染料敏化光伏型电池、模块及其制造方法

摘要

本发明提供一种染料敏化光伏型电池、模块及其制造方法，包括：提供工作电极，并于工作电极上设置第一沟槽以定义第一区域及第二区域，第一区域及第二区域分别设有至少一半导体层；提供对电极，并于对电极上设置第二沟槽以定义第三区域及第四区域，第三区域及第四区域分别设有至少一催化层且分别设有至少一导电线；设置封装层于工作电极的第一区域及第二区域且分别围绕第一区域的至少一半导体层及第二区域的至少一半导体层；于封装层围绕的区域内填充电解液；通过封装层连接工作电极及对电极，第一区域是相对于第三区域且第二区域是相对于第四区域；及通过第一沟槽或第二沟槽，以串联导电元件电连接第二区域的工作导电层与第三区域的导电线。

权利要求

1.一种染料敏化光伏型电池的制造方法，其特征在于，该染料敏化光伏型电池包括一工作电极及一对电极，该工作电极包括一工作基板、一工作导电层及至少一半导体层，该对电极包括一对基板、一对导电层、至少一催化层及至少一导电线，该制造方法包括：提供该工作电极，并于该工作电极上设置一第一沟槽以定义一第一区域及一第二区域，其中该第一区域及该第二区域分别设有该至少一半导体层；

提供该对电极，并于该对电极上设置一第二沟槽以定义一第三区域及一第四区域，其中该第三区域及该第四区域分别设有该至少一催化层且该第三区域及该第四区域分别设有该至少一导电线；

设置一封装层于该工作电极的该第一区域及该第二区域，且该封装层分别围绕该第一区域的该至少一半导体层及该第二区域的该至少一半导体层；

于该封装层围绕的区域内填充一电解液；

通过该封装层连接该工作电极及该对电极，其中该第一区域是相对于该第三区域且该第二区域是相对于该第四区域；及通过该第一沟槽或该第二沟槽，以一串联导电元件电连接该第二区域的该工作导电层与该第三区域的该导电线。

2.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，在填充该电解液后，更包括在一真空环境下，将该工作电极与该对电极进行连接，并固化该封装层及去除该电解液中的气泡。

3.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，更包括分切该染料敏化光伏型电池并移除一无效区，以形成一染料敏化光伏型电池单元。

4.如权利要求3所述的制造方法，其特征在于，更包括利用一外封装膜密封封装该染料敏化光伏型电池单元。

5.如权利要求4所述的制造方法，其特征在于，该外封装膜的水气透过率大于或等于1×10-6g/m2·day，且小于或等于1g/m2·day，及/或该外封装膜的氧气透过率大于或等于1×10-6cc/m2·day，且小于或等于1cc/m2·day。

6.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，该工作导电层及该对导电层中至少一个是以一透明导电材料制成。

7.如权利要求6所述的制造方法，其特征在于，该透明导电材料包括铟锡氧化物、掺氟氧化锡、石墨烯、ZnO-Ga2O3、ZnO-Al2O3、SnO2-Sb2O3或其组合。

8.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，该工作导电层及该对导电层其中之一是以一不透明导电材料制成。

9.如权利要求8所述的制造方法，其特征在于，该不透明导电材料包括钛板、不锈钢板、镀镍铁板、镀镍钛板、镀钛铁板、镀钛钢板或不锈钢塑料复合板。

10.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，该导电线是以包含一导电性颗粒的一油墨印刷在该对电极上而形成。

11.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，更包括设置一导电线保护胶以覆盖该对电极上的该导电线，该导电线保护胶包括抗该电解液腐蚀的一高分子材料。

12.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，该封装层包含抗该电解液腐蚀的一封装材料。

13.如权利要求11或12所述的制造方法，其特征在于，该导电线保护胶及该封装层分别独立地包括热熔封装膜、紫外线固化胶、热硬化封装胶或热熔封装胶。

14.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，该封装层围绕但不接触该半导体层。

15.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，该串联导电元件包括银、碳、铜、石墨烯或其混合物。

16.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，该催化层包括Pt、Ru、Pd、Rh、Ir、Os、WO3、TiO2、石墨或其混合物。

17.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，该电解液为液体电解质、离子液体电解质或液态聚合物电解质。

18.一种染料敏化光伏型电池，其特征在于，该染料敏化光伏型电池是以如权利要求1至权利要求17中任一项所述的制造方法制造而成。

19.一种染料敏化光伏型电池模块，其特征在于，该染料敏化光伏型电池模块是以多个如权利要求18所述的染料敏化光伏型电池串联或并联而成。

说明书

染料敏化光伏型电池、模块及其制造方法

技术领域

[0001] 本发明关于一种染料敏化光伏型电池，特别是指一种以特定方法制造的染料敏化光伏型电池、模块。

背景技术

[0002] 染料敏化光伏型电池(Dye-Sensitized Photovoltaic Cell)，又称染料敏化太阳能电池(Dye-Sensitized Solar Cell,DSSC)，是一种新型的太阳能电池，其原料及制作成本比起传统的硅太阳能电池低廉许多，故近年来引起相当多关注。随着物联网感测器及移动装置等设备的电源供应需求渐渐浮现，在低光源下仍具有优异发电转换效率的DSSC的应用将更重要。

[0003] 近年来，软性DSSC因其重量轻、可挠曲、应用范围广泛等优点，引起了无电池物联网感测器应用业者的高度重视。由于DSSC的单元电压通常大于或等于0.4V，且小于或等于0.6V，如欲将各单元串联以提升电压，传统上是将多个独立的软性DSSC单元在外部利用导线进行串接。但是，由于各独立的软性DSSC单元都有各自的封装边存在，若采用此方法进行单元串联，所产生出的模块的无效区将非常大。

[0004] 另外一种软性DSSC组件的串联方法，是将一侧的工作电极和在另一侧的对电极通过穿孔并于该孔填充导电性材料而串接。该孔贯穿整个DSSC单元且两侧被防护阻隔体保护，以防止电解液泄露与腐蚀导电性材料，若未设置防护阻隔体或防护阻隔体破损，则易导致DSSC失效。

[0005] 通过穿孔进行串联的方法的缺点为，在填充导电性材料之前，需要分别将各DSSC单元钻孔，而此步骤是耗时且会增加DSSC单元的制造成本。此外，为了防止各侧串联用的导电性材料被电解液腐蚀，需设置防护阻隔体保护导电性材料，而防护阻隔体的涂布与制作过程亦会提高DSSC单元的成本。

发明内容

[0006] 有鉴于上述背景技术的问题，本发明的目的就是在提供一种染料敏化光伏型电池的制造方法，以串联与封装DSSC单元。也就是说，通过配合工作电极与对电极基板的图形与形状设计，改变了DSSC单元串联方式。进一步，根据本发明所述的制造方法，不需要在各DSSC单元钻孔与填充串接用的导电性材料，也免去了防护阻隔体的涂布工艺，这种串联与封装的方法可以大幅度减少DSSC组件的制作时间，并可以进一步减少DSSC的制造成本。另外，根据本发明所述的制造方法，由于串联是在电池封装前完成，大幅度降低了因为外部导线串接所产生的无效区域，使根据本发明的DSSC单元具有紧密且薄的结构。

[0007] 根据本发明的一目的，提出一种染料敏化光伏型电池的制造方法，染料敏化光伏型电池可包括工作电极及对电极，工作电极可包括工作基板、工作导电层及至少一半导体层，且对电极可包括对基板、对导电层、至少一催化层及至少一导电线。方法可包括下列步骤：提供工作电极，并于工作电极上设置第一沟槽以定义第一区域及第二区域，其中第一区域及第二区域分别设有至少一半导体层；提供对电极，并于对电极上设置第二沟槽以定义第三区域及第四区域，其中第三区域及第四区域分别设有至少一催化层且第三区域及第四区域分别设有至少一导电线；设置封装层于工作电极的第一区域及第二区域，且封装层分别围绕第一区域的至少一半导体层及第二区域的至少一半导体层；于封装层围绕的区域内填充电解液；通过封装层连接工作电极及对电极，其中第一区域是相对于第三区域且第二区域是相对于第四区域；及通过第一沟槽或第二沟槽，以串联导电元件电连接第二区域的工作导电层与第三区域的导电线。

[0008] 较佳地，在填充该电解液后，前述制造方法可更包括将工作电极置于真空环境下，去除电解液中的气泡。

[0009] 较佳地，前述制造方法可更包括分切染料敏化光伏型电池并移除无效区，以形成染料敏化光伏型电池单元。

[0010] 较佳地，前述制造方法可更包括利用外封装膜密封封装染料敏化光伏型电池单元。

[0011] 较佳地，外封装膜的水气透过率(Water Vapor Transmission Rate，WVTR)大于或等于1×10-6g/m2·day，且小于或等于1g/m2·day，及/或该外封装膜的氧气透过率(Oxygen -6 2 2Transmission Rate，OTR)大于或等于1×10 cc/m·day，且小于或等于1cc/m·day。

[0012] 较佳地，工作导电层及对导电层中至少一个可以透明导电材料制成。

[0013] 较佳地，透明导电材料可包括铟锡氧化物(ITO)、掺氟氧化锡(FTO)、石墨烯、ZnO-Ga2O3、ZnO-Al2O3、SnO2-Sb2O3或其组合。

[0014] 较佳地，工作导电层及对导电层中其中之一可以不透明导电材料制成。

[0015] 较佳地，不透明导电材料可包括钛板、不锈钢板、镀镍铁板、镀镍钛板、镀钛铁板、镀钛钢板或不锈钢塑料复合板。

[0016] 较佳地，导电线可以包含导电性颗粒的油墨印刷在对电极上而形成。

[0017] 较佳地，前述制造方法可更包括设置导电线保护胶以覆盖对电极上的导电线，导电线保护胶可为抗电解液腐蚀的高分子材料。

[0018] 较佳地，封装层可包含抗电解液腐蚀的封装材料。

[0019] 较佳地，导电线保护胶及封装层可分别独立地包括热熔封装膜、紫外线固化胶、热硬化封装胶或热熔封装胶。

[0020] 较佳地，封装层可围绕但不接触半导体层。

[0021] 较佳地，串联导电元件可包括银、碳、铜、石墨烯或上述材料的混合物。

[0022] 较佳地，催化层可包括Pt、Ru、Pd、Rh、Ir、Os、WO3、TiO2、石墨或其混合物。

[0023] 较佳地，电解液可为液体电解质、离子液体电解质或液态聚合物电解质。

[0024] 根据本发明的另一目的，提出一种染料敏化光伏型电池，其可以前述封装方法制造而成。

[0025] 根据本发明的再一目的，提出一种染料敏化光伏型电池模块，其可以多个前述的染料敏化光伏型电池串联或并联而成。

[0026] 通过实施本发明，可以大幅度减少DSSC组件的制作时间，并可以进一步减少DSSC的制造成本，使DSSC单元具有紧密且薄的结构。

[0027] 本发明的上述以及其它目的、特征与优点，在参照以下的详细说明与较佳实施例和随文检附的图式后，将变得明显。

附图说明

[0028] 参考随附的图式来详细说明本发明的示范性实施例，可以让熟习本技术的人士更明白本发明的前述及/或其它特点与优点，其中：

[0029] 图1是根据本发明的一实施例的染料敏化光伏型电池的剖面图。

[0030] 图2A至图2C是根据本发明的一实施例的染料敏化光伏型电池的制造方法的示意图。

[0031] 图3是根据本发明的一实施例的裁切后的染料敏化光伏型电池的示意图。

[0032] 附图标号

[0033] 1：染料敏化光伏型电池

[0034] 100：对电极

[0035] 110：对导电层

[0036] 120：催化层

[0037] 130：导电线

[0038] 140：导电线保护胶

[0039] 150：封装层

[0040] 160：对基板

[0041] 200：工作电极

[0042] 210：工作导电层

[0043] 220：电解液

[0044] 230：半导体层

[0045] 250：工作基板

[0046] 300：第一沟槽

[0047] 300’：第二沟槽

[0048] 400：串联导电元件

[0049] 500：外封装膜

[0050] 600：外封装胶

[0051] 700：染料敏化光伏型电池单元

[0052] L：光线

[0053] S1：第一区域

[0054] S2：第二区域

[0055] S3：第三区域

[0056] S4：第四区域

具体实施方式

[0057] 下文中将参考随附的图式来更完整说明本发明的范例实施例；然而，它们亦可以不同的形式来具现并且不应被视为受限于本文中所提出的实施例。确切地说，本文中提供该些实施例是要让本发明内容更臻透澈与完整，并且完整地传达本发明的范畴给本领域技术人员。

[0058] 在以下说明中，“上”、“下”、“左”、“右”是用来说明元件的相对位置，而非元件的绝对位置。在图式中，各层与区域的维度可能会被放大以达清楚解释的目的。还应该了解的是，当提及某一层或元件位于另一层或基板“之上”时，其可能是直接位于该另一层或基板之上，或者，亦可能存在中间层。此外，还应该了解的是，当提及某一层位于两层“之间”时，其可能是该等两层之间的唯一层，或者，亦可能存在一或多层中间层。所有图式中相同的元件符号表示相同的元件。

[0059] 本说明书中所称“染料敏化光伏型电池、模块及其制造方法”至少是指将染料敏化光伏型电池的工作电极、对电极、组装、串联后，再完成封装的过程。更明确地，本说明书中所称“染料敏化光伏型电池、模块及其制造方法”至少是指组装工作电极、对电极、串联，再使用外封装膜完成封装的过程。

[0060] 现在将参考图1及图2A至图2C来说明根据本发明一示范性实施例的染料敏化光伏型电池及其制造方法。图1所示的是根据一示范性实施例的染料敏化光伏型电池的剖面图，而图2A至图2C所示的是染料敏化光伏型电池的制造方法的示意图。

[0061] 请参照图1，其绘示根据本发明的一实施例的染料敏化光伏型电池1的剖面图。其中，染料敏化光伏型电池1可具可挠性，即其可为软性染料敏化光伏型电池，但不以此为限。染料敏化光伏型电池1包括对电极100、工作电极200、串联导电元件400、外封装膜500及外封装胶600。其中，对电极100及工作电极200，两者是相对设置，并以封装层150相连接，使染料敏化光伏型电池1内部形成一封闭空间，可容纳电解液220。

[0062] 工作电极200包括工作导电层210、半导体层230及工作基板250，工作导电层210可设置于工作基板250的任一侧或两侧，而半导体层230则设置于工作导电层210的上方。

[0063] 对电极100包括对基板160、对导电层110、催化层120及导电线130。在一实施例中，导电线130上更可设置导电线保护胶140，以覆盖导电线130并防止电解液220侵蚀导电线130。对导电层110的一表面上依序设置催化层120及导电线130，亦即半导体层230隔着电解液220与催化层120及导电线130相对，且导电线保护胶体140覆盖导电线130，避免导电线
130接触电解液220。

[0064] 在一实施例中，包含工作基板250、工作导电层210的工作电极200以及包含对基板160、对导电层110的对电极100中至少一个电极以透明材料及透明导电材料所制成，以使光线L通过，达到发电功能。也就是说，在一个实施态样中，工作电极为透明材料所制成，光线可通过工作电极而到达半导体层，进行发电。在另一个实施态样中，对电极为透明材料所制成，光线可通过对电极而到达半导体层，进行发电。在又一实施态样中，工作电极与对电极皆为透明材料所制成，光线可同时通过工作电极与对电极而到达半导体层，进行发电。

[0065] 在图1所示实施例中，工作导电层210可以软性透明导电材料所制成，所使用的软性透明导电材料可包括铟锡氧化物(ITO)、掺氟氧化锡(FTO)、石墨烯、ZnO-Ga2O3、ZnO-Al2O3、SnO2-Sb2O3或上述物质的组合，亦可使用其他已知的透明导电材料，不以此所列举的例子为限制。在另一实施例中，工作导电层210及对导电层110其中之一可用不透明导电材料制成，此不透明导电材料可包括具可挠性的不透明导电材料。在一较佳实施例中，不透明导电材料可包括钛板、不锈钢板、镀镍铁板、镀镍钛板、镀钛铁板、镀钛钢板及不锈钢塑料复合板，亦可使用其他已知可承受电解液腐蚀的导电材料，不以此所列举的例子为限制。

[0066] 半导体层230可为纳米多孔薄膜。在一实施例中，半导体层230的材料可包括Ti、Nb、Zn、Sn、Ta、W、Ni、Fe、Cr、V、Pm、Zr、Sr、In、Ir、La、Mo、Mg、Al、Y、Sc、Sm或Ga等金属的金属氧化物、或上述金属的混合物的金属氧化物。值得注意的是，半导体层230可吸附光敏染料，吸附光敏染料的半导体层230在吸收光线L后可释放电子，达成发电效果。在一实施态样中，半导体层230的厚度较佳大于或等于0.01微米且小于或等于1000微米(μm)、大于或等于0.1微米且小于或等于500微米或大于或等于1微米且小于或等于100微米之间。

[0067] 在一实施例中，催化层120的材料可包括Pt、Ru、Pd、Rh、Ir、Os、WO3、TiO2、石墨或上述材料的混合物。

[0068] 封装层150的材料可选用热熔封装膜、紫外线固化胶、热硬化封装胶、热熔封装胶或其他具有强抗电解液腐蚀性能的封装材料。封装层150的厚度较佳大于或等于0.1微米且小于或等于1000微米、大于或等于0.1微米且小于或等于500微米或大于或等于1微米且小于或等于100微米。

[0069] 导电线130的材料可为银、碳、铜、石墨烯或其他具有导电性能的导电材料。

[0070] 导电线保护胶140的材料可选用热熔封装膜、紫外线固化胶、热硬化封装胶、热熔封装胶或其他具有强抗电解质腐蚀性能的封装材料。导电线保护胶140的厚度较佳大于或等于0.1微米且小于或等于1000微米、大于或等于0.1微米且小于或等于500微米或大于或等于1微米且小于或等于100微米。

[0071] 串联导电元件400的材料可为银、碳、铜、石墨烯、锡或其他具有导电性能的导电材料。

[0072] 电解液220可为液体电解质、离子液体电解质、液态聚合物电解质其中一种。其中，液体电解质可包含有机溶剂，如酯类及腈类和碘化物添加剂；离子液体电解质可包含离子液体，如PMII和碘化物添加剂；以及液态聚合物电解质可包含如聚乙二醇加入戊二醛的乙腈溶液和碘化物添加剂。

[0073] 对基板160及工作基板250可包含高分子薄膜、金属薄板或陶瓷板等材料，亦可使用其他已知可承受电解液腐蚀的材料。其中，高分子薄膜包括但不限于聚对苯二甲酸乙二酯(PET)或聚对萘二甲酸乙二酯(PEN)；而金属薄板包括但不限于钛板或不锈钢板。

[0074] 外封装膜500的材料的水气透过率(Water Vapor Transmission Rate，WVTR)大于或等于1×10-6g/m2·day且小于或等于1g/m2·day，及/或氧气透过率(Oxygen Transmission Rate，OTR)大于或等于1×10-6cc/m2·day且小于或等于1cc/m2·day。

[0075] 外封装胶600的材料可选用热熔封装膜、紫外线固化胶、热硬化封装胶、热熔封装胶或其他具有高阻水阻气能力的封装材料。

[0076] 值得注意的是，图1中所示的染料敏化光伏型电池结构仅为例示性，其具体结构并不以图式所示为限。举例来说，可以在染料敏化光伏型电池上另外设置金属栅极及保护层。

[0077] 在一实施例中，本说明书中所述的染料敏化光伏型电池可以下列步骤制造而成。包括下列步骤：提供工作电极，并于工作电极上设置第一沟槽以定义第一区域及第二区域，其中第一区域及第二区域分别设有至少一半导体层；提供对电极，并于对电极上设置第二沟槽以定义第三区域及第四区域，其中第三区域及第四区域分别设有至少一催化层且第三区域及第四区域分别设有至少一导电线；设置封装层于工作电极的第一区域及第二区域，且封装层分别围绕第一区域的至少一半导体层及第二区域的至少一半导体层；于封装层围绕的区域内填充电解液；通过封装层连接工作电极及对电极，其中第一区域是相对于第三区域且第二区域是相对于第四区域；及通过第一沟槽或第二沟槽，以串联导电元件电连接第二区域的工作导电层与第三区域的导电线。

[0078] 请参照图2A至图2C，其绘示根据本发明的一具体实施例的染料敏化光伏型电池的制造方法。此方法可用以封装、制造图1的染料敏化光伏型电池1，然并不限制于此。本发明所述的染料敏化光伏型电池制造方法可用以串联及封装各种结构不同的染料敏化光伏型电池。

[0079] 首先，请参照图1及图2A所示，提供工作电极200，其包括工作基板250、工作导电层210及半导体层230。工作电极200上可设置L型的第一沟槽300，且根据第一沟槽300可定义出第一区域S1及第二区域S2，而半导体层230则分别设置于第一区域S1及第二区域S2。值得注意的是，半导体层可为一个、两个、三个或多个，其形状不限。在图2A的实施例中，半导体层以三个长方形平行排列为例示，不以此为限。

[0080] 接着，请参照图1及图2B所示，提供对电极100，其包括对基板160、对导电层110、催化层120、导电线130及导电线保护胶140。于对电极100上设置1字型的第二沟槽300’，并由第二沟槽300’定义出第三区域S3及第四区域S4。在图2B的实施例中，催化层全面涂布于对导电层上为例示，不以此为限。

[0081] 再请参照图1及图2A所示，于第一区域S1及第二区域S2的工作导电层210上设置口字型的封装层150，使封装层150围绕半导体层230外侧，形成一封闭空间。将电解液220填充于封装层150内侧，亦即半导体层230，或半导体层230与工作导电层210上方，视封装层150是否接触半导体层230而定。在本实施态样中，封装层150围绕但不接触半导体层230，故电解液220除位于半导体层230上外，亦接触工作导电层210。

[0082] 进一步，请参照图1及图2C所示，将对电极100设置于封装层150，使第一区域S1相对于第三区域S3且第二区域S2相对于第四区域S4，以通过封装层150连接工作电极200及对电极100。也就是说，利用封装层150将工作电极200与对电极100进行贴合，并固化封装层150。

[0083] 最后，利用第一沟槽300或第二沟槽300’作为工作空间，将工作电极200的第二区域S2与对电极100的第三区域S3利用串联导电元件400进行连接，以电连接第二区域S2的工作导电层210与第三区域S3的导电线130，完成串联。

[0084] 在一实施例中，可如图2C所示，沿着虚线将所述完成串联的染料敏化光伏型电池进行分切并移除无效区。在另一实施例中，可将分切后的染料敏化光伏型电池，进一步利用外封装膜500及外封装胶600，将完成分切的染料敏化光伏型电池进行外封装，即完成图3所示的具有串联结构的染料敏化光伏型电池单元700。

[0085] 在一较佳实施例中，在连接工作电极200及对电极100前，可将已填充电解液220的工作电极200置于真空环境下，去除电解液220中的气泡，并在真空下将工作电极200与对电极100进行贴合，并固化封装层150，以去除及避免封装过程所产生的气泡。

[0086] 此外，在另一较佳实施例中，可串联或并联多个上述的染料敏化光伏型电池单元，形成一染料敏化光伏型电池模块，以提供更高的电压或电容量。

[0087] 虽然上述实施例的封装方法是从工作电极开始进行，但并不限于此。在本发明的其他实施态样中，工作电极跟对电极可以交换，也就是先从对电极开始封装。举例来说，首先提供对电极(包括对导电层)。接着于对导电层上设置一封装层，此封装层于对导电层上定义一空间。再来设置工作电极于该封装层之上，以封装层连接对电极与工作电极。

[0088] 本文中已经揭示过本发明的示范性实施例，虽然有用到特定的用词；不过，应该以上位及说明性的意义来解释它们，而且没有限制的目的。据此本领域技术人员便会了解，可以对其形式与细节进行各种变化，其并不会脱离权利要求中所提出的本发明的精神与范畴。