方法，其特征在于所述的等离子场中充有氢气或氢气与氩气或氢气与氖气。
专利摘要
本发明公开一种软基纳米半导体敏化薄膜太阳能电池，由基体(1)、导电层(2)、纳晶半导体电极层及染料敏化层(3)、固态电解质层(4)、金属电极层(5)、基体(6)复合而成，与导电层(2)相接有电池阳极接线(7)，与金属电极层(5)相接有电池阴极接线(8)，所述的基体(1)、(6)是软质绝缘层，所述的导电层(2)是ITO薄膜。纳晶半导体电极层坯料是通过低温等离子场处理而形成纳晶半导体电极层，具有生产工艺简单、造价低廉、重量轻、使用方便等优点。
文档编号H01G9/20GK1996619SQ200610134934
公开日2007年7月11日 申请日期2006年12月21日
发明者栾松, 栾文彦, 栾竹 申请人:栾松, 栾文彦, 栾竹