专利名称：用于染料敏化太阳能电池的真空自动封装方法
技术领域：
本发明属于染料敏化太阳能电池生产工艺技术领域，尤其涉及一种用于染料敏化太阳能电池的真空自动封装方法。
背景技术：
随着全球人口近年来的增加，能源衰竭和全球性的污染已经成为不可忽视的问题。而太阳能作为一种取之不尽用之不竭的可再生的能源，在人类寻求新型能源的历程中， 有着其不可替代的重要作用。太阳能电池是一种通过光电效应或者光化学效应直接把光能转换成电能的装置。因为太阳能电池只是消耗太阳光，不需要运动部件，运行非常可靠，而且对环境没有影响，自然成为人类最理想的能源。光电转化现象由法国科学家Henri Becqyerel于1839年首次观察到，直到1卯4 年Bell实验室的科学家成功地制备了具有p-n结的太阳能电池，其光电转化效率达到6%， 这是第一种可实用性的太阳能电池。目前，晶体硅太阳能电池被广泛应用，占据太阳能电池的主要市场。但是晶体硅太阳能电池有着一定的局限性，例如相对成本高，太阳能光电转换效率相对低，硅片厚度较厚等等。与此同时，薄膜太阳能电池引起了人们的兴趣，并有了一定程度的产业应用。与晶体硅相比，薄膜太阳能电池的成本下降较大，而且转换效率进一步提升且具有大面积生产潜力，因此市场占有率有进一步提升的空间，但由于其工艺复杂和成本仍然较高，限制了其发展。而作为90年代发展起来的染料敏化太阳能电池，是一种新型的太阳能电池。1991 年，瑞士科学家Gratzel等人首次利用纳米技术将染料敏化太阳能电池的转化效率提高到 7%。染料敏化太阳能电池借助于目前迅猛发展的纳米技术，以其低成本和环境友好等特点，作为第三代太阳能电池技术被人们广泛研究，并得以快速发展。染料敏化太阳能电池主要包括工作电极、电解质和对电极。其中，可以通过在导电基片上制备多孔半导体薄膜后，将染料分子吸附在多孔膜上形成工作电极；对电极一般是镀有钼金属层的导电玻璃；电解质中含有氧化还原对，可以是液态、准固态或者固态，常用的电解质是含13/14离子的液态。染料敏化太阳能电池采用上述的“三明治”结构，在应用到大面积电池产品上时， 为保证电池性能的稳定，通常需要电池良好的密封性且电解质厚度保持均勻。与此同时，由于电解液一般具有较强的氧化性和较高的挥发性，为了保证染料敏化太阳能电池使用需要的较长的寿命，对封装技术也提出了更高的要求。现有技术中，染料敏化太阳能电池通常先在一块导电玻璃上钻孔作为注入孔，在导电玻璃四周利用密封材料形成密封腔体，再通过导电玻璃的注入孔注入电解质，最后完成注入孔的密封。现有技术的密封方法需要较复杂的封装工艺，而且封装自动化和可重复性较差，导致封装难度增加、成品率降低
发明内容
(一)要解决的技术问题本发明要解决的技术问题是如何提高染料敏化太阳能电池封装的可重复性和自动化程度。(二)技术方案为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于染料敏化太阳能电池的真空自动封装方法，包括以下步骤Si、采用丝网印刷的方法把浆料印制在用于制备工作电极的导电基片上，以使得所述浆料被印制成若干相互隔离的片状薄膜，每块导电基片上的片状薄膜之间预留一段空隙以便于封装；S2、将利用步骤Sl得到的导电基片进行烧结，然后进行浸泡，得到工作电极；S3、将垫层掺入液态封装胶内；S4、将掺入垫层的液态封装胶置入自动涂胶设备内搅拌，使垫层在液态封装胶中均勻分布，形成封装材料；并将所述封装材料在工作电极的片状薄膜之间的空隙中均勻涂覆，得到涂敷完封装材料的工作电极；然后对所述封装材料进行预固化，得到涂敷有半固化封装材料的工作电极；S5、利用自动滴注装置在预固化后的封装材料内滴注电解液；S6、在真空条件下，将对电极覆盖于涂敷有半固化封装材料的工作电极上，并对覆盖有对电极的工作电极施加均勻的压力，使其平整并去除引入其中的空气；S7、对工作电极中的封装材料再次进行固化，得到染料敏化电池。其中，所述导电基片为掺F的氧化锡导电玻璃。其中，所述浆料为TW2纳米颗粒浆料，相应地，所形成的片状薄膜为TW2矩形片状薄膜。 其中，所述垫层由相同规格的绝缘颗粒组成。其中，所述垫层由同一直径的球形绝缘颗粒组成。其中，所述液态封装胶为紫外线固化胶。其中，所述T^2纳米颗粒浆料为利用溶胶-凝胶法制备而成的浆料。其中，步骤S2具体为，将印制有TiO2矩形片状薄膜的导电基片置于退火炉中， 在450°C 550°C之间的温度下烧结30 60分钟，烧结完成后取出基片，置于染料中浸泡 24 48小时，得到工作电极。(三)有益效果相对于传统的染料敏化太阳能电池的封装工艺，本发明采用自动点胶、自动滴注电解液的封装方式，得到了高效大面积染料敏化太阳能电池，具体来说，1)利用自动涂胶设备控制封装的图形，利用垫层的直径控制工作电极和对电极之间的距离以及电解质的厚度，提高大面积电池封装的可重复性，实现电池两极板之间的对准和小单元电池之间的隔离，有利于高效大面积电池的生产和应用；2)在真空气氛中整平压合工作电极和对电极时，有效除去了滴注电解液过程中可能引入的空气，防止太阳能电池中空气的引入造成的有效面积的减小。3)通过选用由同一直径的球形颗粒组成的垫层，可以控制液态电解液的使用，有效调整电解液部分的阻抗，提高电池的性能；
4)可以使用强抗腐蚀性能液态封装胶，利用了其强粘着性能和良好的密封性，缩短了封装时间，提高了封装成品率和产品的寿命。
图1是本发明的方法流程图；图2是根据本发明实施例的在FTO导电玻璃上的丝印TW2薄膜；图3是根据本发明实施例的制作好的工作电极；图4是根据本发明实施例的在真空气氛中电池的整合压平过程；图5是根据本发明实施例的完整的染料敏化电池。图中1FT0导电玻璃；2退火前的TW2薄膜；3退火后的TW2薄膜；4对电极；5掺入垫层的固化胶；6电解液。
具体实施例方式下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式
作进一步详细说明。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。如图1所示，并参考图2 5，本发明实施例的方法包括以下步骤Si、采用丝网印刷技术把TiO2纳米颗粒浆料印制在用于制备工作电极的导电基片 (优选为掺F的氧化锡导电玻璃(FT0导电玻璃1))上，以使得所述TiO2纳米颗粒浆料被印制成若干相互隔离的TiA矩形片状薄膜(可简称为TiA薄膜)。每块导电基片上的TiA 薄膜之间预留一段空隙(为图2中四片薄膜之间的间隔)以便于封装。其中，使用前，FTO导电玻璃1要经过超声水浴清洗后烘干，作用是清洁导电玻璃， 保证退火后的TiA与FTO导电玻璃良好的接触效果。其中，制备TiA纳米颗粒浆料的过程为利用溶胶-凝胶法制备纳米TiA纳米颗粒浆料配制一定量浓度的三乙胺溶液50mL、0. lmol/L乙酸钛溶液250mL ；在强烈搅拌下， 将三乙胺溶液加入到乙酸钛溶液中；为了使TiO2颗粒均勻，防止颗粒快速团聚，使用滴液漏斗将三乙胺溶液缓慢地加入到乙酸钛溶液中；随着三乙胺溶液的加入，有白色絮状物生成；不断搅拌，经过1 左右，变成稳定的溶胶；然后过滤，除去大颗粒的TiO2后得到所需的 TiO2纳米颗粒浆料。其中，使用丝网印制机丝印TW2纳米颗粒浆料，所用的丝网印刷机的丝网为300 目，TiO2薄膜之间的预留距离为3mm。其中，印制过程具体为将FTO导电玻璃1放置于丝网印制机的载台上，盖上丝网， 盖上丝网时将FTO导电玻璃1对准丝网上事先制好的可通过浆料的图形，用刮刀沾TiA纳米颗粒浆料用力在丝网的图形上均勻刮涂TiO2纳米颗粒浆料，其厚度约为7um-10um。如图 2所示，为FTO导电玻璃1上印制有退火前的TW2薄膜2的示意图。S2、将丝印完成的导电基片进行烧结，然后进行浸泡，得到工作电极。具体为将印制有TiO2薄膜的导电基片置于退火炉(例如马弗炉)中，在450°C 550°C之间(优选为 5000C )的温度下烧结30 60分钟(优选为60分钟)，烧结完成以后取出基片，置于N719 染料中浸泡M 48小时(优选为36小时)。经染料浸泡后的工作电极如图4所示。基片上的TW2薄膜中的颗粒平均半径约为40nm，膜厚为7. 0 μ m。
接下来将工作电极用于电池的组装。S3、将0. Ig直径为20 μ m的垫层(spacer)掺入5g紫外线固化胶内，得到混合体， 即掺入垫层的固化胶5。S4、将混合体置入自动涂胶设备内，用机械搅拌使垫层在紫外线固化胶中均勻分布，形成封装材料，在形成封装材料的过程中，利用所述自动涂胶设备控制封装材料的图形。使用与自动涂胶设备配套的直径为ΙΟΟμπι的涂胶针头，将混合均勻的封装材料在工作电极的TiO2薄膜之间的空隙中均勻涂覆。将涂敷好的封装材料置于紫外线固化机内，使用 365nm、强度为lOOmw/cm2的紫外光照射10秒，完成封装材料的预固化，形成半固化状态的封装材料，从而得到涂敷有预固化封装材料的工作电极。所述的预固化是将封装材料半固化的过程，使封装材料有一定的粘性，又不至于完全固化。所述自动涂胶设备为现有设备， 只要是能够完成自动涂胶的设备即可。例如，可以是由计算机控制，根据用户设定的轨迹涂覆胶水的设备。S5、利用手动或者自动滴注装置在预固化后的封装材料内滴注电解液6。所述自动滴注装置为现有设备，只要是能够完成自动滴注的设备即可。例如，可以是由计算机控制， 根据用户的需要，以一定的流量将特定量的电解液滴注到封装材料内的设备。S6、用机械泵将所需的真空腔体抽为200-20000pa(优选为5000pa)的真空气氛， 在该真空条件下将对电极4(电池的背电极)覆盖于涂覆好封装材料的工作电极上，并用自动压合装置施加均勻的压力，使其平整并去除引入空气，从而提高电池封装的成品率。S7、将此自动压合装置放于紫外线固化机内，使用峰值为365nm，强度为lOOmw/cm2 的紫外光照射20s，将封装材料再次进行固化，以得到完整的染料敏化电池，如图5所示。由以上实施例可以看出，本发明工艺简单，工艺参数可控性高，封装时间短，在该工艺参数条件下封装的可靠性和成品率高，并且采用在液态胶中掺入垫层的方法控制电池厚度和电解质用量，隔离工作电极和对电极。本发明可以用于高效大面积染料敏化太阳能电池的封装。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种用于染料敏化太阳能电池的真空自动封装方法，其特征在于，包括以下步骤51、采用丝网印刷的方法把浆料印制在用于制备工作电极的导电基片上，以使得所述浆料被印制成若干片状薄膜，所述若干片状薄膜相互间隔一定的距离布置在所述导电基片上；52、将利用步骤Sl得到的导电基片进行烧结，然后进行浸泡，得到工作电极；53、将垫层掺入液态封装胶内；54、将掺入垫层的液态封装胶置入自动涂胶设备内搅拌，使垫层在液态封装胶中均勻分布，形成封装材料；并将所述封装材料在工作电极的片状薄膜之间的间隔中均勻涂覆，得到涂敷完封装材料的工作电极；然后对所述封装材料进行预固化，得到涂敷有半固化封装材料的工作电极；55、利用自动滴注装置在预固化后的封装材料内滴注电解液；56、在真空条件下，将对电极覆盖于涂敷有半固化封装材料的工作电极上，并对覆盖有对电极的工作电极施加均勻的压力，使其平整并去除引入其中的空气；57、对工作电极中的封装材料再次进行固化，得到染料敏化电池。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述导电基片为掺F的氧化锡导电玻璃。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述浆料为T^2纳米颗粒浆料，相应地，所形成的片状薄膜为T^2矩形片状薄膜。
4.如权利要求1 3任一项所述的方法，其特征在于，所述垫层由相同规格的绝缘颗粒组成。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述垫层由同一直径的球形绝缘颗粒组成。
6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述液态封装胶为紫外线固化胶。
7.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述T^2纳米颗粒浆料为利用溶胶-凝胶法制备而成的浆料。
8.如权利要求3、6、7中任一项所述的方法，其特征在于，步骤S2具体为，将印制有TW2 矩形片状薄膜的导电基片置于退火炉中，在450°C 550°C之间的温度下烧结30 60分钟，烧结完成后取出基片，置于染料中浸泡M 48小时，得到工作电极。
9.一种利用权利要求1、2、3、6、7中任一项所述的方法制备的染料敏化太阳能电池，其特征在于，包括工作电极，其包括工作电极、电解质和对电极。
全文摘要
本发明属于染料敏化太阳能电池生产工艺技术领域，尤其涉及一种用于染料敏化太阳能电池的真空自动封装方法。该方法中，采用丝网印刷的方法制备TiO2薄膜，采用自动涂胶设备形成封装胶所需图形并进行预固化，将电解液利用自动滴注装置滴注到封装胶构成的图形内，在真空气氛中进行整平压合，最终完成电池的封装过程。本发明工艺简单，工艺参数可控性高，封装时间短，封装的可靠性和成品率高，并且采用在液态胶中掺入垫层的方法控制电池厚度和电解质用量，隔离工作电极和对电极。可以用于高效大面积染料敏化太阳能电池的封装。
文档编号H01M14/00GK102231333SQ20111008452
公开日2011年11月2日 申请日期2011年4月6日 优先权日2011年4月6日
发明者付思迪, 刘力锋, 刘晓彦, 康晋锋, 王旭, 范志伟 申请人:北京大学