專利名稱：一種用于光伏太陽能建筑一體化的光伏電池裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于可再生能源和建筑材料領域，更具體地，涉及一種可有效結合染料敏化太陽能電池和晶體硅太陽能/薄膜太陽能電池晶體硅太陽能電池各自的特點，并尤其適用于光伏太陽能建筑一體化的光伏電池裝置。
背景技術：
光伏太陽能建筑一體化(BIPV)技術是目前將太陽能運用在建筑上的最有效方式之一，即光伏電池不再僅作為建筑結構上的附加品，而是安裝在例如屋頂、幕墻、門窗玻璃、墻壁等外圍護結構上并與之相結合，由此在作為建筑材料和裝飾材料的同時，還能夠有效吸收太陽能并轉化為電能，從而保證建筑自身用電及向電網供電以緩解高峰電力需求。數據表明，目前中國有480億平方米建筑面積，如果對其中的10%采用BIPV系統，將構成500GW的太陽能專屬市場，這將極大促進薄膜太陽能技術的發展要求，同時使得薄膜玻璃幕墻等產品在國內邁向更廣闊的實質性應用。在現有的BIPV技術中，目前使用最多的將非晶體硅太陽能電池作為光伏太陽能建筑一體化材料，例如，CN201043332Y中公開了一種非晶硅光伏建筑一體化產品，其中采用非晶硅半導體材料做成非晶硅太陽能電池片，將此電池片與玻璃粘貼合，由此構成內層為白色透明玻璃、中層為非晶硅太陽能電池片、外層為玻璃并且內外兩層和中層之間用鑄膜樹脂熱固粘接而成的非晶硅光電板。然而，非晶硅太陽能電池作為BIPV材料必然存在電池透光率低、顏色單調等缺點；此外，非晶硅太陽能電池的生產制造成本高、工藝復雜，這些因素都阻礙了該技術在光伏太陽能建筑一體化中的應用和發展。染料敏化電池(其中最具代表性的例如Gratzel電池)是通過模擬自然界光合作用原理而研制出來的新型太陽能電池，其主要優點在于原料豐富、成本低、加工制造工藝相對簡單。染料敏化太陽能電池顯著特點是透明性和顏色可調，可將從各個角度入射的可見光轉化為電能，因此適用于各種不同光照條件的應用場合。CN101509306A中公開了一種基于染料敏化太陽能電池的光電一體化建筑，其中將納米晶半導體漿料直接涂覆到建筑用的帶有導電基板上制作半導體薄膜，之后吸附染料，制成半導體光陽極；然后粘接對電極，注入電解液并固化粘接由此制得產品。然而，該產品未能充分利用染料敏化太陽能電池的特點，產品整體光電轉化效率有限，限制了其作為光電一體化建筑材料的應用。

實用新型內容針對現有技術的缺陷和技術需求，本實用新型的目的在于提供一種用于光伏太陽能建筑一體化的光伏電池裝置，其將染料敏化太陽能電池與晶體硅太陽能/薄膜太陽能電池結合起來并充分利用它們各自的特點，相應可獲得色彩圖案豐富、光透過率可調，光電轉換效率更高的光伏電池裝置，尤其適用于光伏太陽能建筑一體化的用途。本實用新型提供了一種用于光伏太陽能建筑一體化的光伏電池裝置，其特征在于，該光伏電池裝置由染料敏化太陽能電池與晶體硅太陽能電池或者薄膜太陽能電池通過串聯、并聯或串并聯相結合的方式拼接而成，并形成為可安裝至建筑的層狀結構。作為進一步優選地，所述染料敏化太陽能電池為單層或疊層結構，并包括半導體工作電極、對電極和填充在這兩個電極之間的電解質，其中所述半導體工作電極由導電基底、涂覆在該導電基板上的半導體納米晶膜層、以及吸附在所述半導體納米晶膜層表面上的光敏染料共同構成；所述對電極對于單層結構的染料敏化太陽能電池而言，其由導電基底和設置在該導電基底上的催化劑層構成，對于疊層結構的染料敏化太陽能電池而言，其由與所用工作電極的半導體類型相反的半導體材料與導電基底相疊合并吸附染料而構成；所述電解質中包含有起空穴傳輸作用的氧化還原電對。作為進一步優選地，所述染料敏化太陽能電池中的導電基底為透明氧化物導電玻璃或透明導電聚合物。作為進一步優選地，所述染料敏化太陽能電池中的半導體納米晶膜層由二氧化鈦、氧化鋅、氧化錫、氧化鈮或者氧化鎳構成；催化劑層由鉬、碳、或者導電聚合物構成。作為進一步優選地，所述染料敏化太陽能電池中的光敏染料為全有機染料、葉啉染料或者金屬釕配合物染料。作為進一步優選地，所述染料敏化太陽能電池中的電解質呈固態、液態或者準固態。作為進一步優選地，所述晶體硅太陽能電池包括通過p-n結彼此相連的P型基體層和η型擴散層、以及分別設置在P型基體層和η型擴散層上用于引出所產生電能的上下電極。作為進一步優選地，所述光伏電池裝置安裝在建筑的外圍護結構上，所述外圍護結構包括玻璃幕墻、采光屋頂、門窗玻璃或者墻壁。作為進一步優選地，所述光伏電池裝置的光透過率通過改變染料敏化太陽能電池和晶體硅太陽能電池之間的串并聯連接方式、或者改變染料敏化太陽能電池的透明度來調
難
iF.0作為進一步優選地，所述染料敏化太陽能電池的顏色通過使用吸收波長不同的染料和電解質來調整。作為進一步優選地，所述染料敏化太陽能電池的圖案通過使用吸收波長不同的染料、改變導電基底上半導體納米晶膜的形狀或者改變染料敏化太陽能電池與硅太陽能電池或薄膜太陽能電池之間的串并聯方式調整。總體而言，按照本實用新型的光伏電池裝置與現有技術相比，主要具備以下的技術優點:1、通過將染料敏化太陽能電池和晶體硅太陽能電池二者結合起來用于建筑結構上，能夠在強光條件時發揮后者的高光電轉換效率的特點，而在弱光或光照角度不良的條件時，充分發揮前者在此環境下轉換效率相對更高的優點，從而滿足全天候的光電轉換要求；2、在更好地利用太陽能發電環保節能同時，通過對染料敏化太陽能電池和晶體硅太陽能電池的連接和排列方式進行改變，可以相應對光伏電池裝置的光透過率、光轉換效率根據需要進行調整，具有適用面更廣的特點；3、對染料敏化太陽能電池中各組件的設置方式和類型進行調整，能夠豐富光伏建筑材料在顏色、圖案、透明度上的選擇，同時制備工藝簡單、成本低、可直接作為建筑材料使用，適用于光伏太陽能建筑一體化的各類用途。

圖1是按照本實用新型的光伏電池裝置的構成示意圖；圖2是圖1中所示的染料敏化太陽能電池的結構示意圖。在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結構，其中:1-染料敏化太陽能電池；2-晶體硅太陽能電池；11_半導體工作電極12-對電極；13_電解質；111-導電基底；112-半導體納米晶膜層；113-光敏染料；121-導電基底；122-催化劑層。
具體實施方式
為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，
以下結合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。此外，下面所描述的各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。考慮到現有技術中的基于染料敏化太陽能電池的光伏一體化建筑的存在光電轉換效率較低的缺陷，本發明人經過大量的對比和研究，決定選擇晶體硅太陽能/薄膜太陽能電池與染料敏化太陽能電池組合起來構成新型的光伏電池裝置，該裝置能夠在強光條件時發揮晶體硅太陽能電池的高光電轉換效率的特點，在弱光或光照角度不良的條件時充分發揮染料敏化太陽能電池在此環境下轉換效率相對更高的優點，從而保證將該裝置大面積運用于建筑物外圍護結構如屋頂、幕墻、門窗玻璃、墻壁等，能夠滿足不同條件下的光電高效轉換要求，同時獲得裝置整體外觀圖案豐富、光透過率可調特點，并且具有便于加工制造、結構緊湊，成本低等多方面的優點。下面將以染料敏化太陽能電池與晶體硅太陽能電池的組合為例來說明本實用新型，而染料敏化太陽能電池與薄膜太陽能電池之間的組合與此相類似。圖1是按照本實用新型光伏電池裝置的整體構成示意圖。如圖1中所示，按照本實用新型光伏電池裝置的基本組成包括染料敏化太陽能電池I和晶體硅太陽能電池2，兩者之間通過串聯、并聯或者串并聯相結合的方式進行拼接，由此構成了可安裝至建筑的層狀結構。為了便于與建筑之間的大面積安裝及獲得更高的太陽能利用效果，對于各個染料敏化太陽能電池1，其內部可以為單層或疊層結構；此外，還可以將更多數量的染料敏化太陽能電池I和晶體硅太陽能電池2按照各種適當的排列方式，并通過串聯、并聯或者串并聯相結合的方式拼接起來，由此形成大面積的電池陣列結構。在一個優選實施例中，多個光伏電池裝置拼接所形成的電池陣列結構例如呈平板形或者曲面板形，這樣能夠更方面地、緊密地安裝到建筑的具備不同表面的各種外圍護結構上。在另外一個優選實施例中，所述外圍護結構可以包括建筑的玻璃幕墻、采光屋頂、門窗玻璃、墻壁，以及其他任何適用于實現光伏太陽能建筑一體化的結構。圖2是圖1中所示的染料敏化太陽能電池的結構示意圖。如圖2中所示，染料敏化太陽能電池I包括半導體工作電極11、對電極12和電解質13，其中對電極12與半導體工作電極11相互對置，譬如通過熱熔膠粘結起來以構成內腔，電解質13填充在該內腔中，并含有氧化還原電對。此外，通過從兩個電極分別引出導線，即可將內部光電轉換所產生的直流電流輸出并予以收集。半導體工作電極11由導電基底111、涂覆在導電基板111上的半導體納米晶膜層112、以及吸附在半導體納米晶膜層112表面上的光敏染料113共同構成，其中導電基底11可以選擇譬如為FTO導電玻璃的透明氧化物導電玻璃，或者透明導電聚合物等；半導體納米晶膜層112可以選擇由二氧化鈦、氧化鋅、氧化錫、氧化鈮或者氧化鎳等無機半導體材料構成；光敏染料113可以選擇為全有機染料、葉啉染料、或者金屬釕配合物等。對電極12由導電基底121和設置在該基底上的催化劑層122組成，其中導電基底121可以選擇擇FTO導電玻璃或透明導電聚合物等，催化劑層122可以由鉬、碳、導電聚合物或其他對電解質13中的氧化還原電對起到催化作用的材料構成。電解質13例如呈固態、液態或譬如熔融鹽及離子的準固態形式，并包含起空穴傳輸作用的氧化還原電對。下面將舉例描述染料敏化太陽能電池的制作過程。
首先是半導體工作電極的制作步驟:可以采用激光或是鋅粉和鹽酸將FTO導玻璃上不需要導電的導電膜摻氟氧化錫腐蝕掉并形成條狀，并在各個條狀之間通過絲網印刷上細條銀漿以便收集電流；在有導電膜且沒有銀漿的地方用酒精、乙基纖維素和松油醇配制的直徑10-400納米的二氧化鈦漿料絲網印刷，然后c度燒結30分鐘后形成8-20微米厚的半導體納米晶膜層；接著，將有半導體納米晶膜層的FTO導電玻璃冷卻至8(Γ100度后，浸泡在 0.3mM 釕染料(NaRu(H2dcbpy) (dmbpy) (NCS)2,其中:H2dcbpy=4, 4_ 二羧酸 _2，2_ 聯批P ，dmbpy=4, 4_ 二壬基_2，2-聯卩比唳，NCS=硫氰根)的乙腈溶液中12個小時左右,制成半導體工作電極。對電極的制作步驟是:首先在FTO導電玻璃上打兩個孔，然后在有導電膜的一面涂上一層六氯鉬酸的異丙醇溶液，最后在400-500度燒結形成一層鉬的催化劑層。染料敏化太陽能電池所用電解液的組成為1，3- 二甲基咪唑碘，碘，1- 丁基-1氫-苯并咪唑，硫氰酸胍，溶劑為甲氧基丙腈。當完成染料敏化太陽能電池各個組件部分的制作之后，需要將其組裝起來:將熱熔膠裁剪成合適大小，將其貼在工作電極中二氧化鈦薄膜的四周，然后將對電極有Pt層的一面向內蓋在工作電極上，固定工作電極和對電極的相對位置，加熱并同時加壓然后冷卻，這樣工作電極與對電極即粘到了一起。接著，把電解質通過對電極上的小孔注入到電池內。注入完電解質后封住小孔；然后在電池玻璃邊緣用超聲焊錫改善電子的收集能力，并從兩級引出導線。對于晶體硅太陽能電池或者薄膜太陽能電池2，其晶體硅太陽能電池主要結構包括通過P-n結彼此相連的P型基體層和η型擴散層、以及分別設置在P型基體層和η型擴散層上用于引出所產生電能的上下電極。它的基本工作原理是:當可見光照射到硅晶體表面時，一部分光子被硅材料吸收并將能量傳遞給硅原子，由此使得電子發生躍遷成為自由電子在P-n結兩側聚集形成電位差；當外部接通電路時，將有電流流過外部電路并產生輸出功率。其薄膜太陽能電池，其主要結構是在絕緣性基板上依次疊層透明電極層、薄膜半導體層、內面電極層。它的基本工作原理是利用P-N結半導體的光伏效應將光能直接轉換成電能的。在本實用新型中，所述晶體硅太陽能電池和薄膜太陽能電池2可以按照GB/T14007-92來規定。[0034]在圖1中，染料敏化太陽能電池I和晶體硅太陽能電池2之間的聯接采用的是常用的串聯方式，即染料敏化太陽能電池與晶體硅太陽能電池之間以正負極相聯。通過對圖1中的光伏電池裝置進行光透過率測試，可以看出單獨使用晶體硅太陽能電池時的光透過率基本為0，而本實用新型中的光伏電池裝置在可見光范圍內的光透過率可達到30%左右。此外，通過使用圖1中所示的光伏電池裝置在入射光強度20% (20mW/cm2，標準太陽光條件)的環境下進行測試，測試結果表明:其中染料敏化太陽能電池的開路電壓為672mV，短路電流為密度4.25mA/cm2,填充因子為0.77，效率為9.35% ;晶體硅太陽能電池的開路電壓為395mV，短路電流為密度10.1mA/cm2，填充因子為0.53，效率為10.5% ;而對于由兩者共同組成的光伏電池裝置來說，其開路電壓為1073mV，短路電流為密度3.59mA/cm2，填充因子為
0.55，效率為10%以上。以上數據證明按照本實用新型的光伏電池裝置，即便在光照條件不理想的情況下，也能實現高光透過率大和較高的光電轉換效率，滿足全天候進行光電轉換的要求，并尤其適用于光伏太陽能建筑一體化的用途。此外，按照本實用新型的光伏電池裝置的整體光透過率和光電轉換效率可以通過以下途徑而得以改變:例如對多個染料敏化太陽能電池和晶體硅太陽能電池之間的電連接方式進行調整，或者是對其中的染料敏化太陽能電池的透明度進行改變。為了改變染料敏化太陽能電池自身的透明度，可以通過對其光敏染料的光吸收特性以及染料層的厚度來實現。此外，按照本實用新型的光伏電池裝置除了起到轉換電能、節省能源的作用之外，還能夠對所安裝的建筑起到裝飾作用。例如，可以通過使用吸收波長不同的染料、改變導電基底上半導體納米晶膜的形狀或者改變染料敏化太陽能電池與硅太陽能電池或薄膜太陽能電池之間的串并聯方式等，來改變染料敏化太陽能電池的半導體工作電極的圖案，由此實現不同的視覺效果；半導體工作電極的顏色可以通過改變納米晶漿料上吸附的光敏染料和電解質的顏色而改變。本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。
權利要求1.一種用于光伏太陽能建筑一體化的光伏電池裝置，其特征在于，該光伏電池裝置由染料敏化太陽能電池(I)與晶體硅太陽能電池或者薄膜太陽能電池(2)通過串聯、并聯或串并聯相結合的方式拼接而成，并形成為可安裝至建筑的層狀結構。
2.如權利要求1所述的光伏電池裝置，其特征在于，所述染料敏化太陽能電池(I)為單層或疊層結構，并包括半導體工作電極(11)、對電極(12)和填充在這兩個電極之間的電解質(13)，其中所述半導體工作電極由導電基底(111)、涂覆在該導電基板上的半導體納米晶膜層(112)、以及吸附在所述半導體納米晶膜層(112)表面上的光敏染料(113)共同構成；所述對電極對于單層結構的染料敏化太陽能電池而言，其由導電基底(121)和設置在該導電基底上的催化劑層(122)構成，對于疊層結構的染料敏化太陽能電池而言，其由與所用工作電極的半導體類型相反的半導體材料與導電基底相疊合并吸附染料而構成；所述電解質中包含有起空穴傳輸作用的氧化還原電對。
3.如權利要求2所述的光伏電池裝置，其特征在于，所述染料敏化太陽能電池中的導電基底(111，121)為透明氧化物導電玻璃或透明導電聚合物。
4.如權利要求2或3所述的光伏電池裝置，其特征在于，所述染料敏化太陽能電池中的光敏染料為全有機染料、葉啉染料或者金屬釕配合物染料。
5.如權利要求2或3所述的光伏電池裝置，其特征在于，所述染料敏化太陽能電池中的電解質呈固態、液態或者準固態。
6.如權利要求1所述的光伏電池裝置，其特征在于，所述光伏電池裝置安裝在建筑的外圍護結構上，所述外圍護結構包括玻璃幕墻、采光屋頂、門窗玻璃或者墻壁。
7.如權利要求1或6所述的光伏電池裝置，其特征在于，所述光伏電池裝置的光透過率通過改變染料敏化太陽能電池和晶體硅太陽能電池之間的串并聯連接方式、或者改變染料敏化太陽能電池的透明度來調整。
8.如權利要求1或2所述的光伏電池裝置，其特征在于，所述染料敏化太陽能電池的顏色通過使用吸收波長不同的染料和電解質來調整。
9.如權利要求1或2所述的光伏電池裝置，其特征在于，所述染料敏化太陽能電池的圖案通過使用吸收波長不同的染料、改變導電基底上半導體納米晶膜的形狀或者改變染料敏化太陽能電池與硅太陽能電池或薄膜太陽能電池之間的串并聯方式調整。
專利摘要本實用新型公開了一種用于光伏太陽能建筑一體化的光伏電池裝置，該光伏電池裝置由染料敏化太陽能電池和晶體硅/薄膜太陽能電池通過串聯、并聯或串并聯相結合的方式拼接而成，并形成為可安裝至建筑的層狀結構。通過本實用新型，可以將染料敏化太陽能電池與硅太陽能電池或薄膜太陽能電池結合起來并充分利用它們各自的特點，相應可獲得色彩圖案豐富、光透過率高、光電轉換效率更高的光伏電池裝置，并尤其適用于光伏太陽能建筑一體化的用途。
文檔編號H02N6/00GK202949381SQ20122051228
公開日2013年5月22日 申請日期2012年10月8日 優先權日2012年10月8日
發明者王鳴魁, 白杰, 李志鴻, 徐曉寶, 魯建峰, 曹昆, 崔金 申請人:華中科技大學