專利名稱：多孔薄膜型固體電解質、使用其的染料敏化太陽能電池及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及ー種多孔薄膜型固體電解質、使用其的染料敏化太陽能電池及其制造方法。尤其是，本發(fā)明涉及一種用于改善染料敏化太陽能電池的長期耐久性的多孔薄膜型固體電解質。
背景技術：
隨著全球變暖成為ー個嚴重的問題，對于使用清潔能源的技術的發(fā) 展日益受到關注。尤其是，利用可再生能源的太陽能電池已經被發(fā)現(xiàn)是非常有利的。當前可獲得的太陽能電池包括硅基太陽能電池、使用例如銅銦鎵硒化物(CIGS ；Cu (InGa) Se2)的無機材料的薄膜太陽能電池、染料敏化太陽能電池、有機太陽電池、以及有機無機混合太陽能電池。在它們之中，廉價且有經濟效益的染料敏化太陽能電池不但在光伏建筑一體化(BIPV)エ業(yè)中而且在移動電子エ業(yè)中都有很高價值。不同于其他太陽能電池，染料敏化太陽能電池能夠吸收可見光并且通過光電轉換機構產生電カ。一般來說，染料敏化太陽能電池使用液態(tài)電解質或者凝膠態(tài)聚合物電解質(凝膠電解質)。然而當太陽能電池的基板或者外殼破損時，液態(tài)或凝膠態(tài)電解質通常會泄露，導致耐用性和產品質量的降低以及相關的健康問題。為了解決這ー問題，已經積極地開展了固體電解質的發(fā)展。一般來說，固體電解質通過以下方法形成通過沉積或者旋涂在染料敏化太陽能電池的光電極(或者工作電極，典型地由TiO2制成)的表面上附著電解質成分，并且徹底地干燥包括在該附著的電解質成分中的溶液。然而，當使用這種固體電解質時，由于電流密度非常低而難以期望適合的發(fā)電效率。而且,雖然通過電紡(electrospinning)形成具有多孔結構的固體電解質以提高太陽能電池的發(fā)電效率的技術已經為人所知，但是它要求高的初始投資成本并且可以用作電解質成分的聚合物材料受到限制。

發(fā)明內容
為了解決在現(xiàn)有的液態(tài)染料敏化太陽能電池中所使用的液態(tài)電解質的泄露和長期穩(wěn)定性的問題，本發(fā)明涉及提供ー種使用具有低閃點的非離子型乳化劑和紫外光固化聚合物材料制備的、具有多孔結構的薄膜型固體電解質以增加電解質的注入量。尤其是，本發(fā)明還涉及提供ー種使用固體電解質的染料敏化太陽能電池及其制造方法，該染料敏化太陽能電池可以通過簡單的エ藝制造并且能夠提高能量轉換效率。在ー個通常的方面，本發(fā)明提供ー種通過將電解質材料注入到多孔聚合物薄膜中而制備的多孔薄膜型固體電解質，該多孔聚合物薄膜由包括O. l-90wt%的紫外光固化聚合物材料、
O.1-10被％的非離子型乳化劑以及0.01-0. lwt%的光致交聯(lián)引發(fā)劑的薄膜組合物形成。特別地，該紫外光固化聚合物材料可以是選自聚丙烯腈、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酷、聚(甲基丙烯酸甲酷)以及聚こ烯醇的ー種或多種。該非離子型乳化劑可以是壬基酚聚氧こ烯醚，特別是具有氧こ烯重復單元數η為從I到60的整數的壬基酚聚氧こ烯醚。該紫外光固化聚合物材料可以具有從大約300到20，000的重均分子量，并且該多孔聚合物薄膜可以具有大約1-200 μ m的大小的微孔。在另ー個通常的方面，本發(fā)明提供ー種具有多孔薄膜型固體電解質的染料敏化太陽能電池。在另一通常的方面，本發(fā)明提供一種用于制造染料敏化太陽能電池的方法，包括在其上覆有透明導電層的第一基板上形成工作電極；將上述多孔薄膜型固體電解質層疊在該工作電極上；在其上覆有透明涂層的第二基板上形成對電扱；以及將第二基板層疊在該固體電解質上，以使其接觸該對電扱，并且用密封劑接合和固定第一基板和第二基板。本發(fā)明的上述以及其他方面和特征將在下面說明。



現(xiàn)在將參考某些示例性的實施方式對本發(fā)明的上述和其他目的、特征以及優(yōu)點進行具體地說明，在附圖中示出的實施方式在下文中僅僅是以舉例說明的方式給出，并且因此不是對發(fā)明的限制，以及其中圖I示出根據本發(fā)明的實施方式的染料敏化太陽能電池的截面圖；且圖2是根據本發(fā)明的實施方式的用于染料敏化太陽能電池的固體電解質的多孔聚合物薄膜的放大圖。主要元件的具體說明101 :第一基板102:密封劑103 :工作電極(無機氧化層)104 :固體電解質(多孔薄膜型固體電解質)105:對電極106 :第二基板應該理解的是，附圖不必要成比例，而是呈現(xiàn)對闡明本發(fā)明基本原理的各種優(yōu)選特征的略微簡化的表示。在本文公開的本發(fā)明的特定設計特征，包括例如具體的尺寸、取向、位置和形狀，將部分地由特定的既定應用和使用環(huán)境來確定。
具體實施例方式在下文中將詳細參考本發(fā)明的各個實施方式，其實施例在附圖中圖示并在后面加以說明。盡管本發(fā)明將結合示例性的實施方式一起說明，應該理解的是當前的說明書不意在將本發(fā)明限制于那些示例性的實施方式。相反的是，本發(fā)明意在不僅包括示例性的實施方式，還要包括各種替代方式、更改方式、等同方式和其他實施方式，而其可以包括在由所附權利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍之內。本發(fā)明提供一種用于染料敏化太陽能電池的包括多孔聚合物薄膜的固體電解質、使用其的染料敏化太陽能電池以及其制造方法。為了增加電解質的注入量，使用特定組成的薄膜組合物來制備具有多孔結構的聚合物薄膜。特別地，用于制備該多孔聚合物薄膜的薄膜組合物包括具有用于有效地導致光電流増加的増大的特定表面積的納米纖維形式的紫外光固化聚合物材料、以及用于形成聚合物薄膜的多孔結構以増加電解質的注入量的具有降低的閃點的非離子型乳化剤。該非離子型乳化劑用來形成能夠導致混合在一起的薄膜組合物的聚合物基質中的多孔結構的微團(micelle)。結果，可以通過簡單的真空干燥エ藝在該聚合物薄膜中形成多孔結構。因此，該薄膜組合物允許通過調整非離子型乳化劑的含量來控制聚合物薄膜的多孔性，并因此允許控制在聚合物薄膜中電解質的注入量。通過調整非離子型乳化劑的含量的多孔性控制的優(yōu)點在于，相比較于現(xiàn)有的電紡エ藝，聚合物薄膜的多孔性的控制更加容易和簡單。而且，由于該非離子型乳化劑不與電解質反應，因此對染料敏化太陽能電池的電化學反應沒有影響，保證了染料敏化太陽能電池的反應穩(wěn)定性。
特別地，包括非離子型乳化劑的薄膜組合物包括大約O. l_90wt%的紫外光固化聚合物材料、大約O. l_10wt%的非離子型乳化劑以及大約O. 01-0. lwt%的光致交聯(lián)引發(fā)劑的混合物。當薄膜組合物中的紫外光固化聚合物材料的量小于約O. lwt%吋，將很難保持薄膜的形狀。相反，如果其超過90wt%，將會很難形成多孔結構。紫外光固化聚合物材料可以是能被紫外線輻射固化的聚合單體混合物。特別是，可以使用選自聚丙烯腈、聚丙烯酸酷、聚甲基丙烯酸酯、聚(甲基丙烯酸甲酷)以及聚こ烯醇的ー種或多種。將非離子型乳化劑以上述的量混合在薄膜組合物中以形成微團。當非離子型乳化劑的量小于約O. lwt%時，將難于在聚合物薄膜中形成多孔結構。相反，如果其超過約10wt%，那么由于太高的多孔性而難于保持(由薄膜組合物形成的)薄膜的形狀。非離子型乳化劑可以是壬基酚聚氧こ烯醚，特別是具有氧こ烯重復單元的數量η為從I到60的壬基酚聚氧こ烯醚。以上述的量包括光致交聯(lián)引發(fā)劑，并且其用來通過光致交聯(lián)而引發(fā)紫外光固化聚合物材料和非離子型乳化劑的固定。特別地，紫外光固化聚合物材料可以具有從大約300到20，000的重均分子量。當重均分子量小于約300時，薄膜組合物不能形成薄膜。相反，如果重均分子量超過約20，000，那么將難于形成聚合物薄膜的多孔結構。使用薄膜組合物制備的多孔聚合物薄膜具有大約1-200 μ m的大小的微孔?，F(xiàn)在，將要說明使用薄膜組合物制備多孔薄膜型固體電解質的エ藝。如上所述，將紫外光固化聚合物材料、非離子型乳化劑以及光致交聯(lián)引發(fā)劑混合以獲得薄膜組合物，并且該薄膜組合物以薄膜的形式薄薄地涂覆在基板上并通過照射紫外線固化。然后，通過真空干燥引起多孔結構的形成，制備具有許多微孔的多孔聚合物薄膜。紫外光固化聚合物材料可以是包括前述材料中的兩種或多種的聚合物混合物。接著，將該多孔聚合物薄膜浸入電解質材料中，以便于電解質成分注入到該多孔聚合物薄膜中。結果，獲得了用于染料敏化太陽能電池的固體電解質。由于電解質注入到多孔聚合物薄膜的孔中，因此電解質的注入比要高于現(xiàn)有的非多孔結構固體電解質的注入比?，F(xiàn)在，將說明使用多孔薄膜型固體電解質的染料敏化太陽能電池的結構和制造エ藝。圖I示出了根據本發(fā)明的實施方式的使用多孔薄膜型固體電解質制造的染料敏化太陽能電池的截面圖，并且圖2是根據本發(fā)明的實施方式的用于染料敏化太陽能電池的固體電解質的多孔聚合物薄膜的放大圖。為了制造具有如圖I所示結構的染料敏化太陽能電池，使用絲網印刷裝置在其上覆有透明導電層的第一基板101上涂覆無機氧化物(例如，ニ氧化鈦)以形成無機氧化物層。然后，在預定溫度加熱預定時間之后，在預定溫度下在預定時間固化所得物以形成工作電極103。在室溫下將染料吸附到工作電極103之后，將多孔薄膜型固體電解質層疊在吸收有染料的工作電極上。使用鉬材料在其上覆有透明涂層的第二基板106上形成對電極105之后，將第二基板106層疊在該多孔薄膜型固體電解質104上，以使其接觸對電極105，并且使用密封劑102將第一基板101和第二基板106接合并固定，以使多孔薄膜型固體電解質104固定在對電極105和工作電極103之間。如圖I中所示，在這樣制造的染料敏化太陽能電池中，工作電極103 (無機氧化物層)形成在第一基板101上，對電極105形成在第二基板106上，并且多孔薄膜型固體電解質104布置在對電極105和工作電極103之間。密封劑102應用于布置在第一基板101和·第二基板106之間的電極103、105的兩側以密封和固定它們。多孔薄膜型固體電解質104布置在對電極105和工作電極103之間并且用來有效地防止由接觸導致的短路。根據本發(fā)明的染料敏化太陽能電池減少或避免了當現(xiàn)有的液態(tài)電解質用在染料敏化太陽能電池中時，由于損壞了密封劑而可能發(fā)生的電解質溶劑的泄露和隨后發(fā)生的耐久性的降低。因此，其能夠使染料敏化太陽能電池的制造エ藝簡化且更經濟。當本發(fā)明的多孔薄膜型固體電解質用作染料敏化太陽能電池的電解質時，由于相比于現(xiàn)有的非多孔薄膜型固體電解質増加了電解質的注入量，獲得了優(yōu)異的電流密度和光伏效率。因此，可以提供具有提高的能量轉換效率的染料敏化太陽能電池。實施例現(xiàn)在將說明根據實施例和比較例制備的染料敏化太陽能電池的電化學特性。下面的實施例和實驗僅用作說明目的，而非試圖限制本發(fā)明的范圍。實施例I :多孔聚合物薄膜的制備為了制備聚合物溶液，將79. 9wt %的聚丙ニ醇單丙烯酸酷、IOwt %的聚丙ニ醇ニ丙烯酸酷、O. lwt%的光致交聯(lián)引發(fā)劑以及10wt%的壬基酚聚氧こ烯醚混合，攪拌24小吋，并薄薄地涂覆在玻璃基板上。接下來，通過照射紫外線(1，OOOmJ)固化并且在真空中干燥涂覆在玻璃基板上的聚合物溶液以制備具有許多微孔的多孔聚合物薄膜。實施例2 :使用實施例I的多孔聚合物薄膜制備染料敏化太陽能電池使用絲網印刷設備,將用于絲網印刷的ニ氧化鈦衆(zhòng)料(Solaronix)涂覆在其上覆有摻氟的氧化錫(FTO)的玻璃基板上。然后，通過在300°C下加熱I小時并且在500°C下烘焙3小時來形成工作電極。在室溫下經24小時，染料(N3，Solaronix)吸附到所形成的エ作電極上。接下來,將實施例I的多孔聚合物薄膜浸在電解質(AN 50, Solaronix)中12小時，并且在將注入有電解質的多孔聚合物薄膜放置在吸收有染料的工作電極上之后，在120°C下，使用Surlyn(DuPont)將其上通過鉬涂覆形成有對電極的基板接合到具有工作電極的玻璃基板上。比較例I :非多孔聚合物薄膜的制備
為了制備聚合物溶液，將89. 9wt %的聚丙ニ醇單丙烯酸酷、IOwt %的聚丙ニ醇ニ丙烯酸酯以及O. lwt%的光致交聯(lián)引發(fā)劑混合，攪拌24小吋，并薄薄地涂覆在玻璃基板上。接下來，通過照射紫外線(1，OOOmJ)固化并且在真空中干燥涂覆在玻璃基板上的聚合物溶液以制備非多孔聚合物薄膜。比較例2 :使用比較例I的非多孔聚合物薄膜制備染料敏化太陽能電池使用絲網印刷設備,將用于絲網印刷的ニ氧化鈦衆(zhòng)料(Solaronix)涂覆在其上覆有摻氟的氧化錫(FTO)的玻璃基板上。然后，通過在300°C下加熱I小時并且在500°C下烘焙3小時來形成工作電極。在室溫下經24小時，染料(N3，Solaronix)吸附到所形成的エ作電極上。接下來,將比較例I的非多孔聚合物薄膜浸在電解質(AN50, Solaronix)中12小時，并且在將注入有電解質的非多孔聚合物薄膜放置在吸收有染料的工作電極上之后，在120°C下，使用Surlyn(DuPont)將在其上通過鉬涂覆形成有對電極的基板接合到具有工作 電極的玻璃基板上。在表I中描述了通過實施例1-2和比較例1-2制備的染料敏化太陽能電池的電化
學特性。表I
電流密度(Jj~電壓(VJ~填充因子(FF)~能量轉換效率(％ )
實施例 1-2 3. 743O. 55731. 50.65 '
比較例 1-2 0.0370.61322.00.005 '如從表I中所見，相比較于使用非多孔聚合物薄膜制備的染料敏化太陽能電池，本發(fā)明的使用多孔聚合物薄膜制備的染料敏化太陽能電池呈現(xiàn)出顯著提高的電流密度以及能量轉換效率。相比較于使用液態(tài)電解質的染料敏化太陽能電池，當具有根據本發(fā)明的多孔結構的薄膜型固體電解質用于染料敏化太陽能電池時，由于電解質注入部分的制備和密封是不必要的，因此制造エ藝被簡化。另外，相比較于使用現(xiàn)有的非多孔固體電解質的染料敏化太陽能電池，能量轉換效率顯著地提高。已經參考其具體實施方式
對本發(fā)明進行了具體地說明。然而，所屬領域技術人員將明白，在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對這些實施方式進行各種改變和修改，其范圍由所附權利要求及其等效方式來限定。
權利要求
1.ー種多孔薄膜型固體電解質，其通過將電解質材料注入到多孔聚合物薄膜中而制備，所述多孔聚合物薄膜由包括O. l-90wt%的紫外光固化聚合物材料、O. l-10wt%的非離子型乳化劑以及O. 01-0. lwt%的光致交聯(lián)引發(fā)劑的薄膜組合物形成。
2.根據權利要求I所述的多孔薄膜型固體電解質，其中所述紫外光固化聚合物材料是選自聚丙烯腈、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚(甲基丙烯酸甲酷)以及聚こ烯醇的ー種或多種。
3.根據權利要求I所述的多孔薄膜型固體電解質，其中所述非離子型乳化劑是壬基酚聚氧こ烯醚。
4.根據權利要求I所述的多孔薄膜型固體電解質，其中所述非離子型乳化劑是具有的氧こ烯重復單元的數量η為從I到60的整數的壬基酚聚氧こ烯醚。
5.根據權利要求I所述的多孔薄膜型固體電解質，其中所述紫外光固化聚合物材料具有從大約300到20，000的重均分子量。
6.根據權利要求I所述的多孔薄膜型固體電解質，其中所述多孔聚合物薄膜具有大約1-200 μ m的大小的微孔。
7.ー種染料敏化太陽能電池，其包括通過將電解質材料注入到多孔聚合物薄膜中而制備的多孔薄膜型固體電解質，所述多孔聚合物薄膜由包括O. l-90wt%的紫外光固化聚合物材料、O. l_10wt%的非離子型乳化劑以及O. 01-0. lwt%的光致交聯(lián)引發(fā)劑的薄膜組合物形成。
8.一種制造染料敏化太陽能電池的方法，包括 在覆有透明導電層的第一基板上形成工作電極； 將根據權利要求I至6中任一項所述的多孔薄膜型固體電解質層疊在所述工作電極上； 在覆有透明涂層的第二基板上形成對電極；并且 將所述第二基板層疊在所述固體電解質上，以使其接觸所述對電扱，并且用密封劑接合和固定所述第一基板和所述第二基板。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多孔薄膜型固體電解質、使用其的染料敏化太陽能電池及其制造方法。更具體地，本發(fā)明公開了一種用于改善染料敏化太陽能電池的長期耐久性的多孔薄膜性固體電解質。本發(fā)明提供了一種通過將電解質材料注入到多孔聚合物薄膜中而制備的多孔薄膜型固體電解質，該多孔聚合物薄膜由包括0.1-90wt％的紫外光固化聚合物材料、0.1-10wt％的非離子型乳化劑以及0.01-0.1wt％的光致交聯(lián)引發(fā)劑的薄膜組合物形成。
文檔編號H01G9/20GK102867649SQ201110364520
公開日2013年1月9日 申請日期2011年10月21日 優(yōu)先權日2011年7月8日
發(fā)明者張容準, 金相學, 金元中, 金容九, 宋美蓮, 宋仁雨, 李芝容, 李起春 申請人:現(xiàn)代自動車株式會社