一种循环电解液型染料敏化太阳能电池装置

摘要

本发明涉及循环电解液型染料敏化太阳能电池装置，包括导电基底、对电极、纳米多孔半导体薄膜、封装材料和电解液，导电基底上覆盖有经染料敏化剂处理的纳米多孔半导体薄膜，封装材料将纳米多孔半导体薄膜封装在导电基底和对电极之间并形成容置纳米多孔半导体薄膜的空腔，其还包括插入对电极的第一导管和延伸出对电极的第二导管；对电极上纳米多孔半导体薄膜靠近的表面位置处开设有与第一导管连通的第一开口，将来自第一导管的电解液导入所述空腔中与纳米多孔半导体薄膜接触，以及与第二导管连通的第二开口，引导电解液离开空腔；第一导管和第二导管在对电极外部相连通。本发明还提供一种包括这种电池装置的电池板。

权利要求

1.一种循环电解液型染料敏化太阳能电池装置，包括导电基底、对电极、纳米多孔半导体薄膜、封装材料和电解液，导电基底上覆盖有经染料敏化剂处理的纳米多孔半导体薄膜，封装材料将纳米多孔半导体薄膜封装在导电基底和对电极之间并形成容置纳米多孔半导体薄膜的空腔，其特征在于：还包括插入对电极的第一导管和延伸出对电极的第二导管；对电极上纳米多孔半导体薄膜靠近的表面位置处开设有与第一导管连通的第一开口，将来自第一导管的电解液导入所述空腔中与纳米多孔半导体薄膜接触，以及与第二导管连通的第二开口，引导电解液离开空腔；第一导管和第二导管在对电极外部通过设置一泵而相连通。

2.根据权利要求1所述的循环电解液型染料敏化太阳能电池装置，其特征在于：所述泵为恒流泵。

3.根据权利要求1所述的循环电解液型染料敏化太阳能电池装置，其特征在于：所述电解液中包含温度敏感的磁性流体，该磁性流体能够根据温差流动，从而带动电解液流动。

4.根据权利要求1所述的循环电解液型染料敏化太阳能电池装置，其特征在于：对电极外部的第一和/或第二导管上还设置有阀，所述阀允许气体逸出而不允许电解液流出。

5.根据权利要求1所述的循环电解液型染料敏化太阳能电池装置，其特征在于：所述第一和/或第二导管为硬质导管。

6.根据权利要求1所述的循环电解液型染料敏化太阳能电池装置，其特征在于：所述封装材料为杜邦膜。

7.一种循环电解液型染料敏化太阳能电池板，其特征在于：其由权利要求1-6中任一项所述的循环电解液型染料敏化太阳能电池装置阵列组合而形成。

8.根据权利要求7所述的循环电解液型染料敏化太阳能电池板，其特征在于：只在电池板最外围对循环电解液型染料敏化太阳能电池装置进行封装，内部互相连通不进行封装。

9.根据权利要求7所述的循环电解液型染料敏化太阳能电池板，其特征在于：在电池板的相对的两侧面设置多个位于对电极上的孔用于电解液进出导电基底、对电极和封装材料组成的空腔。

说明书

一种循环电解液型染料敏化太阳能电池装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种染料敏化太阳能电池装置，特别是一种循环电解液型染料敏化太阳能电池装置，其利用循环电解液提高了染料敏化太阳能电池装置的性能。

背景技术

[0002] 染料敏化太阳能电池是一种新型的太阳能电池，由于其原料丰富、成本低、工艺技术相对简单，因此在大面积工业化生产中具有较大的优势，同时，所有原材料和生产工艺都是无毒、无污染的，部分材料还可以得到充分的回收，对保护人类环境具有重要的意义。

[0003] 传统的染料敏化太阳能电池通常为“三明治”型结构，包括两片工作电极(即光阳极和阴极)和中间的电解液，其中光阳极包括导电基底、纳米多孔半导体薄膜、染料敏化剂等几部分，其中导电基底通常为有透明导电膜的玻璃板，纳米多孔半导体薄膜通常为金属氧化物，例如，TiO2、SnO2、ZnO等，经染料敏化剂处理后覆盖在导电基底上作为染料敏化太阳能电池的负极(即光阳极)，镀有铂的对电极作为染料敏化太阳能电池的正极(即阴极)，通过封装材料将纳米多孔半导体薄膜封装在导电基底和对电极之间并形成容置纳米多孔半导体薄膜的空腔，电解液在该空腔中与纳米多孔半导体薄膜接触。当光阳极受到阳光照射时，染料敏化剂产生电子，进入外电路形成电流，电解液中的氧化还原电对(例如I-和I3-)在光阳极还原染料，在阴极接收电子，这样就实现了电池的功能。在这种结构中，电解液被封闭在阴阳极之间，其中的氧化还原电对通过扩散的方式进出纳米多孔半导体薄膜，这种结构中的氧化还原电对的传质是扩散控制的。众所周知，扩散的驱动力是浓度梯度，氧化还原电对的氧化还原反应必然造成氧化剂(例如I-)在纳米多孔半导体薄膜中的大量堆积和还原剂(例如I3-)的浓度不足，在这种情况下，必然会使电荷重组反应加剧，同时抑制染料再生反应。

[0004] 目前，一些研究者尝试在电解液中加入叔丁基砒啶(tert-butylpyridine)，或者在纳米多孔半导体薄膜表面形成一层致密的薄膜(例如致密的TiO2薄膜)，或者通过设计染料的空间结构来抑制电荷重组反应。这些措施能够在一定程度上减轻电荷重组反应，但是并不能从根本上解决电荷重组的问题。

[0005] 另外，在现有技术中，通常采用的是在对电极上打孔灌注电解液之后再封住孔的技术方案，因此还存在封装困难和易泄露的缺陷。

发明内容

[0006] 为了从根本上解决传统“三明治”型染料敏化太阳能电池所具有的电荷重组反应速度快、染料再生反应速度慢、封装困难和易泄露的技术问题，本发明提供了一种循环电解液型染料敏化太阳能电池装置。

[0007] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

[0008] 一种循环电解液型染料敏化太阳能电池装置，包括导电基底、对电极、纳米多孔半导体薄膜、封装材料和电解液，导电基底上覆盖有经染料敏化剂处理的纳米多孔半导体薄膜，封装材料将纳米多孔半导体薄膜封装在导电基底和对电极之间并形成容置纳米多孔半导体薄膜的空腔，其还包括插入对电极的第一导管和延伸出对电极的第二导管；对电极上纳米多孔半导体薄膜靠近的表面位置处开设有与第一导管连通的第一开口，将来自第一导管的电解液导入所述空腔中与纳米多孔半导体薄膜接触，以及与第二导管连通的第二开口，引导电解液离开空腔；第一导管和第二导管在对电极外部相连通。

[0009] 作为对上述技术方案的改进，第一导管和第二导管在对电极外部通过设置一泵而相连通。

[0010] 作为对上述技术方案的进一步改进，所述泵为恒流泵。

[0011] 作为对上述技术方案的改进，所述电解液中包含温度敏感的磁性流体，该磁性流体能够根据温差流动，从而带动电解液流动。

[0012] 作为对上述技术方案的进一步改进，对电极外部的第一和/或第二导管上还设置有阀，所述阀允许气体逸出而不允许电解液流出。

[0013] 作为对上述技术方案的改进，所述第一和/或第二导管为硬质导管。

[0014] 作为对上述技术方案的改进，所述封装材料为杜邦膜。

[0015] 本发明还提供一种循环电解液型染料敏化太阳能电池板，其由上述循环电解液型染料敏化太阳能电池装置阵列连接组合而形成。

[0016] 作为对上述技术方案的改进，所述循环电解液型染料敏化太阳能电池装置按照16*16的阵列组合在一起。

[0017] 作为对上述技术方案的改进，只在最外围对循环电解液型染料敏化太阳能电池装置进行封装，内部互相连通不进行封装。

[0018] 作为对上述技术方案的改进，在所述循环电解液型染料敏化太阳能电池板的相对的两侧面设置多个孔用于电解液进出导电基底、对电极和封装材料组成的空腔。

[0019] 本发明的有益效果是：该装置通过循环电解液的方式极大地加快了氧化还原电对在装置内的传质，传质速度的加快将会有效地抑制电荷重组反应，并且促进染料再生反应，从而有效地提高染料敏化太阳能电池的效率。由于这种循环电解液型装置是在电池封装好之后注入电解液，能够极大地简化封装过程。这种循环装置还能够方便地排出有机电解液的蒸汽，以及方便地注入新鲜的电解液，解决了染料敏化太阳能电池使用寿命短的问题，有利于染料敏化太阳能电池的进一步工业化应用。

附图说明

[0020] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

[0021] 图1所示为本发明的循环电解液型染料敏化太阳能电池装置的结构示意图；

[0022] 图2所示为本发明的循环电解液型染料敏化太阳能电池装置的分解结构示意图；

[0023] 图3所示为包括本发明的循环电解液型染料敏化太阳能电池装置的太阳能电池板的俯视图。

具体实施方式

[0024] 附图中所示为根据本发明原理的一个具体实施例，详细描述了电解液的传输过程以及本发明的实现方式，其仅为一个实例，不具有限制作用，其中的纳米多孔半导体薄膜采用TiO2薄膜，封装材料采用杜邦膜，电解液中的氧化还原电对为I-和I3-。

[0025] 参照图1，为本发明的循环电解液型染料敏化太阳能电池装置的结构示意图，电解液的流动方向如图中的箭头所示，由第一导管11进入对电极2，最后从第二导管12流出对电极2。

[0026] 参照图2，为本发明的循环电解液型染料敏化太阳能电池装置的分解结构示意图，更清楚地展示了本发明装置的内部结构。

[0027] 本发明的循环电解液型染料敏化太阳能电池装置包括导电基底5、对电极2、TiO2薄膜3、杜邦膜4和电解液，TiO2薄膜3经染料敏化剂处理后覆盖在导电基底5上，杜邦膜4将TiO2薄膜3封装在导电基底5和对电极2之间并形成容置TiO2薄膜3的空腔，其还包括插入对电极2的第一导管11和延伸出对电极2的第二导管12；对电极2上TiO2薄膜靠近的表面位置处开设有与第一导管11连通的第一开口21，将来自第一导管11的电解液导入空腔中与TiO2薄膜3接触，以及与第二导管12连通的第二开口22，引导电解液离开空腔；第一导管11和第二导管12在对电极2外部相连通。

[0028] 在图2中，第二导管12在对电极2中的结构采用局部剖视图表示，第一导管11与第二导管12在对电极中的部分结构相同，分别用于连通第一导管11与第一开口21以及第二导管12与第二开口22，使第一导管11/第二导管12中的电解液流入/流出对电极。

[0029] 参见图2中的箭头所示，电解液的流动路径如下所述：电解液由第一导管11进入对电极，然后经对电极上的第一开口21流入空腔中，与TiO2薄膜3接触并与其上吸附的染料反应，然后经对电极2上的第二开口22进入第二导管12，最后流出对电极2，第一导管11和第二导管12在对电极2外部相连通，这样电解液就能够在上述路径中循环往复。

[0030] 优选地，第一导管11和第二导管12在对电极2外部通过设置一泵而相连通，电解液在泵的驱动下流动。

[0031] 作为对上述实施方式的进一步改进，所述泵为恒流泵。

[0032] 作为上述实施方式的替换，不采用泵，而是在电解液中加入温度敏感的磁性流体，该磁性流体能够根据温差流动，从而带动电解液流动。

[0033] 作为对上述实施方式的改进，还可在对电极2外部的第一导管11和/或第二导管12上设置阀，所述阀允许气体逸出而不允许电解液流出。

[0034] 优选地，第一导管11和/或第二导管12为硬质导管，方便安装至对电极2中。

[0035] 通过泵的驱动或者温度敏感的磁性流体的带动，使电解液充分流动，从而使氧化还原电对的传质机理从扩散变为强制对流，极大地加快了氧化还原电对在装置内的传质。强制对流的传质速度是扩散的数十倍，这种传质过程将会快速地把I3-输送到TiO2薄膜中，并把I-快速地传输出TiO2薄膜。这种传质速度的加快将会有效地抑制电荷重组反应，并且促进染料再生反应，从而有效地提高染料敏化太阳能电池的效率。

[0036] 由于这种循环电解液装置是在电池封装好之后注入电解液，能够极大简化封装过程，有效解决泄露问题，当电解液不足时，从导管上注入即可，方便快捷。同时还可以设置阀，方便排出有机电解液的蒸汽以及注入新鲜的电解液，解决了染料敏化太阳能电池使用寿命短的问题，有利于染料敏化太阳能电池的进一步工业化应用。

[0037] 参照图3，为根据本发明提供的一种循环电解液型染料敏化太阳能电池板的一个实施例，其包括按照16*16的阵列组合在一起的循环电解液型染料敏化太阳能电池装置，每个循环电解液型染料敏化太阳能电池装置称为一个模块，只在电池板最外围进行封装，各模块内部互相连通不进行封装，节省封装材料。电解液通过在电池板的上下侧面设置五个位于阴极上的孔进出阳极、阴极和封装材料组成的空腔。电解液通过空腔时能够有效地与阴极以及阳极上的二氧化钛薄膜接触。由于各个模块之间不进行封装，因此，通过尽量减少模块之间的间距和加大单个模块的面积来减少直接跟电解液接触的导电基底的面积，从而最大程度上的避免电荷重整反应的发生。

[0038] 这种整块的太阳能电池板能够充分利用泵的驱动，模块的数量越多，整体的效率也就越高，这是因为在泵的功率一定的情况下，电池模块的数量越多，产生的能量就越多，从而整体的效率提高。

[0039] 以上所述，只是本发明的较佳实施方式而已，但本发明并不限于上述实施例，只要以任何相同或相似手段达到本发明的技术效果，都应落入本发明的保护范围之内。