专利名称：一种高功率染料敏化太阳能电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及太阳能电池，特别是一种高功率染料敏化太阳能电池及其制备和封装
方法。
背景技术：
纳晶染料敏化太阳能电池(DSC)是以染料敏化多孔纳米结构薄膜为光阳极，根据 光生伏特原理，将太阳能直接转换成电能的一种半导体光电器件，是伴随着半导体电化学
发展起来的一个崭新的科学研究领域。1991年，瑞士洛桑高等工业学院Gr^tzel教授所领 导的研究小组，以高比表面积的纳米Ti02多孔膜作为半导体电极，以Ru等有机金属化合物 作为光敏化染料，选用适当的氧化还原电解质做介质，组装成1102纳米晶染料敏化太阳能 电池，其小面积(< lcm2)光电转换效率在AM1.5模拟太阳光照射下达7. 1%，被人们誉为 新一代太阳能电池。这一重大突破为光电化学电池的发展带来了革命性的创新，引起染料 敏化太阳能电池研究的一次热潮。1993年，Grgtzel等再次报道了光电转换效率达到10% 的小面积染料敏化太阳能电池，1997年，光电转效率进一步提高到11%。小面积DSC的光 电转效率这一参数已接近实用化水平。 大面积DSC的研究是这种电池迈向产业化的一个重要步骤，目前也越来越受到关 注。由于单个DSC所生成的电压只有0.7V左右，而实用化太阳能电池所需的电压远高于单 个DSC所能生成的电压，因此将DSC串联起来使用是染料敏化太阳能电池实用化所必需解 决的问题。传统串联DSC组件包括"Z型"和"W型"两种结构。"Z型"DSC组件通过增加内 部耐腐蚀电极的连接把条状DSC串联成大面积电池。制备是需先对透明导电电极上的导电 层进行刻蚀，然后制备单体DSC，单体DSC之间通过高分子材料或玻璃粉分布在低电阻电极 的两侧，保护电极不被电解液腐蚀，该法制备工艺复杂、程序繁琐、稳定性差。而"W型"DSC 组件单体DSC之间主要依靠透明导电薄膜连接，内部电阻大，消耗大，引起效率降低。同时， 传统DSC组件广泛采用昂贵的FTO导电玻璃作为导电基板，因此成本居高不下。因此染料 敏化太阳能电池制作过程中如何解决传统DSC组件工艺复杂、可靠性差、一致性和重复性 差的问题，尤其是简化工艺、降低成本，制备出大功率具有高可靠性的太阳能电池，从而使 得DSC太阳能电池能最终得到广泛应用。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种高功率染料敏化太阳能电池 及制备和封装方法，该太阳能电池具有高功率、高可靠性，其制备工艺的一致性和重复性 好，适用于工业化大规模生产。 本发明的目的是这样实现的一种高功率染料敏化太阳能电池，包括设有低电阻 栅网电极的下基板、透明的上基板，特点是下基板的低电阻栅网电极上间隔设置对电极和 光阳极、边框上设置隔离小球和封接材料，上基板覆盖在下基板上固化成一体，使上、下基 板之间形成一腔室，腔室内填充电解质和染料后由封接材料封装。
所述下基板为玻璃、陶瓷、不锈钢、钛板或聚合物衬底基板，且在衬底基板上制备 低电阻栅网电极。 所述低电阻栅网电极为W、 Pt、 Ti、 Ni、 Mo、 Cu、 Al、 Ag或Au金属电极，采用磁控溅
射、真空蒸发、化学镀、电化学镀、丝网印刷、浸镀、旋涂或超声镀制备在下基板上。 所述对电极、光阳极以阵列式相互间隔排列设置在低电阻栅网电极上，以横向并
联组成太阳能电池(DSC)阵列，各阵列之间相互以串联的方式连接。 所述光阳极为氧化物半导体Ti02、 Zn0、 Sn02或ln203的纳米颗粒、纳米管、棒或纳
米纤维，采用磁控溅射、真空蒸发、化学镀、电化学镀、丝网印刷、浸镀、旋涂或超声镀在低电
阻栅网电极上制备的纳米氧化物多孔互连薄膜电极，且覆盖在低电阻栅网电极上。 所述对电极采用热分解、磁控溅射、蒸镀、电镀、丝网印刷、溶液法在低电阻栅网电
极上制备的金属或碳纳米薄膜电极，且覆盖在低电阻栅网电极上，金属纳米薄膜电极为铂
或钨；碳纳米薄膜电极为碳纳米管、碳纳米纤维、石墨、碳黑或石墨烯。 所述上基板为玻璃或聚合物的透明衬底基板。 所述封装以低熔点玻璃粉、热固化环氧树脂或紫外固化环氧树脂为封接材料将 上、下基板固化成一体。 所述隔离小球为玻璃或聚合物小球，其直径为20 100微米，隔离小球支撑在
上、下基板之间形成间隔均匀的腔室。 所述染料以吸附于纳米多孔薄膜敏化光阳极。 本发明提供的高功率染料敏化太阳能电池的制作方法包括以下几个步骤
a、上、下基板清洗，依次用丙酮、酒精、去离子水分别超声清洗15 20分钟，再用 纯氮吹干； b、制备纳米氧化物半导体浆料； c、制备低电阻率栅网电极、光阳极和对电极； d、干燥和焙烧处理； e、注入染料； f、均匀混合隔离小球和封接材料； g、混合封接材料在上、下基板的边框上预留两电解质注入口 ； h、在上、下基板上覆盖一透明的上基板，通过烧结或紫外固化，封装电池； i、灌入电解质并密封注入口。 本发明在传统硅太阳能电池的电极上制作光阳极和对电极阵列，相互间隔排列以 并联的方式组成染料敏化太阳能电池(DSC)阵列，DSC阵列与阵列之间通过衬底上沉积的 低电阻电极相互以串联的方式组成大面积DSC组件。染料吸附在光阳极上，电池表面覆盖 一透明基板，通过低熔点玻璃粉或环氧树脂封接边框，上、下基板间填充电解质及隔离小 球，使得DSC内部两极间的间距保持均匀不变，具有大电流、大电压和大功率，大大改善了 电池的可靠性、工艺的一致性和重复性，适用于大规模生产。
图1为本发明结构示意图
图2为本发明制备、封装示意图
图3为本发明DSC组件并联、串联连接示意图
具体实施例方式
参阅附图1 附图3，包括设有低电阻栅网电极3的下基板2、透明的上基板l，在 下基板2的低电阻栅网电极3上间隔设置对电极4和光阳极5、边框设置隔离小球6和封接 材料7，上基板1覆盖在下基板2上固化成一体，使上基板1与下基板2间形成一腔室8，腔 室8内填充电解质和染料后由封接材料7封装。 上述下基板2为玻璃、陶瓷、不锈钢、钛板或聚合物衬底基板，且在衬底基板上制 备低电阻栅网电极3。 上述低电阻栅网电极3为W、 Pt、 Ti、 Ni、 Mo、 Cu、 Al、 Ag或Au金属电极，采用磁控
溅射、真空蒸发、化学镀、电化学镀、丝网印刷、浸镀、旋涂或超声镀制备在下基板2上。 上述对电极4、光阳极5以阵列式相互间隔排列设置在低电阻栅网电极3上，以横
向并联组成太阳能电池(DSC)阵列，各阵列之间相互以串联的方式连接。 上述光阳极5为氧化物半导体Ti02、 Zn0、 Sn02或ln203的纳米颗粒、纳米管、棒或
纳米纤维，采用磁控溅射、真空蒸发、化学镀、电化学镀、丝网印刷、浸镀、旋涂或超声镀在低
电阻栅网电极3上制备纳米氧化物多孔互连薄膜电极，且覆盖在低电阻栅网电极3上。 上述对电极4采用热分解、磁控溅射、蒸镀、电镀、丝网印刷、溶液法在低电阻栅网
电极3上制备金属或碳纳米薄膜电极，且覆盖在低电阻栅网电极3上，金属纳米薄膜电极为
铂或钨，碳纳米薄膜电极为碳纳米管、碳纳米纤维、石墨、碳黑或石墨烯。 上述上基板1为玻璃或聚合物的透明衬底基板。 上述封装以低熔点玻璃粉、热固化环氧树脂或紫外固化环氧树脂为封接材料7将 上基板1与下基板2固化、封装成太阳能电池(DSC)组件。 上述隔离小球6为玻璃或聚合物小球，其直径为20 100微米，隔离小球6支撑 在上基板1与下基板2之间的边框上形成间隔均匀的腔室8，腔室8内填充电解质和染料， 染料吸附在光阳极5的纳米氧化物多孔互连薄膜上。 下面结合具体实施例对本发明所述的高功率染料敏化太阳能电池的封装方法、制
作工艺方法作进行说明。 实施例1 陶瓷基板太阳能电池 参阅附图l，按照制作染料敏化单体太阳电池的工艺方法制备Ti02胶体溶液并配 成浆料，并准备铂对电极4、栅网电极3、丝网印刷浆料，将隔离小球6均匀混合入低熔点玻 璃粉准备封装材料7，准备制备Ti02纳米多孔薄膜、钼对电极4，栅网电极3，玻璃粉线。
参阅附图2 附图3，制备工艺及步骤 (1)下基板2为陶瓷材质的衬底基板，并对其进行清洗，依次用丙酮、酒精、去离子 水分别超声清洗15分钟，再用纯氮吹干； (2)在下基板2上丝网印刷各功能层，包括栅网电极3、纳米Ti02薄膜的光阳极5、 铂对电极4，混合隔离小球6的玻璃粉线； (3)干燥处理，每印刷完一功能层，样品置于对流炉于100 15(TC干燥处理10 15分钟;
(4)焙烧处理，将上述样品置于玻璃熔化炉在450 50(TC温度下焙烧10 15分 钟； (5)焙烧后，在下基板2表面覆盖玻璃材质的上基板1，在520 55(TC温度下进行 玻璃熔化，严密密封； (6)利用6 8Bar的气压系统，采用循环泵将染料从灌注口 9在室温下注入，染料 注入时间为20 24h，将染料吸附在光阳极5的纳米氧化物多孔互连薄膜上；
(7)在室温下将电解质从灌注口 9注入液态电解质，并保持持续注入1 1. 5分 钟，去除染料渣子，然后停止泵入，让电解质保持在电池组件中。如果是利用离子电解质，样 品需加热到7(TC减少电解质的粘度，然后再灌注离子电解质； (8)利用高分子材料(如密封Surlyn， Dupont或紫外固化胶)密封灌注口 9。 实施例2 不锈钢基板太阳能电池 参阅附图l，按照制作染料敏化单体太阳电池的工艺方法制备Ti02胶体溶液并配 成浆料，并准备铂对电极4、栅网电极3、丝网印刷浆料，将隔离小球6均匀混合入低熔点玻 璃粉准备封装材料7，准备制备Ti02纳米多孔薄膜、钼对电极4，栅网电极3，玻璃粉线。
参阅附图2 附图3，制备工艺及步骤 (1)下基板2为不锈钢材质的衬底基板，并对其进行清洗，依次用丙酮、酒精、去离 子水分别超声清洗15分钟，再用纯氮吹干； (2)在下基板2上喷洒玻璃的隔离小球6，隔离小球6均匀稀疏的分布在整块下基 板2的表面； (3)在下基板2上丝网印刷各功能层，包括栅网电极3、纳米Ti02薄膜的光阳极5、 铂对电极4 ; (4)干燥处理，每印刷完一功能层，样品置于对流炉于100 15(TC干燥处理10 15分钟; (5)焙烧处理，将上述样品置于玻璃熔化炉在450 50(TC温度下焙烧10 15分 钟； (6)吸附染料，将染料吸附在光阳极5的纳米氧化物多孔互连薄膜上； (7)用丝网印刷或点胶的方法涂上紫外固化胶于下基板2的边框，留两电解质灌
注口 9，如附图3所示，在下基板2表面覆盖塑料材质的透明上基板1在紫外灯下固化； (8)在室温下将电解质从灌注口 9注入液态电解质，并保持持续注入1 1. 5分
钟，去除染料渣子，然后停止泵入，让电解质保持在电池组件中。如果是利用离子电解质，样
品需加热到7(TC减少电解质的粘度，然后再灌注离子电解质； (9)利用紫外固化胶密封灌注口 9。 实施例3 聚合物基板太阳能电池 参阅附图l，按照制作染料敏化单体太阳电池的工艺方法制备Ti02胶体溶液并配 成浆料，并准备铂对电极4、栅网电极3、丝网印刷浆料，将隔离小球6均匀混合入低熔点玻 璃粉准备封装材料7，准备制备Ti02纳米多孔薄膜、钼对电极4，栅网电极3，玻璃粉线。
参阅附图2 附图3，制备工艺及步骤
(1)下基板2为聚合物材质的衬底基板，并对其进行清洗，依次用丙酮、酒精、去离 子水分别超声清洗15分钟，再用纯氮吹干； (2)在下基板2上喷洒玻璃的隔离小球6，隔离小球6均匀稀疏的分布在整块下基 板2的表面； (3)在下基板2上溅射栅网电极3、铂对电极4 ; (4)通过压印或丝网印刷在光阳极5上沉积一层Ti02薄膜； (5)干燥或水热处理，将上述样品置于对流炉或水热反应釜于100 15(TC温度下 干燥处理10 15分钟； (6)吸附染料，将染料吸附在光阳极5的纳米氧化物多孔互连薄膜上； (7)用丝网印刷或点胶的方法涂上紫外固化胶于下基板2的边框，留两电解质灌
注口 9，如附图3所示，在下基板2表面覆盖塑料材质的透明上基板1在紫外灯下固化； (8)在室温下将电解质从灌注口 9注入液态电解质，并保持持续注入1 1. 5分
钟，去除染料渣子，然后停止泵入，让电解质保持在电池组件中。如果是利用离子电解质，样
品需加热到7(TC减少电解质的粘度，然后再灌注离子电解质； (9)利用紫外固化胶密封灌注口 9。
权利要求
一种高功率染料敏化太阳能电池，包括设有低电阻栅网电极的下基板、透明的上基板，其特征在于下基板的低电阻栅网电极上间隔设置对电极和光阳极、边框上设置隔离小球和封接材料，上基板覆盖在下基板上固化成一体，使上、下基板之间形成一腔室，腔室内填充电解质和染料后由封接材料封装。
2. 根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于所述下基板为玻璃、陶瓷、不锈钢、 钛板或聚合物衬底基板，且在衬底基板上制备低电阻栅网电极。
3. 根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于所述低电阻栅网电极为W、 Pt、 Ti、 Ni 、Mo、Cu、Al 、Ag或Au金属电极，采用磁控溅射、真空蒸发 化学镀、电化学镀、丝网印刷、浸 镀、旋涂或超声镀制备在下基板上。
4. 根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于所述对电极、光阳极以阵列式相互 间隔排列设置在低电阻栅网电极上，以横向并联组成太阳能电池(DSC)阵列，各阵列之间 相互以串联的方式连接。
5. 根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于所述光阳极为氧化物半导体1102、 Zn0、 Sn02或ln203的纳米颗粒、纳米管、棒或纳米纤维，采用磁控溅射、真空蒸发、化学镀、电 化学镀、丝网印刷、浸镀、旋涂或超声镀在低电阻栅网电极上制备的纳米氧化物多孔互连薄 膜电极，且覆盖在低电阻栅网电极上。
6. 根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于所述对电极采用热分解、磁控溅射、 蒸镀、电镀、丝网印刷、溶液法在低电阻栅网电极上制备的金属或碳纳米薄膜电极，且覆盖 在低电阻栅网电极上，金属纳米薄膜电极为铂或钨；碳纳米薄膜电极为碳纳米管、碳纳米纤 维、石墨、碳黑或石墨烯。
7. 根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于所述上基板为玻璃或聚合物的透明 衬底基板。
8. 根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于所述封装以低熔点玻璃粉、热固化 环氧树脂或紫外固化环氧树脂为封接材料将上、下基板固化成一体。
9. 根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于所述隔离小球为玻璃或聚合物小 球，其直径为20 100微米，隔离小球支撑在上、下基板之间形成间隔均匀的腔室。
全文摘要
本发明公开了一种高功率染料敏化太阳能电池，包括设有低电阻栅网电极的下基板、透明的上基板，特点是下基板的低电阻栅网电极上间隔设置对电极和光阳极、边框上设置隔离小球和封接材料，上基板覆盖在下基板上固化成一体，使上、下基板之间形成一腔室，腔室内填充电解质和染料后由封接材料封装。本发明与现有技术相比具有大电流、大电压和大功率，大大改善了电池的可靠性、工艺的一致性和重复性，适用于大规模生产。并适用于工业化大规模生产。
文档编号H01L51/42GK101694819SQ20091019750
公开日2010年4月14日 申请日期2009年10月21日 优先权日2009年10月21日
发明者张丁文, 李晓冬, 黄素梅 申请人:华东师范大学;