专利名称：基于不锈钢基体的染料敏化太阳能电池保护方法及电池的制作方法
技术领域：
本发明属于太阳能电池技术领域。
背景资料
太阳能作为一种可再生能源，具有其它能源所不可比拟的优点，在当 今能源危机的严峻形式下，世界各国政府对太阳能的研究和应用越来越重
视。自瑞士洛桑高等工业学院的Gi^tzel教授研制出染料敏化纳米晶Ti02 太阳能电池(Dye-sensitized-Ti02 thin film solar cells,简称DSSC) 以来，对染料太阳能电池的研究逐渐引起了国内外学者的广泛关注。该类 电池主要由光阳极、电解液、对极组成。其中，光阳极与对极均是制作在 导电玻璃上，目前，Gr^tzel研究小组研究的玻璃基体DSSC最高转换效率 达到11.5%。
传统的玻璃基体DSSC吸引人的特点是其廉价的原材料和简单的制作 工艺，且性能稳定、衰减少。但是其同样存在一些问题，如玻璃比较沉重 并且易碎，给电池的制作、运输、安装带了不便，并限制了它的应用范围。 因此， 一种以柔性材料代替玻璃基体的染料敏化太阳电池逐渐受到人们的 关注。金属基体由于具有柔性、可弯曲，很好的导电性，电阻较小，在电 子传输过程中有利于电子的传输，大大地扩大了电池的应用范围。不锈钢 作为最常用的金属材料之一，具有一定的耐腐蚀性。以不锈钢作为DSSC光 阳极基体材料，该电池具有可弯曲性，导电性好，电阻小等优点，电池结 构参见图1。同时，虽然不锈钢具有一定的耐腐蚀性，但不锈钢基体表面直接浸泡在电解液中，其抗腐蚀性也会随着时间的延长而减低，最终，不 锈钢表面被电解液腐蚀，影响电池的光电转换性能和其长期稳定性。
发明内容
本发明提出一种基于不锈钢基体的染料敏化太阳能电池保护方法及 电池，通过在不锈钢光阳极DSSC基体背面增加一种新的结构，用于保护不
锈钢基体，防止基体被电解液腐蚀，克服不锈钢基体被电解液腐蚀、DSSC
长期稳定性不好的缺点。
本发明的技术方案如下
本发明提出的基于不锈钢基体的染料敏化太阳能电池保护方法是选择
一种其电极电位比染料敏化纳米晶Ti02太阳能电池的不锈钢基体电极电位
更负的活泼金属(合金)，把它连接到不锈钢背面，在两者间密封一定的电 解液，并用导线实现两基体的电连接，建立原电池结构，这种负电位的活 泼金属(合金)在所构成的电化学电池中为阳极而优先腐蚀溶解，释放出 的电子形成负电流，使不锈钢基体阴极极化，电位降至自腐蚀电位以下， 从而抑制不锈钢基体腐蚀，起到基体保护作用。为了使不锈钢基体表面得 到最好的保护。
基于此方法形成的不锈钢基体染料敏化太阳能电池结构是这样的，它 包括光阳极、氧化还原电解液、对极，在作为光阳极的不锈钢基体的背面 连接有电极电位比不锈钢基体的电极电位更负的活泼金属或合金材料，在 所述活泼金属或合金材料和不锈钢基体之间密封有电解液，并在活泼金属 或合金材料和不锈钢基体之间用导线进行电连接。
为了对不锈钢基体形成更好的保护作用，新增的活泼金属或合金材料与不锈钢基体形成的原电池结构中，活泼金属或合金材料需要满足一定的 要求:须有足够负的稳定电位，在工作过程中阳极极化率小，材料的理论电 容量要大，自腐蚀速率小，且电流分布均匀，表面不会沉积难溶的腐蚀产 物，原材料丰富，成本低。工程中常用的新增金属基体电极材料包括镁 和镁合金、锌和锌合金、铝合金三大类，这三类材料的金属板材都能对DSSC 中不锈钢基体起到一定的保护作用，其中，合金板材较纯金属板材腐蚀速 度更快，电子产生速率相应的更快，更易于保护不锈钢基体，同时镁的活
泼性比锌和铝更强，镁合金的稳定电位-1.3 -1.2v，锌合金稳定电位 -1.04 -0.8v，铝合金-1. 18 -0.8v)，与不锈钢开路电位差更大，更有利 于不锈钢表面产生阴极极化，因此，选用镁合金板材作为不锈钢基DSSC结 构中新增金属基体是最优的。
上述结构中，电解液大致可以分为三类，即水溶液、有机溶剂溶液、 熔融盐。普通自来水是最常用的溶剂，介电常数大，且成本最低。以普通 自来水作为镁合金与不锈钢基体间的电解液，在电池两电极的电位差的驱 动作用下，阳极/电解液界面处发生氧化反应，镁失去电子形成镁离子，镁 离子释放出电子后进入电解液，电子留在镁合金表面，在电场作用下，通 过导线到达不锈钢基体，不锈钢基体表面电位降低至腐蚀电位以下，能够 达到阴极保护的作用。
活泼金属或合金材料封装电解液所产生的电流密度应大于不锈钢基体 所需的最小保护电流密度。新增的金属基体面积与不锈钢光阳极基体面积
之间的关系可通过以下方式确定
在不锈钢基DSSC电池中，电解液为中性介质，查经验值，得到不锈钢基体所需最小保护电流密度为4mA/m2，对于实验室研究的小面积DSSC电池， 电池两电极基体尺寸20mmX20腿，电解液作用面积为5腿X 14mm， 因此， 该不锈钢基体需要的保护电流最小值是2.8X10—4mA ，用工作面积为5咖 X14mm的镁合金薄板与不锈钢基体密封一定的普通自来水电解液，该工作 面积的镁合金提供的保护电流计算公式 I AE/R,;
<formula>formula see original document page 7</formula>乙镁合金电极输出电流，A
△E:不锈钢电极与镁合金电极有效电位差，V
Ra:板状镁合金接水电阻，q
S:板状镁合金两边的平均长度，cm
p:蒸馏水的电阻率，q.cm
从计算结果得到相同工作面积的镁合金，在以蒸馏水为电解液的条件下形 成的电流3. 42X 10—4A远大于不锈钢基DSSC中不锈钢所需的最小保护电流， 电流强度比3.42X10-4 A: 2.8X10—4 raA=1221:l，因此，对于实验室研究的 小面积不锈钢光阳极DSSC，可以在不锈钢基体背面与电池电.解液位置相对 应的地方，用镁合金密封少量的蒸馏水，镁合金的工作面积可以根据便于 密封的具体情况适当减少，均能达到保护不锈钢基体的作用。
由此可以得出，每平方厘米镁合金板材能够提供的电流强度为 3.42X10—4X1 /0. 7=4. 89X10—4 A，当制作大面积不锈钢光阳极DSSC时，根据不锈钢基体面.积与镁合金薄
板面积比为1221:1，在不锈钢基体表面平均分布镁合金薄板，为了能使不 锈钢表面的电流分布均匀，把镁合金设置在待保护基体的中心位置。
本发明的优点
本发明通过在不锈钢光阳极DSSC基体背面增加比不锈钢电极电位更 负的活泼金属(合金)，在两基体间密封一定的电解液来建立原电池结构。 经改进后的不锈钢光阳极DSSC结构的优点在于能够通过牺牲金属或合金 阳极来对不锈钢基体提供足够的保护电流，从而克服不锈钢基体被氧化还 原电解液腐蚀、提高不锈钢光阳极DSSC长期稳定性。
图1是现有的不锈钢光阳极DSSC电池的结构示意图； 图2是改进后的不锈钢光阳极DSSC电池的结构示意图； 图3是镁合金在大面积不锈钢基体表面的分布状态图。 图中，1-透明导电对极2-密封材料3-氧化还原电解液4-不锈钢基 体光阳极5-导线6-电解液7-镁合金薄板 -
具体实施方式
以下结合附图具体说明本发明的结构
参见图2，该太阳能电池由不锈钢基体光阳极4、氧化还原电解液3、 透明导电对极l、镁合金薄板7和电解液6组成。镁合金薄板7连接在不 锈钢基体光阳极4的背面，其电极电位比不锈钢基体的电极电位更负，在 镁合金薄板7和不锈钢基体光阳极4之间密封有电解液6，'该封装结构所产生的电流密度应大于不锈钢基体所需的最小保护电流密度。并在镁合金
薄板7和不锈钢基体光阳极4之间用导线5进行电连接。电解液6选用普
通自来水。
对于小面积的太阳能电池，镁合金薄板7封装电解液6所成的封装结 构布置在不锈钢基体光阳极4背面的中心位置为佳，如图2所示。
对于大面积的太阳能电池，镁合金薄板7封装电解液6所成的封装结 构在不锈钢基体光阳极4背面均匀分布为佳，参见图3。
上述结构的太阳能电池，其镁合金薄板封装电解液所成的封装结构在 所构成的电化学电池中为阳极，镁合金薄板会被优先腐蚀溶解，释放出的 电子形成负电流，使不锈钢基体阴极极化，电位降至自腐蚀电位以下，从 而抑制不锈钢基体腐蚀，起到基体保护作用。
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权利要求
1、一种基于不锈钢基体的染料敏化太阳能电池保护方法，其特征是选择一种电极电位比不锈钢基体的电极电位负的活泼金属或合金材料，把它连接到染料敏化太阳能电池的不锈钢基体背面，在活泼金属或合金材料和不锈钢基体之间密封电解液，并用导线实现活泼金属或合金材料和不锈钢基体的电连接，建立原电池结构，通过负电位的活泼金属或合金材料优先腐蚀溶解，释放出的电子形成负电流，使不锈钢基体阴极极化，电位降至自腐蚀电位以下，从而抑制不锈钢基体腐蚀，起到对不锈钢基体的保护。
2、 一种基于不锈钢基体的染料敏化太阳能电池，它包括光阳极、氧化 还原电解液、对极，所述光阳极采用不锈钢基体；其特征在于，在所述不锈 钢基体的背面连接有电极电位比不锈钢基体的电极电位负的活泼金属或合 金材料，在所述活泼金属或合金材料和不锈钢基体之间密封有电解液，并 在活泼金属或合金材料和不锈钢基体之间用导线进行电连接。
3、 根据权利要求2所述的基于不锈钢基体的染料敏化^阳能电池，其特征在于，所述活泼金属或合金材料密封电解液所能产生的电流密度应大 于不锈钢基体所需的最小保护电流密度。
4、 根据权利要求2或3所述的基于不锈钢基体的染料敏化太阳能电池， 其特征在于，活泼金属或合金材料密封电解液所形成的封装结构在不锈钢 基体背面均匀分布。
5、 根据权利要求2或3所述的基于不锈钢基体的染料敏化太阳能电池， 其特征在于，活泼金属或合金材料密封电解液所成的封装结构布置在不锈 钢基体背面的中心位置。
6、 根据权利要求2或3所述的基于不锈钢基体的染料敏化太阳能电池，其特征在于，所述活泼金属或合金材料选用镁、镁合金、锌、锌合金或铝A仝
7、 根据权利要求6所述的基于不锈钢基体的染料敏化太阳能电池，其 特征在于，所述活泼金属或合金材料选用镁合金板材。
8、 根据权利要求2或3所述的基于不锈钢基体的染料敏化太阳能电池， 其特征在于，所述电解液选用水溶液、有机溶剂溶液或熔融盐。
9、 根据权利要求8所述的基于不锈钢基体的染料敏化太阳能电池，其 特征在于，所述电解液选用自来水。
全文摘要
本发明提出一种基于不锈钢基体的染料敏化太阳能电池保护方法，选择一种电极电位比不锈钢基体的电极电位负的活泼金属或合金材料，把它连接到不锈钢基体背面，在活泼金属或合金材料和不锈钢基体之间密封电解液，并用导线实现活泼金属或合金材料和不锈钢基体的电连接，建立原电池结构，通过负电位的活泼金属或合金材料优先腐蚀溶解，释放出的电子形成负电流，使不锈钢基体阴极极化，电位降至自腐蚀电位以下，从而抑制不锈钢基体腐蚀，起到对不锈钢基体的保护，提高不锈钢光阳极DSSC长期稳定性。
文档编号H01G9/20GK101527205SQ20091010307
公开日2009年9月9日 申请日期2009年1月16日 优先权日2009年1月16日
发明者芸 杨, 阮晓莉, 黄光胜 申请人:重庆大学