专利名称：一种用于光伏太阳能建筑一体化的光伏电池装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于可再生能源和建筑材料领域，更具体地，涉及一种可有效结合染料敏化太阳能电池和晶体硅太阳能/薄膜太阳能电池晶体硅太阳能电池各自的特点，并尤其适用于光伏太阳能建筑一体化的光伏电池装置。
背景技术：
光伏太阳能建筑一体化(BIPV)技术是目前将太阳能运用在建筑上的最有效方式之一，即光伏电池不再仅作为建筑结构上的附加品，而是安装在例如屋顶、幕墙、门窗玻璃、墙壁等外围护结构上并与之相结合，由此在作为建筑材料和装饰材料的同时，还能够有效吸收太阳能并转化为电能，从而保证建筑自身用电及向电网供电以缓解高峰电力需求。数据表明，目前中国有480亿平方米建筑面积，如果对其中的10%采用BIPV系统，将构成500GW的太阳能专属市场，这将极大促进薄膜太阳能技术的发展要求，同时使得薄膜玻璃幕墙等产品在国内迈向更广阔的实质性应用。在现有的BIPV技术中，目前使用最多的将非晶体硅太阳能电池作为光伏太阳能建筑一体化材料，例如，CN201043332Y中公开了一种非晶硅光伏建筑一体化产品，其中采用非晶硅半导体材料做成非晶硅太阳能电池片，将此电池片与玻璃粘贴合，由此构成内层为白色透明玻璃、中层为非晶硅太阳能电池片、外层为玻璃并且内外两层和中层之间用铸膜树脂热固粘接而成的非晶硅光电板。然而，非晶硅太阳能电池作为BIPV材料必然存在电池透光率低、颜色单调等缺点；此外，非晶硅太阳能电池的生产制造成本高、工艺复杂，这些因素都阻碍了该技术在光伏太阳能建筑一体化中的应用和发展。染料敏化电池(其中最具代表性的例如Gratzel电池)是通过模拟自然界光合作用原理而研制出来的新型太阳能电池，其主要优点在于原料丰富、成本低、加工制造工艺相对简单。染料敏化太阳能电池显著特点是透明性和颜色可调，可将从各个角度入射的可见光转化为电能，因此适用于各种不同光照条件的应用场合。CN101509306A中公开了一种基于染料敏化太阳能电池的光电一体化建筑，其中将纳米晶半导体浆料直接涂覆到建筑用的带有导电基板上制作半导体薄膜，之后吸附染料，制成半导体光阳极；然后粘接对电极，注入电解液并固化粘接由此制得产品。然而，该产品未能充分利用染料敏化太阳能电池的特点，产品整体光电转化效率有限，限制了其作为光电一体化建筑材料的应用。
实用新型内容针对现有技术的缺陷和技术需求，本实用新型的目的在于提供一种用于光伏太阳能建筑一体化的光伏电池装置，其将染料敏化太阳能电池与晶体硅太阳能/薄膜太阳能电池结合起来并充分利用它们各自的特点，相应可获得色彩图案丰富、光透过率可调，光电转换效率更高的光伏电池装置，尤其适用于光伏太阳能建筑一体化的用途。本实用新型提供了一种用于光伏太阳能建筑一体化的光伏电池装置，其特征在于，该光伏电池装置由染料敏化太阳能电池与晶体硅太阳能电池或者薄膜太阳能电池通过串联、并联或串并联相结合的方式拼接而成，并形成为可安装至建筑的层状结构。作为进一步优选地，所述染料敏化太阳能电池为单层或叠层结构，并包括半导体工作电极、对电极和填充在这两个电极之间的电解质，其中所述半导体工作电极由导电基底、涂覆在该导电基板上的半导体纳米晶膜层、以及吸附在所述半导体纳米晶膜层表面上的光敏染料共同构成；所述对电极对于单层结构的染料敏化太阳能电池而言，其由导电基底和设置在该导电基底上的催化剂层构成，对于叠层结构的染料敏化太阳能电池而言，其由与所用工作电极的半导体类型相反的半导体材料与导电基底相叠合并吸附染料而构成；所述电解质中包含有起空穴传输作用的氧化还原电对。作为进一步优选地，所述染料敏化太阳能电池中的导电基底为透明氧化物导电玻璃或透明导电聚合物。作为进一步优选地，所述染料敏化太阳能电池中的半导体纳米晶膜层由二氧化钛、氧化锌、氧化锡、氧化铌或者氧化镍构成；催化剂层由钼、碳、或者导电聚合物构成。作为进一步优选地，所述染料敏化太阳能电池中的光敏染料为全有机染料、叶啉染料或者金属钌配合物染料。作为进一步优选地，所述染料敏化太阳能电池中的电解质呈固态、液态或者准固态。作为进一步优选地，所述晶体硅太阳能电池包括通过p-n结彼此相连的P型基体层和η型扩散层、以及分别设置在P型基体层和η型扩散层上用于引出所产生电能的上下电极。作为进一步优选地，所述光伏电池装置安装在建筑的外围护结构上，所述外围护结构包括玻璃幕墙、采光屋顶、门窗玻璃或者墙壁。作为进一步优选地，所述光伏电池装置的光透过率通过改变染料敏化太阳能电池和晶体硅太阳能电池之间的串并联连接方式、或者改变染料敏化太阳能电池的透明度来调
難
iF.0作为进一步优选地，所述染料敏化太阳能电池的颜色通过使用吸收波长不同的染料和电解质来调整。作为进一步优选地，所述染料敏化太阳能电池的图案通过使用吸收波长不同的染料、改变导电基底上半导体纳米晶膜的形状或者改变染料敏化太阳能电池与硅太阳能电池或薄膜太阳能电池之间的串并联方式调整。总体而言，按照本实用新型的光伏电池装置与现有技术相比，主要具备以下的技术优点:1、通过将染料敏化太阳能电池和晶体硅太阳能电池二者结合起来用于建筑结构上，能够在强光条件时发挥后者的高光电转换效率的特点，而在弱光或光照角度不良的条件时，充分发挥前者在此环境下转换效率相对更高的优点，从而满足全天候的光电转换要求；2、在更好地利用太阳能发电环保节能同时，通过对染料敏化太阳能电池和晶体硅太阳能电池的连接和排列方式进行改变，可以相应对光伏电池装置的光透过率、光转换效率根据需要进行调整，具有适用面更广的特点；3、对染料敏化太阳能电池中各组件的设置方式和类型进行调整，能够丰富光伏建筑材料在颜色、图案、透明度上的选择，同时制备工艺简单、成本低、可直接作为建筑材料使用，适用于光伏太阳能建筑一体化的各类用途。
图1是按照本实用新型的光伏电池装置的构成示意图；图2是图1中所示的染料敏化太阳能电池的结构示意图。在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中:1-染料敏化太阳能电池；2-晶体硅太阳能电池；11_半导体工作电极12-对电极；13_电解质；111-导电基底；112-半导体纳米晶膜层；113-光敏染料；121-导电基底；122-催化剂层。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，
以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。考虑到现有技术中的基于染料敏化太阳能电池的光伏一体化建筑的存在光电转换效率较低的缺陷，本发明人经过大量的对比和研究，决定选择晶体硅太阳能/薄膜太阳能电池与染料敏化太阳能电池组合起来构成新型的光伏电池装置，该装置能够在强光条件时发挥晶体硅太阳能电池的高光电转换效率的特点，在弱光或光照角度不良的条件时充分发挥染料敏化太阳能电池在此环境下转换效率相对更高的优点，从而保证将该装置大面积运用于建筑物外围护结构如屋顶、幕墙、门窗玻璃、墙壁等，能够满足不同条件下的光电高效转换要求，同时获得装置整体外观图案丰富、光透过率可调特点，并且具有便于加工制造、结构紧凑，成本低等多方面的优点。下面将以染料敏化太阳能电池与晶体硅太阳能电池的组合为例来说明本实用新型，而染料敏化太阳能电池与薄膜太阳能电池之间的组合与此相类似。图1是按照本实用新型光伏电池装置的整体构成示意图。如图1中所示，按照本实用新型光伏电池装置的基本组成包括染料敏化太阳能电池I和晶体硅太阳能电池2，两者之间通过串联、并联或者串并联相结合的方式进行拼接，由此构成了可安装至建筑的层状结构。为了便于与建筑之间的大面积安装及获得更高的太阳能利用效果，对于各个染料敏化太阳能电池1，其内部可以为单层或叠层结构；此外，还可以将更多数量的染料敏化太阳能电池I和晶体硅太阳能电池2按照各种适当的排列方式，并通过串联、并联或者串并联相结合的方式拼接起来，由此形成大面积的电池阵列结构。在一个优选实施例中，多个光伏电池装置拼接所形成的电池阵列结构例如呈平板形或者曲面板形，这样能够更方面地、紧密地安装到建筑的具备不同表面的各种外围护结构上。在另外一个优选实施例中，所述外围护结构可以包括建筑的玻璃幕墙、采光屋顶、门窗玻璃、墙壁，以及其他任何适用于实现光伏太阳能建筑一体化的结构。图2是图1中所示的染料敏化太阳能电池的结构示意图。如图2中所示，染料敏化太阳能电池I包括半导体工作电极11、对电极12和电解质13，其中对电极12与半导体工作电极11相互对置，譬如通过热熔胶粘结起来以构成内腔，电解质13填充在该内腔中，并含有氧化还原电对。此外，通过从两个电极分别引出导线，即可将内部光电转换所产生的直流电流输出并予以收集。半导体工作电极11由导电基底111、涂覆在导电基板111上的半导体纳米晶膜层112、以及吸附在半导体纳米晶膜层112表面上的光敏染料113共同构成，其中导电基底11可以选择譬如为FTO导电玻璃的透明氧化物导电玻璃，或者透明导电聚合物等；半导体纳米晶膜层112可以选择由二氧化钛、氧化锌、氧化锡、氧化铌或者氧化镍等无机半导体材料构成；光敏染料113可以选择为全有机染料、叶啉染料、或者金属钌配合物等。对电极12由导电基底121和设置在该基底上的催化剂层122组成，其中导电基底121可以选择择FTO导电玻璃或透明导电聚合物等，催化剂层122可以由钼、碳、导电聚合物或其他对电解质13中的氧化还原电对起到催化作用的材料构成。电解质13例如呈固态、液态或譬如熔融盐及离子的准固态形式，并包含起空穴传输作用的氧化还原电对。下面将举例描述染料敏化太阳能电池的制作过程。
首先是半导体工作电极的制作步骤:可以采用激光或是锌粉和盐酸将FTO导玻璃上不需要导电的导电膜掺氟氧化锡腐蚀掉并形成条状，并在各个条状之间通过丝网印刷上细条银浆以便收集电流；在有导电膜且没有银浆的地方用酒精、乙基纤维素和松油醇配制的直径10-400纳米的二氧化钛浆料丝网印刷，然后c度烧结30分钟后形成8-20微米厚的半导体纳米晶膜层；接着，将有半导体纳米晶膜层的FTO导电玻璃冷却至8(Γ100度后，浸泡在 0.3mM 钌染料(NaRu(H2dcbpy) (dmbpy) (NCS)2,其中:H2dcbpy=4, 4_ 二羧酸 _2，2_ 联批P ，dmbpy=4, 4_ 二壬基_2，2-联卩比唳，NCS=硫氰根)的乙腈溶液中12个小时左右,制成半导体工作电极。对电极的制作步骤是:首先在FTO导电玻璃上打两个孔，然后在有导电膜的一面涂上一层六氯钼酸的异丙醇溶液，最后在400-500度烧结形成一层钼的催化剂层。染料敏化太阳能电池所用电解液的组成为1，3- 二甲基咪唑碘，碘，1- 丁基-1氢-苯并咪唑，硫氰酸胍，溶剂为甲氧基丙腈。当完成染料敏化太阳能电池各个组件部分的制作之后，需要将其组装起来:将热熔胶裁剪成合适大小，将其贴在工作电极中二氧化钛薄膜的四周，然后将对电极有Pt层的一面向内盖在工作电极上，固定工作电极和对电极的相对位置，加热并同时加压然后冷却，这样工作电极与对电极即粘到了一起。接着，把电解质通过对电极上的小孔注入到电池内。注入完电解质后封住小孔；然后在电池玻璃边缘用超声焊锡改善电子的收集能力，并从两级引出导线。对于晶体硅太阳能电池或者薄膜太阳能电池2，其晶体硅太阳能电池主要结构包括通过P-n结彼此相连的P型基体层和η型扩散层、以及分别设置在P型基体层和η型扩散层上用于引出所产生电能的上下电极。它的基本工作原理是:当可见光照射到硅晶体表面时，一部分光子被硅材料吸收并将能量传递给硅原子，由此使得电子发生跃迁成为自由电子在P-n结两侧聚集形成电位差；当外部接通电路时，将有电流流过外部电路并产生输出功率。其薄膜太阳能电池，其主要结构是在绝缘性基板上依次叠层透明电极层、薄膜半导体层、内面电极层。它的基本工作原理是利用P-N结半导体的光伏效应将光能直接转换成电能的。在本实用新型中，所述晶体硅太阳能电池和薄膜太阳能电池2可以按照GB/T14007-92来规定。[0034]在图1中，染料敏化太阳能电池I和晶体硅太阳能电池2之间的联接采用的是常用的串联方式，即染料敏化太阳能电池与晶体硅太阳能电池之间以正负极相联。通过对图1中的光伏电池装置进行光透过率测试，可以看出单独使用晶体硅太阳能电池时的光透过率基本为0，而本实用新型中的光伏电池装置在可见光范围内的光透过率可达到30%左右。此外，通过使用图1中所示的光伏电池装置在入射光强度20% (20mW/cm2，标准太阳光条件)的环境下进行测试，测试结果表明:其中染料敏化太阳能电池的开路电压为672mV，短路电流为密度4.25mA/cm2,填充因子为0.77，效率为9.35% ;晶体硅太阳能电池的开路电压为395mV，短路电流为密度10.1mA/cm2，填充因子为0.53，效率为10.5% ;而对于由两者共同组成的光伏电池装置来说，其开路电压为1073mV，短路电流为密度3.59mA/cm2，填充因子为
0.55，效率为10%以上。以上数据证明按照本实用新型的光伏电池装置，即便在光照条件不理想的情况下，也能实现高光透过率大和较高的光电转换效率，满足全天候进行光电转换的要求，并尤其适用于光伏太阳能建筑一体化的用途。此外，按照本实用新型的光伏电池装置的整体光透过率和光电转换效率可以通过以下途径而得以改变:例如对多个染料敏化太阳能电池和晶体硅太阳能电池之间的电连接方式进行调整，或者是对其中的染料敏化太阳能电池的透明度进行改变。为了改变染料敏化太阳能电池自身的透明度，可以通过对其光敏染料的光吸收特性以及染料层的厚度来实现。此外，按照本实用新型的光伏电池装置除了起到转换电能、节省能源的作用之外，还能够对所安装的建筑起到装饰作用。例如，可以通过使用吸收波长不同的染料、改变导电基底上半导体纳米晶膜的形状或者改变染料敏化太阳能电池与硅太阳能电池或薄膜太阳能电池之间的串并联方式等，来改变染料敏化太阳能电池的半导体工作电极的图案，由此实现不同的视觉效果；半导体工作电极的颜色可以通过改变纳米晶浆料上吸附的光敏染料和电解质的颜色而改变。本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
权利要求1.一种用于光伏太阳能建筑一体化的光伏电池装置，其特征在于，该光伏电池装置由染料敏化太阳能电池(I)与晶体硅太阳能电池或者薄膜太阳能电池(2)通过串联、并联或串并联相结合的方式拼接而成，并形成为可安装至建筑的层状结构。
2.如权利要求1所述的光伏电池装置，其特征在于，所述染料敏化太阳能电池(I)为单层或叠层结构，并包括半导体工作电极(11)、对电极(12)和填充在这两个电极之间的电解质(13)，其中所述半导体工作电极由导电基底(111)、涂覆在该导电基板上的半导体纳米晶膜层(112)、以及吸附在所述半导体纳米晶膜层(112)表面上的光敏染料(113)共同构成；所述对电极对于单层结构的染料敏化太阳能电池而言，其由导电基底(121)和设置在该导电基底上的催化剂层(122)构成，对于叠层结构的染料敏化太阳能电池而言，其由与所用工作电极的半导体类型相反的半导体材料与导电基底相叠合并吸附染料而构成；所述电解质中包含有起空穴传输作用的氧化还原电对。
3.如权利要求2所述的光伏电池装置，其特征在于，所述染料敏化太阳能电池中的导电基底(111，121)为透明氧化物导电玻璃或透明导电聚合物。
4.如权利要求2或3所述的光伏电池装置，其特征在于，所述染料敏化太阳能电池中的光敏染料为全有机染料、叶啉染料或者金属钌配合物染料。
5.如权利要求2或3所述的光伏电池装置，其特征在于，所述染料敏化太阳能电池中的电解质呈固态、液态或者准固态。
6.如权利要求1所述的光伏电池装置，其特征在于，所述光伏电池装置安装在建筑的外围护结构上，所述外围护结构包括玻璃幕墙、采光屋顶、门窗玻璃或者墙壁。
7.如权利要求1或6所述的光伏电池装置，其特征在于，所述光伏电池装置的光透过率通过改变染料敏化太阳能电池和晶体硅太阳能电池之间的串并联连接方式、或者改变染料敏化太阳能电池的透明度来调整。
8.如权利要求1或2所述的光伏电池装置，其特征在于，所述染料敏化太阳能电池的颜色通过使用吸收波长不同的染料和电解质来调整。
9.如权利要求1或2所述的光伏电池装置，其特征在于，所述染料敏化太阳能电池的图案通过使用吸收波长不同的染料、改变导电基底上半导体纳米晶膜的形状或者改变染料敏化太阳能电池与硅太阳能电池或薄膜太阳能电池之间的串并联方式调整。
专利摘要本实用新型公开了一种用于光伏太阳能建筑一体化的光伏电池装置，该光伏电池装置由染料敏化太阳能电池和晶体硅/薄膜太阳能电池通过串联、并联或串并联相结合的方式拼接而成，并形成为可安装至建筑的层状结构。通过本实用新型，可以将染料敏化太阳能电池与硅太阳能电池或薄膜太阳能电池结合起来并充分利用它们各自的特点，相应可获得色彩图案丰富、光透过率高、光电转换效率更高的光伏电池装置，并尤其适用于光伏太阳能建筑一体化的用途。
文档编号H02N6/00GK202949381SQ20122051228
公开日2013年5月22日 申请日期2012年10月8日 优先权日2012年10月8日
发明者王鸣魁, 白杰, 李志鸿, 徐晓宝, 鲁建峰, 曹昆, 崔金 申请人:华中科技大学