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CN101872686B - 一种染料敏化太阳能电池模块的制备方法 - Google Patents

一种染料敏化太阳能电池模块的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种染料敏化太阳能电池模块的制备方法，为了能够采用四氯化钛的修饰技术，通过首先使用有机材料制作绝缘层来保护银栅电极，然后放入四氯化钛溶液中浸泡处理，保证银栅电极处理时不被腐蚀，浸泡处理完成后再将有机绝缘层完全烧结掉，然后在银栅电极上制作无机绝缘层，保证电池模块长期稳定性，提高串/并联大面积电池模块的光电转换效率。

Description

一种染料敏化太阳能电池模块的制备方法
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，特别涉及一种染料敏化太阳能电池模块的制备方法。
背景技术
染料敏化太阳能电池制作工艺简单，价格相对低廉，其具有潜在的高光电转换效率，极有可能取代传统硅系太阳能电池，成为未来太阳能电池的主导。目前，在标准条件下，染料敏化太阳能电池的能量转化效率已超过了11％。
电池生产中所使用的基板，一般为掺铟氧化锡(ITO)或掺氟氧化锡(FTO)等透明导电膜的玻璃基板或其它柔性透明材料。而ITO或FTO较银、铜等金属的方阻大，在应用于染料敏化太阳能电池制作，特别是大面积的电池模块的时候，光电转换效率下降明显。目前常用的方法是通过在导电基底上设置金属或其它高电导率材料作为栅电极，并通过大量的金属栅电极将大面积电池分割为若干个电池单元，减少电子在导电膜中传输的距离，提高电池的性能。同时必须在金属栅电极的表面制备一层绝缘层，以防止电解液对栅电极金属的腐蚀。
追求染料敏化太阳能电池高的光电转化效率已经成为研究的热点，如中国专利CN101452772A采用四氯化钛溶液修饰二氧化钛薄膜层，提高了二氧化钛薄膜电子传导率，使导电玻璃和电解液之间形成一层障碍层，减小了复合电流，减缓了光激发电压随时间的衰减变化，提高了光电转换效率。但是在大面积的电池模块制作时，二氧化钛薄膜层进行四氯化钛溶液处理时，会严重腐蚀金属栅电极，即使是金属栅电极上制备了无机绝缘层，也会被溶液腐蚀，从而造成电解质溶液渗透绝缘层腐蚀金属栅电极。为了解决这个问题，在四氯化钛溶液处理前，我们首先采用有机材料制作有机绝缘层来保护金属栅电极，然后完全烧结掉，再在金属栅电极上制作无机绝缘层，以保证电池的长期稳定性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种染料敏化太阳能电池模块的制备方法，通过采用有机材料制作绝缘层来保护银栅电极免受四氯化钛溶液腐蚀，从而保证电池模块长期稳定性，提高大面积电池模块的光电转换效率。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种染料敏化太阳能电池模块的制备方法，其特征在于，包括以下基本步骤：1)在光阳极的导电玻璃基板上，按照设计的图形通过丝网印刷方法印刷银栅电极，然后进行烧结，烧结温度500-550℃，保温时间15-30min；2)在光阳极的导电玻璃基板上，按照设计的图形印刷二氧化钛薄膜，然后进行烧结，烧结温度450-500℃，保温时间10-25min；3)按照设计的图形，在制备好的银栅电极上印刷非感光性或感光性的有机材料绝缘层，然后在干燥箱中120-150℃干燥15-25min，其中感光性有机材料绝缘层在干燥后还需在紫外光下光照5-15min进行固化；4)将经过1)、2)、3)步骤处理后的光阳极导电玻璃基板放入配置好的40mM的40-65℃四氯化钛溶液中浸泡处理15-30min，然后从溶液中取出用去离子水冲洗后进行烧结，将有机材料绝缘层完全烧结掉，烧结温度450-500℃，保温时间10-25min；5)在光阳极导电玻璃基板银栅电极上印刷玻璃粉浆料，制作无机材料绝缘层，烧结温度430-490℃，保温时间15-30min；6)将步骤5)得到的光阳极放入钌配合物二(四丁基铵)顺式-双(异硫氰基)双(2，2′-联吡啶-4，4′-二羧酸)钌(II)染料溶液中，使二氧化钛薄膜层进行染料敏化24-72h，制得成品光阳极；7)在打好封装孔的对电极导电玻璃基板上重复步骤1)、5)制作银栅电极和无机材料绝缘层；8)在对电极的导电玻璃基板上，按照设计的图形印刷铂电极，然后进行烧结，烧结温度450-470℃，保温时间20-30min，制得成品对电极；9)将步骤6)得到的光阳极和步骤8)得到的对电极进行图形对位，采用80μm的Bynel膜在200-250℃下热压2-5min进行封装，得到半成品电池；10)使用真空泵通过半成品电池的封装孔进行电解质灌注；11)在封装孔上点上紫外固化胶，在紫外灯下照射1-5min，得到封装好的染料敏化太阳能电池模块。
本发明的进一步技术方案是，所述银栅电极上制备的有机绝缘层，采用非感光性有机材料或感光性有机材料，所述的非感光性有机材料是由有机树脂和溶剂组成，所述有机树脂为乙基纤维素、丙酸异戊酯、柠檬酸三丁酯、邻苯二甲酸二乙酯、邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二甲酯、甘油三乙酸酯、硼酸三丁酯中至少一种，质量百分比含量为3％-15％；所述溶剂为松油醇、乙二醇、二甘醇、醋酸丁基卡必醇、丁基卡必醇、二乙醇胺、三乙醇胺中至少一种，质量百分比含量为85％-97％；所述的感光性有机材料是由有机树脂、溶剂和增感剂组成，所述有机树脂为聚乙烯醇肉桂酸酯、聚肉桂叉丙二酸乙醇酯中至少一种，质量百分比含量为5％-10％，所述增感剂为5-硝基苊，质量百分比含量为0.25％-1.0％，所述溶剂为环己酮、苯乙酮中至少一种，质量百分比含量为89％-94％。
本发明更进一步的技术方案是，所述的玻璃粉浆料由玻璃粉和非感光性有机材料按重量百分比(55-70)％∶(30-45)％组成，其中玻璃粉粒径小于5μm。
与现有技术相比，本发明提供的染料敏化电池模块制备方法，为了能够采用四氯化钛的修饰技术，通过首先使用有机材料制作绝缘层来保护银栅电极在四氯化钛溶液中处理时不被腐蚀，处理完成后完全烧结掉有机绝缘层，再在银栅电极上制作无机绝缘层，保证电池模块长期稳定性，提高串/并联大面积电池模块的光电转换效率。
附图说明
图1是染料敏化太阳能电池模块的截面结构示意图；图2是染料敏化太阳能电池模块制备了有机绝缘层的光阳极截面结构示意图。
其中，1.光阳极玻璃基板，2.导电层，3.银栅电极，4.TiO2薄膜层，5.有机材料绝缘层，6.无机材料绝缘层，7.对电极玻璃基板，8.导电层，9.银栅电极，10.无机材料绝缘层，11.铂电极，12.Bynel膜。
具体实施方式
实施例1一种染料敏化太阳能电池模块的制备方法，该电池模块的具体制备方法如下：将对电极导电玻璃按图形设计的位置打封装孔，然后将光阳极和对电极使用的导电玻璃基板(包含导电层2的光阳极玻璃基板1和包含导电层8的对电极玻璃基板7)依次用洗洁精、丙酮、乙醇、去离子水进行超声波清洗，每次清洗时间为5-20min，清洗完毕后用气枪吹干备用；在光阳极和对电极的导电玻璃基板上，按照设计的图形通过丝网印刷的方法印刷一层银栅电极3、9，然后在烘箱中150℃下干燥20min，再转移到电阻炉中进行烧结，烧结温度530℃，保温时间20min；待炉温降低到室温后取出光阳极和对电极的导电玻璃基板，对电极导电玻璃基板备用，按照设计的纳米晶二氧化钛薄膜层的图形，在光阳极导电玻璃基板上印刷二氧化钛薄膜层4，首先印刷两层小颗粒的二氧化钛薄膜作为吸收层，再印刷一层大颗粒的二氧化钛薄膜作为散射层，每层印刷后在烘箱中100℃下干燥15min，然后转移到电阻炉中进行烧结，烧结温度为500℃，保温时间10min；待炉温降低到室温后取出，按照设计的图形在制备的银栅电极上印刷两层非感光性有机材料绝缘层5，非感光性有机材料包括乙基纤维素和松油醇，乙基纤维素质量百分比含量为12％，松油醇质量百分比含量为88％，每层印刷后在烘箱中150℃下干燥15min；然后将光阳极的导电玻璃基板放入现配置好的40mM的45℃四氯化钛溶液中浸泡20min，取出用去离子水反复冲洗后进行烧结，烧结温度为500℃，保温时间25min；待炉温降低到室温后取出，有机材料绝缘层5被完全烧结掉，然后在银栅电极上印刷两层玻璃粉浆料，制作无机材料绝缘层6，玻璃粉浆料包括玻璃粉、乙基纤维素和松油醇，玻璃粉质量百分比含量为60％，乙基纤维素质量百分比含量为4.8％，松油醇质量百分比含量为35.2％，每层印刷后在烘箱中150℃下干燥10min，后转移到电阻炉中进行烧结，烧结温度为470℃，保温时间20min；待炉温降低到室温后取出，放入配置好的钌配合物二(四丁基铵)顺式-双(异硫氰基)双(2，2′-联吡啶-4，4′-二羧酸)钌(II)染料溶液中进行敏化48h；至此，光阳极制备完毕。
取出备用的制备了银栅电极9的对电极导电玻璃基板，如上述光阳极制作无机绝缘层的方式制作玻璃粉无机材料绝缘层10；然后按照设计的图形印刷一层铂电极11浆料，再转移到电阻炉中进行烧结，烧结温度460℃，保温时间25min，对电极制作完毕。
将制作好的光阳极和对电极进行图形对位，采用80μm的Bynel膜12在230℃下热压3min进行封装，然后使用真空泵通过封装孔灌注电解质，灌注完成后在封装孔上点上紫外固化胶，在紫外灯下照射5min，得到染料敏化太阳能电池模块。
实施例2一种染料敏化太阳能电池模块的制备方法，该电池模块的具体制备方法如下：将对电极导电玻璃按图形设计的位置打封装孔，然后将光阳极和对电极使用的导电玻璃基板(包含导电层2的光阳极玻璃基板1和包含导电层8的对电极玻璃基板7)依次用洗洁精、丙酮、乙醇、去离子水进行超声波清洗，每次清洗时间为5-20min，清洗完毕后用气枪吹干备用；在光阳极和对电极的导电玻璃基板上，按照设计的图形通过丝网印刷方法印刷一层银栅电极3、9，然后在烘箱中150℃下干燥15min，再转移到电阻炉中进行烧结，烧结温度为550℃，保温时间15min；待炉温降低到室温后取出光阳极和对电极的导电玻璃基板，对电极的导电玻璃基板备用。按照设计的纳米晶二氧化钛薄膜层的图形，在光阳极导电玻璃基板上印刷二氧化钛薄膜层4，首先印刷两层小颗粒的二氧化钛薄膜作为吸收层，再印刷一层大颗粒的二氧化钛薄膜作为散射层，每层印刷后在烘箱中100℃下干燥15min，后转移到电阻炉中进行烧结，烧结温度为470℃，保温时间20min；待炉温降低到室温后取出，按照设计的图形在制备的银栅电极上印刷两层感光性有机材料绝缘层5，感光性有机材料包括聚乙烯醇肉桂酸酯、5-硝基苊、环己酮，聚乙烯醇肉桂酸酯质量百分比含量为10％，5-硝基苊质量百分比含量为1.0％，环己酮质量百分比含量为89％，每层印刷后在烘箱中130℃下干燥20min，再在紫外光下光照10min进行固化；后将光阳极的导电玻璃基板放入现配置好的40mM的65℃四氯化钛溶液中浸泡20min，取出用去离子水反复冲洗后进行烧结，烧结温度为450℃，保温时间25min；待炉温降低到室温后取出，有机材料绝缘层5被完全烧结掉，然后在银栅电极3上印刷两层玻璃粉浆料，制作无机材料绝缘层6，玻璃粉浆料包括玻璃粉、乙基纤维素和松油醇，玻璃粉质量百分比含量为60％，乙基纤维素质量百分比含量为4.8％，松油醇质量百分比含量为35.2％，每层印刷后在烘箱中150℃下干燥10min，然后转移到电阻炉中进行烧结，烧结温度为430℃，保温时间30min；待炉温降低到室温后取出，放入配置好的钌配合物二(四丁基铵)顺式-双(异硫氰基)双(2，2′-联吡啶-4，4′-二羧酸)钌(II)染料溶液中进行敏化24h；至此，光阳极制备完毕。
取出备用的制备了银栅电极9的对电极导电玻璃基板，如上述光阳极制作无机材料绝缘层的方式制作玻璃粉无机材料绝缘层10；然后按照设计的图形印刷一层铂电极11浆料，再转移到电阻炉中进行烧结，烧结温度为450℃，保温时间30min，对电极制作完毕。
将制作好的光阳极和对电极进行图形对位，采用80μm的Bynel膜12在230℃下热压3min进行封装，然后使用真空泵通过封装孔灌注电解质，灌注完成后在封装孔上点上紫外固化胶，在紫外灯下照射5min，得到染料敏化太阳能电池模块。
实施例3一种染料敏化太阳能电池模块的制备方法，该电池模块的具体制备方法如下：将对电极导电玻璃按图形设计的位置打封装孔，然后将光阳极和对电极使用的导电玻璃基板(包含导电层2的光阳极玻璃基板1和包含导电层8的对电极玻璃基板7)依次用洗洁精、丙酮、乙醇、去离子水进行超声波清洗，每次清洗时间为5-20min，清洗完毕后用气枪吹干备用；在光阳极和对电极的导电玻璃基板上，按照设计的图形通过丝网印刷的方法印刷一层银栅电极3、9，然后在烘箱中150℃下干燥20min，再转移到电阻炉中进行烧结，烧结温度为500℃，保温时间30min；待炉温降低到室温后取出光阳极和对电极的导电玻璃基板，对电极的导电玻璃基板备用。按照设计的纳米晶二氧化钛薄膜层的图形，在光阳极导电玻璃基板上印刷二氧化钛薄膜层4，首先印刷两层小颗粒的二氧化钛薄膜作为吸收层，再印刷一层大颗粒的二氧化钛薄膜作为散射层，每层印刷后在烘箱中100℃下干燥15min，然后转移到电阻炉中进行烧结，烧结温度为450℃，保温时间25min；待炉温降低到室温后取出，按照设计的图形在制备的银栅电极上印刷一层非感光性有机材料绝缘层5，非感光性有机材料包括乙基纤维素、醋酸丁基卡必醇和丁基卡必醇，乙基纤维素质量百分比含量为15％，醋酸丁基卡必醇质量百分比含量为45％，丁基卡必醇质量百分比含量为40％，印刷后在烘箱中150℃下干燥20min；然后将光阳极的导电玻璃基板放入现配置好的40mM的40℃四氯化钛溶液中浸泡30min，取出用去离子水反复冲洗后进行烧结，烧结温度为450℃，保温时间25min；待炉温降低到室温后取出，有机材料绝缘层5被完全烧结掉，然后在银栅电极3上印刷一层玻璃粉浆料，制作无机材料绝缘层6，玻璃粉浆料包括玻璃粉、乙基纤维素、醋酸丁基卡必醇和丁基卡必醇，玻璃粉质量百分比含量为70％，乙基纤维素质量百分比含量为4.5％，醋酸丁基卡必醇质量百分比含量为13.5％，丁基卡必醇质量百分比含量为12％，每层印刷后在烘箱中150℃下干燥10min，然后转移到电阻炉中进行烧结，烧结温度为490℃，保温时间15min；待炉温降低到室温后取出，放入配置好的钌配合物二(四丁基铵)顺式-双(异硫氰基)双(2，2′-联吡啶-4，4′-二羧酸)钌(II)染料溶液中进行敏化72h；至此，光阳极制备完毕。
取出备用的制备了银栅电极9的对电极导电玻璃基板，如上述光阳极制作无机绝缘层的方式制作玻璃粉无机材料绝缘层10；然后按照设计的图形印刷一层铂电极11浆料，再转移到电阻炉中进行烧结，烧结温度为470℃，保温20min，对电极制作完毕。
将制作好的光阳极和对电极进行图形对位，采用80μm的Bynel膜12在200℃下热压5min进行封装，然后使用真空泵通过封装孔灌注电解质，灌注完成后在封装孔上点上紫外固化胶，在紫外灯下照射5min，得到染料敏化太阳能电池模块。

Claims (3)

1.一种染料敏化太阳能电池模块的制备方法，其特征在于，包括以下基本步骤：
1)在光阳极的导电玻璃基板上，按照设计的图形通过丝网印刷方法印刷银栅电极，然后进行烧结，烧结温度500-550℃，保温时间15-30min；
2)在光阳极的导电玻璃基板上，按照设计的图形印刷二氧化钛薄膜，然后进行烧结，烧结温度450-500℃，保温时间10-25min；
3)按照设计的图形，在制备好的银栅电极上印刷非感光性或感光性的有机材料绝缘层，然后在干燥箱中120-150℃干燥15-25min，其中感光性有机材料绝缘层在干燥后还需在紫外光下光照5-15min进行固化；
4)将经过1)、2)、3)步骤处理后的光阳极导电玻璃基板放入配置好的40mM的40-65℃四氯化钛溶液中浸泡处理15-30min，然后从溶液中取出用去离子水冲洗后进行烧结，将有机材料绝缘层完全烧结掉，烧结温度450-500℃，保温时间10-25min；
5)在光阳极导电玻璃基板银栅电极上印刷玻璃粉浆料，制作无机材料绝缘层，烧结温度430-490℃，保温时间15-30min；
6)将步骤5)得到的光阳极放入钌配合物二(四丁基铵)顺式-双(异硫氰基)双(2，2′-联吡啶-4，4′-二羧酸)钌(II)染料溶液中，使二氧化钛薄膜层进行染料敏化24-72h，制得成品光阳极；
7)在打好封装孔的对电极导电玻璃基板上重复步骤1)、5)制作银栅电极和无机材料绝缘层；
8)在对电极的导电玻璃基板上，按照设计的图形印刷铂电极，然后进行烧结，烧结温度450-470℃，保温时间20-30min，制得成品对电极；
9)将步骤6)得到的光阳极和步骤8)得到的对电极进行图形对位，采用80μm的Bynel膜在200-250℃下热压2-5min进行封装，得到半成品电池；
10)使用真空泵通过半成品电池的封装孔进行电解质灌注；
11)在封装孔上点上紫外固化胶，在紫外灯下照射1-5min，得到封装好的染料敏化太阳能电池模块。
2.如权利要求1所述一种染料敏化太阳能电池模块的制备方法，其特征在于，所述的非感光性有机材料是由有机树脂和溶剂组成，所述有机树脂为乙基纤维素、丙酸异戊酯、柠檬酸三丁酯、邻苯二甲酸二乙酯、邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二甲酯、甘油三乙酸酯、硼酸三丁酯中至少一种，质量百分比含量为3％-15％；所述溶剂为松油醇、乙二醇、二甘醇、醋酸丁基卡必醇、丁基卡必醇、二乙醇胺、三乙醇胺中至少一种，质量百分比含量为85％-97％；所述的感光性有机材料是由有机树脂、溶剂和增感剂组成，所述有机树脂为聚乙烯醇肉桂酸酯、聚肉桂叉丙二酸乙醇酯中至少一种，质量百分比含量为5％-10％，所述增感剂为5-硝基苊，质量百分比含量为0.25％-1.0％，所述溶剂为环己酮、苯乙酮中至少一种，质量百分比含量为89％-94％。
3.如权利要求1所述一种染料敏化太阳能电池模块的制备方法，其特征在于，所述的玻璃粉浆料由玻璃粉和非感光性有机材料按重量百分比(55-70)％∶(30-45)％组成，其中玻璃粉粒径小于5μm。
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