[发明专利]染料敏化太阳能电池用聚合物电解质和使用其制造染料敏化太阳能电池模块的方法

说明书

技术领域

本发明一般涉及染料敏化太阳能电池用聚合物电解质和使用其制造染料敏化太阳能电池模块的方法，更具体地，本发明涉及不仅可以防止电解质泄漏、而且与常规聚合物电解质相比显示更高太阳能转换效率、并且适用于制造具有大表面积的染料敏化太阳能电池或柔性染料敏化太阳能电池的工艺的染料敏化太阳能电池用聚合物电解质和使用其制造染料敏化太阳能电池模块的方法，所述泄漏是使用液体电解质的常规染料敏化太阳能电池中的最差缺点之一。

背景技术

最近，由于世界范围内的替代能源工业中的投资和绿色增长政策，光伏电池或太阳能电池市场快速增长，因此预期太阳能电池模块的生产以每年50％以上的速率增长。特别地，根据NanoMarkets(光伏行业分析家，在Glen Allen，Va.)，预计太阳能电池模块所产生的电量将从2008年的6千兆瓦上升至2015年的最高34.7千兆瓦(GW)。

然而，由于使用晶体硅的太阳能电池中的结构问题，近来已经开发了使用非晶硅的薄膜太阳能电池或通过使用不锈钢或聚酰亚胺作为近来开发的基材沉积硅而形成的其它产物，所述晶体硅导致太阳能电池模块的高价格，这是因为它们的制造过程非常复杂，并且由于分批生产而使得生产率非常低，所述聚酰亚胺非常柔软并且薄而轻。然而，虽然这种产品具有重量相对轻且降低了生产成本的优点，但是这种类型的太阳能电池具有约6％的效率，这大大低于晶体硅太阳能电池的约7～20％的效率，并且具有使用期限较短的缺点。

由于上述问题，虽然已经进行尝试以开发利用有机材料的光伏效应代替使用硅的太阳能电池，使用这种有机材料的太阳能电池具有能量转换效率低且尤其是在耐久性上具有问题的缺点。瑞士的洛桑联邦理工学院(Polytechnique Fédérale de Lausanne)的教授Michael提出了一种新型太阳能电池，所谓的染料敏化太阳能电池，其由光敏染料粒子和二氧化钛纳米粒子组成，并且报道了约为10％的非常高的能量转换效率，这可与常规无机太阳能电池中基于非晶硅系列的太阳能电池相比较。已知的是，上述染料敏化太阳能电池具有非常高的工业化可能性，因为其生产成本仅为硅太阳能电池生产成本的约20％，并且因此在全世界已有许多对于实际应用的调查研究。

最重要地，因为在上述太阳能电池的开发过程中的硅太阳能电池的高生产成本和电池本身效率的限制，所以低经济可行性已经成为一个问题。另外，对于开发作为日常生活中替代能源的具有容易可行性的太阳能电池模块存在迫切需求。尽管所述行业迄今在实践上主要集中在安装硅基太阳能电池的领域中的开发，但是预期未来的太阳能电池开发将开辟适合于染料敏化太阳能电池、有机太阳能电池和薄膜太阳能电池的各自性能的新应用，并且同时对于新技术存在增加的需求。特别地，尽管硅太阳能电池可以仅用非常大量的光产生电力，但是因为染料敏化太阳能电池即使用少量的太阳直射光线也可以产生电力，所以与作为使用建筑物的壁、窗等产生电力的建筑物集成光伏系统的硅太阳能电池相比，染料敏化太阳能电池可以更有效率地产生电力。因此，虽然将来硅太阳能电池可能进一步开发为大型电站，但是预期日常生活中使用建筑物产生的光伏的大部分将由染料敏化太阳能电池覆盖。此外，因为预测这种太阳能电池的适用性会因为环境友好、透明性和色彩以及在低光量下的效率而扩展到使用室内照明的多种电子仪器或小型便携式器具、汽车以及甚至扩展到衣服，所以为了商业可用性在工业中正在进行大量调查研究。

这种染料敏化太阳能电池首先由瑞士的Michael教授基于植物的光合作用原理而发明，并且由工作电极、具有粘附在其上的染料分子的无机氧化物如二氧化钛的层、液体电解质和对电极组成。通过电极之间的光电化学反应发生光电转化，这种方法的简要说明如下。

首先，工作电极由具有粘附到其上的分子染料的纳米尺寸的氧化物半导体构成，所述分子染料吸收日光以发射电子。当外部光到达分子染料时，染料中的电子被激发到升高的能级然后被氧化物半导体接收以传输到外部。具有升高的能级的电子在流过外电路并且然后到达对电极时消耗它们的能量。发射电子的工作电极中的染料通过电解质接收回电子，并且在通过电解质内的离子迁移供应能量的过程中连续发生这种氧化-还原过程。