技术领域
[0001] 本
发明涉及一种染料敏化
太阳能电池模块及其制造方法，更具体涉及一种通过使用薄玻璃板基板减少其厚度来减小电池的重量而不降低性能的大面积染料敏化太阳能电池模块，及其制造方法。
背景技术
[0002] 近年来，由于
全球变暖成为一个严重的问题，对于使用环境友好型
能源的技术已经开始表现为在能源的未来发展中的必要性。特别是，太阳能电池已经显著有利，因为它们可以使用
可再生能源。这些太阳能电池包括
硅太阳能电池、使
用例如
铜铟镓硒(CIGS)(Cu(InGa)Se2)和碲化镉(CdTe)的无机材料的
薄膜太阳能电池、染料敏化太阳能电池、
有机太阳能电池、以及有机无机混合太阳能电池。
[0003] 在这些太阳能电池中，硅太阳能电池已被广泛地商用于多个领域，例如房屋和工厂，然而它们的价格以及安装成本对于较小应用来说过于昂贵。然而，染料敏化太阳能电池相较于硅太阳能电池而言更便宜，并且能够获得半透明设计或其它多种设计。因此，正在进行对染料敏化太阳能电池的多种研究。
[0004] 更具体地，染料敏化太阳能电池不仅仅可以用于房屋，而且可以用来建立集成了类似硅太阳能电池的
光伏发电系统，并且可以应用到包括
电子工业领域在内的多个领域，例如
家用电器以及便携式电子设备，以及车辆顶部以及玻璃窗。这种染料敏化太阳能电池包括用于产生
电流的系统，其通过使用被配置成从
吸附到TiO2的Ru基颜料吸收可见光并且形成光电流的光电转换机构。
[0005] 图1是示出常规染料敏化太阳能电池模块的截面图。如图1所示，染料敏化太阳能电池模块1包括工作
电极10，在其上堆叠吸附有染料的光电极13；
对电极20，在其上堆叠有催化电极23；以及填充在
工作电极10和对电极20之间的密封空间内的
电解质30。
[0006] 染料敏化太阳能电池模块1的例子包括染料敏化太阳能电池模块1，诸如TiO2的光电极13(或者
半导体氧化物厚膜)，其中Ru基染料能够吸收光，被堆叠在工作电极10的透明导电基板11a上。使用铂Pt的催化电极23堆叠在对电极20的透明导电基板21a上，并且I-/I3-基
电解质30填充在用
密封剂31密封的彼此连接的工作电极10和对电极20之间的空间内。
[0007] 收集器可以形成在染料敏化太阳能电池模块的内部，以通过将染料敏化太阳能电池模块应用到实际应用中来获得必要的
电能，从而可以有效地收集光电流。则，当利用相同工艺来制造模块时，染料敏化太阳能电池的总效率将由工作电极中的收集器和光电极的尺寸来决定。因此，对于染料敏化太阳能电池模块结构已经进行许多研究，包括成分、外形以及收集器的排列，以提供最有效的电池。特别是可以使用能够收集光电流的收集器，以将染料敏化太阳能电池应用到大区域的应用上。
[0008] 在图1中，
附图标记11表示工作电极10的基板，附图标记12表示形成在基板11上的透明电极材料层(FTO，掺氟氧化
锡(SnO2:F))，附图标记21表示对电极20的基板，以及附图标记22表示形成在基板21上的透明电极材料层。此外，附图标记25表示暴露到模块1的外面的收集器24a的部分，即对电极20的收集器底部25。
[0009] 图2是示出在工作电极10中形成收集器14a的例子的图示。收集器14a包括由保护膜16包围的收集器单元14，以及连接到收集器单元14的收集器底部15。更具体地，如图2所示，在具有收集器14a的普通染料敏化太阳能电池模块中，由插入在收集器单元14和TiO2光电极13之间的保护膜16包围的
银收集器单元14线性地形成在透明导电基板11a上。然后，收集器单元14延伸到沿着透明导电基板11a的周边堆叠的收集器底部15，以彼此整体地连接。
[0010] 同样地，尽管在附图中没有示出，然而由插入在收集器单元和催化电极23之间的保护膜包围的薄收集器单元，形成在对电极20中。收集器单元延伸到沿着对电极20的周边堆叠的收集器底部25(参见图1)以彼此整体地连接。
[0011] 如图1所示，当太阳能电池模块通过利用多个太阳能电池模块1而被构造时，在电极10和20中，收集器底部15和25暴露于模块1的外部，并且用作电连接相邻模块的电极部分。
[0012] 在由钠
钙玻璃构成的玻璃基板11和21上堆叠透明电极材料，例如FTO，来制造用于工作电极10和对电极20的透明导电基板11a和21a，在此情况下玻璃基板11和21的厚度约为2-3mm。
[0013] 然而，由于染料敏化太阳能电池模块1的重量总是随着其边长的增加而变大，因此当模块被用于例如车辆的顶蓬(例如，阳光
天窗和
全景天窗)、车辆玻璃窗的防晒板，以及其他电子产品时需要减小模块的重量。
[0014] 虽然染料敏化太阳能电池可以通过使用柔性基板来制造以解决该问题，但是使用柔性基板的染料敏化太阳能电池的性能相较于使用常规玻璃基板的染料敏化太阳能电池劣化了。
[0015] 韩国
专利申请公开号2009-0067416中公开一种用于将使用柔性基板的太阳能电池薄膜应用于车辆的技术，其中太阳能电池薄膜被插入于玻璃窗内。然而，虽然该柔性基板比玻璃基板更轻，并且不能在一种工艺中
热处理该柔性基板，但是使用柔性基板的太阳能电池具有比使用玻璃基板的太阳能电池更低的性能特性，并且使用柔性基板的太阳能电池的效用因此降低。
发明内容
[0016] 本发明提供一种大面积染料敏化太阳能电池模块，其包括施加光电极的工作电极、施加催化电极的对电极、以及填充在工作电极与对电极之间的密封空间内的电解质，及其制造方法。更具体地，可以在不劣化性能的情况下，减小该染料敏化太阳能电池的厚度。
[0017] 一方面，本发明提供一种制造染料敏化太阳能电池模块的方法。具体地，该方法包括：在玻璃基板上堆叠透明导电材料层以制造用于工作电极的透明导电基板；在比用于工作电极的透明导电基板的玻璃基板更薄的薄玻璃板基板上堆叠透明电极材料层，以制造用于对电极的透明导电基板；在用于工作电极的透明导电基板上堆叠收集器和光电极以完成该工作电极；在用于对电极的透明导电基板上堆叠收集器和催化电极以完成该对电极；以及使用密封剂将工作电极和对电极结合，通过电解质注入孔将电解质注入到用密封剂密封的工作电极与对电极之间的空间内，并密封该电解质注入孔，以完成太阳能电池模块。
[0018] 另一方面，本发明提供一种染料敏化太阳能电池模块，其包括：工作电极，其通过在透明导电基板上堆叠收集器和吸附有染料的光电极而形成；对电极，其通过在第二透明导电基板上堆叠收集器和催化电极而形成；以及电解质，其填充在用密封剂密封的工作电极与对电极之间的空间内，其中，在形成用于电极的透明导电基板的玻璃基板中，用于对电极的玻璃基板是比用于工作电极的玻璃基板更薄的薄玻璃板基板。
[0019] 因此，根据本发明的染料敏化太阳能电池模块及其制造方法，由于将比用于工作电极的基板材料的玻璃基板更薄的薄玻璃板基板用作对电极的基板材料并且改进了对电极的制造工艺，因此可以将对电极和太阳能电池模块做得很薄而不会使薄玻璃板基板弯曲，同时在不劣化性能的情况下减小重量。
[0020] 因此，本发明的染料敏化太阳能电池模块比常规染料敏化太阳能电池更轻，同时在不劣化性能的情况下保证了强度。因此，本发明示例性
实施例的染料敏化太阳能电池模块可被有用地应用到诸如顶部或遮阳板等车辆部件上。在此情况下，由于车辆可被制造得更轻，因此还可以改善
燃料效率。
附图说明
[0021] 现在将参考附图中所示的实施例对本发明的上述以及其他特征进行详述，在此附图仅以示意性给出，并因此不限制本发明，并且其中：
[0022] 图1是示出常规染料敏化太阳能电池模块的截面图；
[0023] 图2示意地示出在常规染料敏化太阳能电池模块中具有收集器的工作电极的结构；
[0024] 图3是示出根据本发明一个典型实施方式的染料敏化太阳能电池模块的截面图；
[0025] 图4示出用于比较常规太阳能电池模块和根据本发明实施例的太阳能电池模块的厚度的图。
具体实施方式
[0026] 在下文中将参照附图对本发明的实施例进行详述，以使所属领域技术人员能够容易地实现本发明。
[0027] 应当理解的是在此使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似的术语一般包括机动车，例如客车包括运动用
汽车(SUV)，公共汽车，
卡车，各种商业汽车，包括各种舟、船在内的
水运工具，航空器等等，并且包括混合驱动车，
电动车，插入式混合电动车，氢能源车以及其它可选燃料车辆(例如，来源于非石油的燃料)。如此所涉及的，混合驱动车是一种具有两种或两种以上能源的汽车，例如
汽油动
力和电动力两用车。
[0028] 本发明涉及一种大面积染料敏化太阳能电池模块，包括应用到其上的光电极的工作电极，应用到其上的催化电极的对电极，以及填充在工作电极与对电极之间的密封空间中的电解质，由此可以减小模块的厚度，使其能够减轻模块的重量而又不使性能劣化，及其制造方法。
[0029] 图3是示出根据本发明示例性实施例的染料敏化太阳能电池模块的截面图。如图3所示，本发明的太阳能电池模块1使用玻璃基板11和21作为形成工作电极10和对电极20的基板材料，取代使用使性能劣化的柔性基板，在此情况下，薄玻璃板被用作对电极20的基板材料，在降低模块厚度的同时减轻该模块。
[0030] 即，在制造工作电极10和对电极20时，首先通过在玻璃基板11和21上堆叠由掺氟氧化锡(FTO)构成的透明电极材料层12和22来制造透明导电基板11a和21a，在此情况下，用于对电极20的玻璃基板21比用于工作电极10的玻璃基板11薄。由于在使用两个玻璃基板11和21来制造模块1时，需要热处理工序，所以相较于使用柔性基板的模块，可以制造具有卓越性能的模块。
[0031] 然而，当工作电极10和对电极20都由薄玻璃板制成时，模块可能容易破损。特别是，在应用如这样的常规工艺时，光电极13和用于形成保护膜的玻璃粉可能在高温下热处理收集器14a和24a的处理中弯曲。
[0032] 根据本发明，考虑到上述问题，影响效率的光电极13应用其上的工作电极10使用与常规技术一样的具有1.5-3mm厚度的玻璃基板11，以便能够像通常一样应用常规工艺，并且利用相对简单的工艺制成的对电极20使用具有0.1-1mm厚度的薄玻璃板基板21作为基板的材料并改良用于对电极20的工艺，确保模块的安全性和
亮度。
[0033] 在此，当使用具有0.1mm厚度的薄玻璃膜作为对电极20的基板材料时，在制造工艺或处理过程中可能很容易破损。而且，其在太阳能电池模块1的强度方面可能不被以阳光天窗，全景天窗、或者用于玻璃窗的遮阳板的形式应用到车辆中，这不是所期望的。而且，当玻璃基板具有超过1mm的厚度时，其不足以满足本发明所获得的亮度方面的要求，这不是所期望的。
[0034] 图3示出根据本发明示意性实施例的光染料敏化太阳能电池模块1的截面结构。如图3所示，染料敏化太阳能电池模块1包括工作电极10，其上堆叠有由吸附了染料(例如，众所周知的Ru基染料)的二氧化
钛(TiO2)形成的光电极13；对电极20，其上堆叠有含有铂(Pt)的催化电极23；以及填充在工作电极10与对电极20之间用密封剂31密封的空间内的电解质30。比工作电极10的基板更薄的薄玻璃板基板21被用于对电极20。
[0035] 在此结构中，由于在其上有TiO2的光电极13的工作电极10显著影响了太阳能电池的性能，因此透明导电基板11a可以通过在常规钠钙玻璃基板上堆叠诸如FTO层的透明电极材料层12来制造，并且工作电极10可以通过在透明导电基板11a上堆叠光电极13和收集器13a来制造。
[0036] 同时，对电极20，即相对电极(opposite electrode)使用比工作电极10的玻璃基板11更薄的薄玻璃板基板21，并且透明导电基板21a通过在薄玻璃板基板21上堆叠含有FTO的透明电极材料层22来制成，以及对电极20通过在透明导电薄板基板21a上堆叠催化电极23和收集器24a而制成。
[0037] 当使用1.5-3mm厚的玻璃基板11作为工作电极10的基板材料并且0.1-1mm厚的薄玻璃板基板21作为对电极20的基板材料时，与具有相同厚度的玻璃基板的工作电极和对电极相比，太阳能电池模块1的重量可以减小大于35％。
[0038] 然而，在使用薄玻璃板基板21中，当将常规高温工艺应用到制造透明导电基板21a或者通过堆叠透明电极材料形成催化电极23的工艺时，薄玻璃板基板21可能会
翘曲(warp)。因此，需要施加在薄玻璃板基板21中不产生翘曲现象的工艺。更具体地，当使用钠钙玻璃基板、铅
碱玻璃基板也叫做铅玻璃基板，或低
铁玻璃基板作为具有0.1-1mm厚度的薄玻璃板基板时，在对电极20的制造工艺期间，用于形成透明电极材料层、收集器和催化电极的处理
温度应该被限制在大约25-400摄氏度的范围内。
[0039] 当诸如
硼硅玻璃基板或
铝硅玻璃基板等在高温处理过程中不会发生翘曲的玻璃基板被用作对电极20的薄玻璃板基板21时，可以施加常规的高温工艺。
[0040] 首先，在制造对电极20的透明导电基板21a的过程中，氧化铟锌(IZO)、氧化铟锡(ITO)和掺铝氧化锌(AZO)以及掺氟氧化锡(FTO)可用于透明电极材料，并且用于在薄玻璃板基板21上堆叠透明电极材料的工艺可以是
喷涂热解沉积(SPD)、溅射、或
化学气相沉积(CVD)，其能够在低于400摄氏度的温度下进行。
[0041] 当银收集器24a(包括由保护膜围绕的收集器单元和收集器底部)形成在对电极20的透明导电基板21a中时，收集器单元和底部25的图案通过使用包含公知
粘合剂的银浆料的丝网印刷或喷墨打印来形成，并且在银浆料中粘合剂的量相对于100wt％浆料来说被限制到1-20wt％，以在小于400摄氏度的处理温度下增塑该浆料。这样，粘合剂可以是月桂酸，并且是能够改善低分子有机银颗粒与基板之间的粘合力的最小数量。
[0042] 银浆料(也就是银墨)的
溶剂可以包括极性溶剂，例如
乙醇、甲醇、丁醇、乙二醇、异丙醇、乙氧基丁醇、甲氧基乙醇、丁氧基乙醇、α-萜品醇、N-甲基-2-吡咯烷
酮、和正丁胺，以及非极性溶剂例如二
甲苯、己烷、辛烷、甲苯、四氢呋喃、二甲基甲酰胺、氯仿、乙二醇丁醚。
[0043] 在本发明的一个实施例中，
硝酸银(AgNO3)被用于银纳米颗粒前体，正丁胺用作溶剂，硼氢化钠(NaBH4)用作还原剂，以及添加大约5％的二甘醇以分散银纳米墨水。以这种方式，可以制造能够在低温下处理的银纳米墨水溶液(银浆料)，并且可以在对电极中形成用于低温工艺的收集器。然后，可以通过在100-400摄氏度的热处理对该浆料进行
烧结。
[0044] 在此，当粘合剂的数量小于1wt％时，难以调整
粘度并且保持基板的粘合力，并且当其超过20wt％时，对于浆料的塑性需要更高的温度。因此，粘合剂的数量限制在小于20wt％。
[0045] 此外，用于形成收集器单元和底部图案的方法可以包括低温工艺，例如溅射、化学气相沉积以及
电沉积(E.D.)等等。此外，在形成用于形成收集器的保护层中，热塑性玻璃料不要求作为保护膜的材料，因为对于塑化所需要的处理温度太高。因此，使用可以施加低温塑化工艺的保护膜材料，在此情况下，使用在高温下照射UV线硬化的紫外线(UV)硬化剂或用于低温塑化的玻璃料或激光塑化玻璃料。
[0046] 在此，UV硬化剂是一种聚合材料，其可以通过照射UV线来硬化，并且可以包括聚丙烯腈、聚酯丙烯腈、聚
丙烯酸酯、聚醚丙烯酸(polyether acrylate)、聚甲基丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚二丁烯丙烯酸酯、以及硅酮丙烯酸酯。
[0047] 形成该保护膜以围绕收集器单元，在此情况下，在将用于保护膜的材料即UV硬化剂、低温塑化玻璃料(在400摄氏度下烧结的)、或激光塑化玻璃料通过丝网印刷施加到相应的部分之后，通过UV照射或激光照射使其硬化。最后，在形成对电极20中的催化电极23的过程中，铂催化电极可以通过使用不含有机粘合剂的铂前体溶液来形成。
[0048] 制造使用异丙醇和水合六氯铂(IV)酸(H2PtCl6·H2O)的铂前体溶液，并且其可以被施加到透明导电基板21的表面上。
[0049] 在施加了铂前体溶液之后，在
烤箱中将其烘干并且在烧结炉中以小于400摄氏度的温度对其进行热处理以塑化。可以通过使用电化学工艺减少铂催化剂或者通过溅射或化学气相沉积而不通
过热处理而形成催化电极23。
[0050] 在对电极20的制造工艺中，当收集器单元、底部25和催化电极23通过使用印刷(printing)而形成时，该单元在烤箱中被烘干并且最终在小于400摄氏度的温度下热处理以被塑化。
[0051] 此外，当使用例如溅射或化学气相沉积的工艺时，对电极20可无需热处理而被完成。
[0052] 当通过根据本发明的制造方法制造染料敏化太阳能电池模块时，可以在不劣化性能的情况下实现重量的减轻。尤其是，当用薄板电极来代替对电极时，重量可以比常规模块减少超过35％。而且，太阳能电池模块的性能与常规模块的基本相同。
[0053] 图4示出表示实际制造的模块的截面的图片，可以看出，使用玻璃基板作为对电极20的基板材料的本发明的模块1具有比常规模块更小的厚度。
[0054] 此外，表1表示当透明导电基板具有不同厚度时玻璃的重量和厚度，其中玻璃基板的尺寸(130mm(w)×100mm(h))和透明电极材料层的厚度在各自的透明导电基板中是相同的。
[0055] 表1
[0056] 导电基板 玻璃厚度(mm) 重量(g)
(a) 2.2 73.377
(b) 0.56 18.018
(c) 0.73 22.435
[0057] 表2表示当表1的透明导电基板连接时的重量(使用两片玻璃，(a)用于工作电极，(b)用于对电极)，并且示出了当使用具有不同厚度的导电基板时，重量减小了35-37％。
[0058] 表2
[0059]
[0060] 在下文中，将描述根据本发明用于制造太阳能电池模块的工艺，但是本发明不限于此。
[0061] 首先，通过使用具有0.56mm厚度的薄玻璃板基板制造用于对电极的FTO透明导电基板，并通过使用2.2mm厚的玻璃基板制造用于工作电极的FTO透明导电基板。然后，将电解质注入孔形成在对电极的基板中。然后，清洗、烘干FTO透明导电基板，并且通过丝网印刷将银收集器单元和底部堆叠在用于工作电极的FTO透明导电基板上。银浆料含有相对于100wt％浆料的80-90wt％的银，银的数量是80wt％并在该浆料中添加二甘醇。
[0062] 在印制收集器单元和底部之后，在烤箱中烘干FTO透明导电基板并且形成TiO2光电极以具有大约15微米的厚度。接下来，在通过丝网印刷使用玻璃料形成收集器保护膜之后，将公知的Ru基染料吸附到TiO2光电极中。在烤箱中烘干FTO透明导电基板之后，在烧结炉中在500摄氏度的温度下对其进行热处理以完成工作电极。
[0063] 对于对电极，银收集器单元和底部通过丝网印刷，被堆叠在FTO透明导电基板上，在此情况下，浆料中银的量相对于100wt％的浆料为大约70-80wt％，还可以使用由颗粒、分散剂和溶剂构成的墨水(ink)。在本发明的实施例中，使用80wt％的银浆料，其它添加剂的数量相对较小，作为银浆料。在该银浆料中，硝酸银(AgNO3)被用作银纳米颗粒前体，10wt％的月桂酸用作粘合剂，正丁胺用作溶剂，硼氢化钠用作还原剂。添加大约5％的二甘醇以分散银纳米墨水。
[0064] 在收集器单元和底部被印制之后，在烤箱中对FTO透明导电基板进行烘干，并且通过使用异丙醇和H2PtCl6·H2O制造铂前体溶液。然后，使用喷涂工艺形成铂催化电极。
[0065] 在烧结炉中将其干燥并且在400摄氏度下进行热处理之后，通过形成收集器的保护膜完成对电极，然后将Surlyn(Dupont)用作保护膜的材料。其后，例如Syrlyin被用作在120摄氏度下连接工作电极和对电极的密封剂，并且制造电解质(例如，0.1M碘化锂，0.05M碘，0.6M 1，3-二甲基咪唑碘，0.5M特丁基吡啶/3-甲氧基丙腈)，并通过对电极的电解质注入孔将其注入。
[0066] 通常，在制造染料敏化太阳能电池时，利用热量和具有
热压的压力将其结合。然而，当使用像本发明中的具有不同厚度的基板时，如果利用热压，则玻璃可能会破损。因此，如果通过使用可以将压力仅仅均匀地施加到周边连接部的
框架将其保持在120摄氏度的烤箱中2-3分钟，则可以均匀地使其结合而不发生破损。
[0067] 接下来，通过利用封接玻璃将对电极的电解质注入孔阻塞来完成图4中所示的本发明的模块。在图3中示出这样制造出的染料敏化太阳能电池模块的性能。将相同的工艺施加到除了对电极之外的其他部分上来制造该太阳能电池模块。当与使用具有大于2mm厚度的FTO导电基板作为用于工作电极和对电极的基板的模块相比时，使用具有0.56mm厚度的FTO导电基板作为用于工作电极和对电极的基板的本发明的模块在性能方面显示几乎没有不同之处。
[0068] 表3
[0069]
[0070] 虽然已经对本发明的实施例进行了详细说明，但是本发明的范围不限于此，所属领域技术人员使用在附加
权利要求中限定的本发明的基本原则做出的各种
修改和改良也属于本发明的保护范围。
