專利名稱：密封式整體光電化學(xué)系統(tǒng)及制造密封式整體光電化學(xué)系統(tǒng)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1前序部分的密封式整體光電化學(xué)系統(tǒng)。 本發(fā)明基于包括電絕緣基體、導(dǎo)電圖案的結(jié)構(gòu)，所述導(dǎo)電圖案包括承栽 區(qū)域、連接所述承栽區(qū)域與第一端子的第一組接觸通路和從第二端子向 接觸部分延伸的第二組接觸通路。多孔結(jié)構(gòu)陣列布置于所述承載區(qū)域 上。各多孔結(jié)構(gòu)包括工作電極、絕緣層和反電極。
本發(fā)明還涉及根據(jù)權(quán)利要求11前序部分的制造密封式整體光電化 學(xué)系統(tǒng)的方法。本發(fā)明尤其涉及制造如上所述結(jié)構(gòu)的方法，其中以陣列 形式布置于基體上的電化學(xué)電池由多孔結(jié)構(gòu)形成，所述多孔結(jié)構(gòu)包括多 孔工作電極、多孔絕緣層和多孔反電極，所述多孔絕緣層位于所述工作 電極頂部并與工作電極接觸，所述多孔反電極至少部分位于所述絕緣層 頂部并與絕緣層接觸。所述電極和絕緣層優(yōu)選通過燒結(jié)形成。
背景技術(shù)：
整體電化學(xué)系統(tǒng)是本領(lǐng)域以前就已知的。整體電化學(xué)系統(tǒng)是工作電 極和反電極組裝為單一整合體的電化學(xué)系統(tǒng)。工作電極和反電極通過多 孔絕緣材料中間層隔開。工作電極和反電極由多孔結(jié)構(gòu)構(gòu)成且電解質(zhì)至 少部分填充所述多孔結(jié)構(gòu)，其為包括形成工作電極的層、形成反電極的 層和分隔反電極與工作電極的絕緣層的整體結(jié)構(gòu)。
整體光電化學(xué)系統(tǒng)的早期實例公開于W097/16838中，其涉及由多 個串聯(lián)的光伏電池的整體組件組成的光伏電池電池組。
傳統(tǒng)的光電化學(xué)系統(tǒng)包括提供有第一電極的第一基體和提供有第 二電極的第二基體。布置所述第一和第二基體，使得所述電極彼此面對 同時在其間留下小的間隙。為確保所述間隙的大小在所需的范圍內(nèi)，可使用隔離器(例如隔板)來將基體隔開一定的距離。系統(tǒng)在第一和第二基 體的邊緣處以及相鄰的電連接電池之間密封，以防止電解質(zhì)使電池間接 通。為產(chǎn)生在系統(tǒng)的整個有效區(qū)域上(即電極的全部區(qū)域上)具有均勻性 質(zhì)的光電化學(xué)系統(tǒng)，必須使電極間的距離保持在較窄的范圍內(nèi)，這使得 制造困難。為避免電解質(zhì)使相鄰電池間接觸，兩個基體的水平定位必須 高度精確，這使得制造困難。這種傳統(tǒng)的雙片型光電化學(xué)系統(tǒng)的另一個
缺陷在于電解質(zhì)通常得在系統(tǒng)組裝之后引入。引入電解質(zhì)的通道的開 口必須在引入電解質(zhì)后密封好，以防止電解質(zhì)泄漏和例如水滲入電池。 各個電池需要單獨的開口，導(dǎo)致具有許多電池的系統(tǒng)需要大量開口，這 使生產(chǎn)變得困難。通過狹窄的通道向基體之間基本封閉的空間中引入電 解質(zhì)可能導(dǎo)致在系統(tǒng)中產(chǎn)生氣穴或電解質(zhì)的不均勻分布，這二者均降低 系統(tǒng)的品質(zhì)。
整體電化學(xué)系統(tǒng)已顯示出提供非常緊湊和筒單的設(shè)計，其中所述電 化學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)造使得可不必要求第一基體與第二基體在位置上隔開特 定的距離。在這種情況下，可通過施加到基體上的多層結(jié)構(gòu)構(gòu)造電化學(xué) 系統(tǒng)，其后封閉電化學(xué)系統(tǒng)。吸光染料和電解質(zhì)優(yōu)選在封閉電化學(xué)系統(tǒng) 之前引入。所述結(jié)構(gòu)可合適地通過至少一個聚合物層的柔性片封閉，所 述柔性片優(yōu)選在熱和低于大氣壓下施加到所述結(jié)構(gòu)。
整體光電化學(xué)系統(tǒng)的實驗已表明，難以在基體上制造使電池給出相 同性質(zhì)或在所需范圍內(nèi)的性質(zhì)的整體光電化學(xué)電池陣列，即便電池在相 同基體上同時制造也是如此。單個光電化學(xué)電池的特征在于其電流-電 壓特性。電池的電流-電壓特性隨光強(qiáng)和光鐠而異。描述光電化學(xué)電池
的電流-電壓特性的重要數(shù)據(jù)是短路電流(Isc)、開路電壓(U。e)和最大功率 點(Pmax)，最大功率點是在測定中所用的特定光條件下電池能給出的最 高能量輸出。術(shù)語占空系數(shù)(ff)常用來將曲線描述為ff=Pmax/(U。c*Isc)。為 減小布置于共同基體上各個電池的電流-電壓特性的差異，對生產(chǎn)的要 求趨向于變得更加嚴(yán)格，需要更高質(zhì)量的化學(xué)組分純度、生產(chǎn)環(huán)境和生 產(chǎn)工藝。這樣的措施使生產(chǎn)變得昂貴得多。 一個重要的例子是必須完美 地控制工作電極、絕緣層和反電極的沉積，以便避免反電極部分穿透與 工作電極接觸的絕緣層和/或基體上的中間導(dǎo)電層，引起能量損失以及 因此引起共同基體上各個電池的電流-電壓特性的差異。由于為獲得最 佳電池性能需要薄的絕緣隔離層(因為薄絕緣隔離層使含有氧化還原對的電解質(zhì)在兩個工作和反電極之間的擴(kuò)散簡化)，因此這變得更加關(guān)鍵。
整體光電化學(xué)系統(tǒng)的多孔反電極應(yīng)滿足以下條件l)是良電導(dǎo)體， 以避免通過反電極輸運電子過程中的能量損失；2)是用于電解質(zhì)的氧化 還原對的良好的催化劑；和3)對基體上的中間導(dǎo)電層具有良好的粘附 性。整體光電化學(xué)系統(tǒng)的實驗已表明，難以將這三種特性組合于一種反 電極材料中。當(dāng)嘗試將這三種特性組合于一種多孔反電極材料中時，至 少有一種特性總是表現(xiàn)得不充分，從而導(dǎo)致能量損失并因此降低整體光
電化學(xué)系統(tǒng)的效率。
整體光電化學(xué)系統(tǒng)中的電極傳統(tǒng)上通過例如絲網(wǎng)印刷工藝中選擇 性沉積骨體形成，在其上燒結(jié)電極，以便燒去骨體的有機(jī)殘余物并在多 孔電極的顆粒間產(chǎn)生電接觸。在現(xiàn)有技術(shù)中，這是在沉積電極層之后的 一個燒結(jié)工藝中完成的。整體光電化學(xué)系統(tǒng)的實驗已表明，工作電極和 反電極的性質(zhì)取決于燒結(jié)溫度，并且不同層具有不同的最佳燒結(jié)溫度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供一種具有多個布置于共同基體上的電池 的整體光電化學(xué)系統(tǒng)，相對于現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)，所述整體光電化學(xué)系統(tǒng)具 有改進(jìn)的效率而不對生產(chǎn)工藝提出更嚴(yán)格的要求，從而能使這類電化學(xué) 系統(tǒng)成本有效地生產(chǎn)。
該目的通過根據(jù)權(quán)利要求1特征部分的密封式整體系統(tǒng)實現(xiàn)。本發(fā) 明基于在基體上并聯(lián)連接多個光電化學(xué)電池，而不是按現(xiàn)有技術(shù)方案那 樣串聯(lián)連接多個光電化學(xué)電池。
本發(fā)明基于如下三個觀察結(jié)果
1) 制造于相同基體上的各個整體光電化學(xué)電池間的短路電流和占 空系數(shù)不同，即便其同時制造也是如此，而對于這類電池來說，開路電 壓的變化要小得多。
2) 制造于相同基體上的各個整體光電化學(xué)電池間的長期穩(wěn)定性 (即，電池隨時間推移的性能)不同，即便其同時制造也是如此。各個電池的差異隨短路電流和/或占空系數(shù)的不同演變而出現(xiàn)，而對于這類電 池來說，開路電壓的演變差不多相同。
3)當(dāng)通過例如遮蔽使整體光電化學(xué)電池的一部分比電池的其余部 分暴露于較低的光強(qiáng)時，電池的開路電壓保持恒定或僅略微降低。另一 方面，電池的短路電流與暴露于較少光中的面積成比例地降低。這可部 分地由以下事實解釋整體光電化學(xué)電池中的短路電流隨光強(qiáng)線性增 大，而開路電壓隨光強(qiáng)按對數(shù)關(guān)系增大。但實驗中開路電壓的小變化比 預(yù)期的要小，表明所述系統(tǒng)具有出人意料的有用的品質(zhì)。
在光電化學(xué)系統(tǒng)中的各個電池并聯(lián)連接的情況下，也就是說電池的 工作電極與第一端子相連而反電極與第二端子相連時，系統(tǒng)的電流-電 壓特性通過將端子的各特定電壓下各電池的電流相加給定。相比之下， 在電化學(xué)系統(tǒng)中的各個電池串聯(lián)連接的情況下，也就是說一個電池的反 電極與另一個電池的工作電極相連時，系統(tǒng)的電流-電壓特性通過將在 流過電池的各電流下各電池上的電壓相加給定。由于本發(fā)明人觀察到就 不同的短路電流和占空系數(shù)而言，制造于相同基體上的整體光電化學(xué)電 池從制造日起已經(jīng)或由于電池隨時間推移的不同變化具有不同的電流-電壓特性，故與串聯(lián)連接相比，當(dāng)將這類電池并聯(lián)連接時，能量損失(即， 相對于系統(tǒng)中各電池最大功率輸出的和，系統(tǒng)的最大功率輸出)將要小 一些，即這類電池并聯(lián)連接的最大功率點將高于串聯(lián)連接。本發(fā)明人所 做的實驗已證實，電池并聯(lián)布置使電流-電壓特性具有所述變化的整體 光電化學(xué)系統(tǒng)比所述電池串聯(lián)布置的光電化學(xué)系統(tǒng)有效。代替開發(fā)減小 共同基體上各個電池特性差異的更精細(xì)的生產(chǎn)方法，本發(fā)明人已提出并 聯(lián)布置電池，而不是如現(xiàn)有技術(shù)方案中提出的那樣串聯(lián)布置。
在串聯(lián)連接的光電化學(xué)電池陣列中的一個或數(shù)個電池的短路電流 低于其他電池但開路電壓與其他電池相近的情況下，這類不匹配的電池 可能在高于該不匹配的電池的短路電流的電流下工作。因此，電池將在 負(fù)偏壓下工作并消耗能量。在并聯(lián)連接的系統(tǒng)中，因為對于電流-電壓 特性的電壓水平來說系統(tǒng)的電流-電壓特性由通過各電池的電流相加給 定，所以不存在這種情況。相比之下，在并聯(lián)連接的光電化學(xué)電池陣列 中的一個或數(shù)個電池的開路電壓低于其他電池但短路電流與其他電池 相近的情況下，具有較低開路電壓的電池可能在電池并聯(lián)連接的系統(tǒng)中在高于不匹配電池的開路電壓的電壓下工作。電池可因此在負(fù)電流下工 作并消耗能量。在串聯(lián)連接的系統(tǒng)中，因為系統(tǒng)的電流-電壓特性由通 過電池的各電流下各電池上的電壓相加給定，所以不存在這種情況。由 于本發(fā)明人觀察到制造于相同基體上的整體光電化學(xué)電池從制造日起
而言具有不同的電流-電壓特性但開路電壓非常相似，故并聯(lián)連接系:統(tǒng) 中發(fā)生電池消耗能量的情形將比串聯(lián)連接少得多。
當(dāng)為了將光轉(zhuǎn)化為電能而將光電化學(xué)系統(tǒng)安裝在戶外時，很可能會 使布置于共同基體上的某些太陽能電池的一部分暫時位于陰暗處，而使 其余部分位于陽光直射下。由于本發(fā)明人觀察到當(dāng)電池被部分或完全遮 蔽時開路電壓保持恒定或僅略微降低，故在部分遮蔽具有在相同基體上 的電池陣列的整體光電化學(xué)系統(tǒng)的情形下，與串聯(lián)連接的電池相比，電 池的并聯(lián)連接應(yīng)導(dǎo)致能量損失較低。本發(fā)明人已就此進(jìn)行了實驗，證實 在相連電池的陣列中部分遮蔽一個或數(shù)個電池的情況下，與電池串聯(lián)連 接的情形相比，當(dāng)電池并聯(lián)布置時，作為相連電池系統(tǒng)的輸出將得到更 多由各個電池產(chǎn)生的能量。
此外，在用作將光轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)備的光電化學(xué)系統(tǒng)中的單個電池 或一些電池至少部分位于陰暗中的情況下，在所述光電化學(xué)系統(tǒng)中電池 串聯(lián)連接于共同基體上，或者如果一個或一些電池的短路電流因電池產(chǎn) 生時的差異或由于電池的老化不同而比其他電池的短路電流高，則當(dāng)系 統(tǒng)在高于這個或這些電池的短路電流的電流下工作時，電流將在反偏壓 即負(fù)極性下通過這個或這些電池。由于反偏壓下電池中的能量消耗，這 可能導(dǎo)致電池衰減，并且無疑會導(dǎo)致系統(tǒng)效率降低。在電池并聯(lián)連接的
整體光電化學(xué)系統(tǒng)中，由于本發(fā)明人的如下三點觀察l)相對于未遮蔽
的情形，部分遮蔽的整體光電化學(xué)電池的開路電壓保持恒定或略微降
低，2)對于制造于共同基體上的電池來說開路電壓近似恒定，和3)對于 制造于相同基體上的電池來說開路電壓的演化比短路電流平穩(wěn)得多，故 出現(xiàn)這個問題的風(fēng)險要低得多。因此，與電池串聯(lián)連接的情形相比，當(dāng) 電池并聯(lián)布置時，可更有效地避免由于部分遮蔽而造成電池在反偏壓下 工作，從而使系統(tǒng)的功率輸出更高、壽命更長。
優(yōu)選的實施方案在附隨的權(quán)利要求中公開。反電極具有第一端部，所述第一端部向下延伸至通向端子的接觸通 路并與之接觸。在第一特別優(yōu)選的實施方案部分中，反電極包括與反電 極的其余部分組成不同的接觸層，所述接觸層位于所述第一端部并與和 所述接觸通路相連的接觸部分接觸。接觸層具有與反電極的其余部分不 同的性質(zhì)。選擇形成所述接觸層的材料，以使其比選擇用來形成反電極 其余部分的材料更好地粘附于接觸部分和/或基體。
通過在兩個不同的燒結(jié)工藝中燒結(jié)工作電極和反電極，可對各電極
的燒結(jié)工藝加以優(yōu)化。對于優(yōu)選由Ti02組分形成的工作電極來說燒結(jié) 工藝優(yōu)選在約4501C的溫度下進(jìn)行，而對于優(yōu)選由碳制成的反電極來說 燒結(jié)工藝在約390"C下進(jìn)行。通過在較低的溫度下燒結(jié)碳反電極，獲得 電阻明顯較小的反電極。這導(dǎo)致通過整體光電化學(xué)電池中的反電極輸運 電子時引起的能量損失較小，因此電池效率較高。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案中，反電極在第一和第二工藝步驟中 沉積到基體上，其中反電極的接觸層在第一步中施加而反電極的其余部 分在第二步中施加。通過引入接觸層，反電極與接觸通路和/或基體間 可獲得增加的粘附力，而對反電極其余部分的導(dǎo)電性沒有不利影響。


下面參照附圖進(jìn)一步詳細(xì)描述本發(fā)明的實施方案，在附圖中，
圖l示出承栽導(dǎo)電層的基體的俯視圖。
圖2示出沿圖1中基體A-A線的橫截面。
圖3示出布置在如圖1所示的基體上的整體系統(tǒng)。
圖4示出沿圖3中整體系統(tǒng)B-B線的橫截面。
圖4a更詳細(xì)地示出圖4的C部分。
圖5示出布置于基體上的導(dǎo)電圖案的第二實施方案。
圖6示出沿通過圖5中所示基體D-D線的橫截面。圖7示出形成承載區(qū)域和接觸部分的中間層。
圖8示出第一和第二組接觸通路中所含的導(dǎo)體。
圖9示出布置于基體上的導(dǎo)電圖案的第三實施方案。
圖10示出形成圖9中所示實施方案的承載區(qū)域和接觸部分的中間層。
圖11示出形成圖9中所示實施方案的承載區(qū)域和接觸部分的中間 層，其中兩個承載區(qū)域之間的區(qū)域中中間層的形狀采用另一種布置。
圖12a、 b示出沿通過圖5中所示基體D-D和E-E線的橫截面。
圖13a、 b示出布置于一個基體上的兩個一組的整體光電化學(xué)電池， 其中導(dǎo)體安放在中間層下。
圖14示出布置在基體上的整體光電化學(xué)電池，其中導(dǎo)體安放在中 間層和反電極上。
圖15a、 b示出布置于一個基體上的兩個一組的整體光電化學(xué)電池， 其中導(dǎo)體與電解質(zhì)溶液化學(xué)相容。
圖16示出包括由間隙隔開以一行細(xì)長電池布置的多個電池的整體 光電化學(xué)系統(tǒng)。
圖17示出三個差不多相同的電池單獨、串聯(lián)連接和并聯(lián)連接的電 流-電壓特性。
圖18示出作為如圖17中的電池單獨、串聯(lián)和并聯(lián)時電壓的函數(shù)的 功率。
圖19示出如圖17或18布置的電池的電流-電壓特性，其中一個電 池被部分遮蔽。
圖20示出作為如圖118中電池的單獨、串聯(lián)和并聯(lián)時的電壓的函數(shù) 的功率，其中一個電池被部分遮蔽。
所述附圖僅是示意性的而非限制性的。在附圖中，出于示意的目的，一些元件的尺寸可能被放大而未按比例繪制。特別是與包括承載區(qū)域、 反電極、絕緣層和工作電極在內(nèi)的多個層的橫向尺寸相比，各個層的厚 度尺寸,皮大幅放大。
具體實施例方式
圖1示出整體電化學(xué)系統(tǒng)1的基體2。合適的基體是本領(lǐng)域熟知的， 可優(yōu)選由玻璃或塑性材料制成?；w承載導(dǎo)電圖案3，導(dǎo)電圖案3包括 布置以支承工作電極12的承載區(qū)域4、與反電極14相連的接觸部分10、 連接所述承載區(qū)域4與第一端子6的第一組接觸通路5、連接所述接觸 部分10與笫二端子8的第二組接觸通路7。導(dǎo)電圖案3可以以結(jié)構(gòu)化圖 案形式在導(dǎo)電材料中間層中提供。適合用來制造電化學(xué)系統(tǒng)的中間層是 本領(lǐng)域熟知的。激光結(jié)構(gòu)化的TCO玻璃板(如來自Hartford Glass的 TEC 15歐姆/平方)可合適地作為基體和導(dǎo)電材料的圖案提供。在圖1 所示的基體中，導(dǎo)電圖案完全由中間導(dǎo)電材料的結(jié)構(gòu)化圖案構(gòu)成。導(dǎo)電 材料的圖案也可如圖13a、 13b、 14和15a、 15b中公開的實施方案中所 公開的那樣包括布置于工作電極頂部或反電極頂部的導(dǎo)電接觸部分。
在圖l所示的實施例中，中間層包括形成承載區(qū)域4的第一和第二 矩形部分。在承載區(qū)域4之間，導(dǎo)電區(qū)域形成接觸部分10和第二組接 觸通路7的一部分。所述導(dǎo)電區(qū)域延伸至第二端子8處以與外部電路連 接。此外，承載區(qū)域提供有通向第一端子6的延伸，該延伸形成第一組 接觸通路5的一部分。這里在這個實施例中，由于接觸通路和接觸區(qū)域 二者形成在中間層中形成的單個不間斷區(qū)域的一部分，故接觸部分10 與通向第二端子6的接觸通路7之間的分界純粹是虛擬的。此外，由于 接觸通路和承栽區(qū)域二者形成在中間層中形成的單個不間斷區(qū)域的一 部分，故承載區(qū)域4與通向第一端子6的接觸通路5之間的分界純粹是 虛擬的。所述區(qū)域可通過例如按常規(guī)方法激光結(jié)構(gòu)化或化學(xué)蝕刻選擇性 地去除中間層或通過例如絲網(wǎng)印刷選擇性地涂覆中間層形成。
圖2示出沿圖1中基體A-A線的橫截面?；w2承栽導(dǎo)電圖案3， 其由位于基體上的導(dǎo)電材料的結(jié)構(gòu)化中間層形成。圖中示出承載區(qū)域4 與第一接觸通路5的一部分間的虛擬分界以及接觸部分10與第二組接 觸通路7的一部分間的虛擬分界。從接觸部分10和第二接觸通路7由導(dǎo)電材料的連續(xù)不間斷層形成的意義上來說，所述分界是虛擬的。在同
樣意義上，因為承栽區(qū)域4和第一組接觸通路5由導(dǎo)電材料的連續(xù)不間 斷層形成，所以承栽區(qū)域4與第一組接觸通路5之間的分界是虛擬的。 承載區(qū)域4與接觸部分10由間隙9隔開。
圖3中示出構(gòu)建在如圖1中所示的基體上的整體光電化學(xué)系統(tǒng)1。 整體光電化學(xué)系統(tǒng)l包括布置于基體2上的多孔結(jié)構(gòu)llrll加的陣列。 在圖3中所示的光電化學(xué)系統(tǒng)中，所述陣列以由兩個多孔結(jié)構(gòu)組成的陣 列為例說明。實際上優(yōu)選布置至少一排并列布置且沿基體的整個或大部 分寬度延伸的多孔結(jié)構(gòu)。這樣的結(jié)構(gòu)的一個實施方案在圖13中示出。 如圖4中所示，圖4是沿圖3中所示系統(tǒng)B-B線的橫截面，各多孔結(jié)構(gòu) 11包括工作電極12、絕緣層13和反電極14。電解質(zhì)至少部分填充多孔 結(jié)構(gòu)11以形成光電化學(xué)電池。工作電極12位于承載區(qū)域頂部。絕緣層 13位于工作電極頂部，防止工作電極與位于絕緣層頂部的反電極14接 觸。反電極14、絕緣層13和工作電極12均由形成為集成式整體多孔結(jié) 構(gòu)的多孔納米結(jié)構(gòu)材料形成。
絕緣層13具有第一端部16，所述第一端部16可向下延伸至承載區(qū) 域4與所述第二組接觸通路7的接觸部分10之間的間隙9并與之接觸， 以便使工作電極與第二組接觸通路隔開。接觸部分10在反電極14與第 二組接觸通路之間建立電連接。接觸通路7和接觸部分10的寬度應(yīng)盡 可能小，以使工作電極或光電極12可覆蓋基體表面積中盡可能大的部 分，從而使光電化學(xué)系統(tǒng)可從盡可能大的設(shè)備面積吸收光。
反電極14具有第一端部17，所述第一端部17向下延伸至第二組接 觸通路7的接觸部分10并與之接觸，以便反電極14與第二組接觸通路 7電接觸。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案中，端部17包括與反電極14 的其余部分組成不同的接觸層18。選擇不同的組成是為了比反電極的其 余部分地對接觸部分10的粘附強(qiáng)。在一個實施方案中，不同的組成物 選為含有碳黑含量比反電極的其余部分高的組成。在一個優(yōu)選的實施方 案中，接觸層中的含量為l份碳黑和4份石墨，而選擇反電極的其余部 分中含量為l份碳黑和25份石墨。由于添加劑如鉑，反電極還可具有 改進(jìn)的催化性。因此，接觸部分10是與反電極接觸的導(dǎo)電圖案部分。 承栽區(qū)域4是與工作電極12接觸的導(dǎo)電圖案部分。對于單個電池布置于基體上的電化學(xué)系統(tǒng)或多個電池串聯(lián)布置于 共同基體上的電化學(xué)系統(tǒng)來說，確保反電極較強(qiáng)地粘附于接觸通路的要 求也是必要的。釆用該構(gòu)思的電化學(xué)系統(tǒng)通?？擅枋鰹槊芊馐秸w電化 學(xué)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括電絕緣基體、布置于所述基體上的導(dǎo)電圖案(所 述導(dǎo)電圖案包括至少 一個承載區(qū)域、連接所述至少 一個承載區(qū)域與第一 端子的第 一組接觸通路、從第二端子向所述至少 一個承載區(qū)域延伸并在 承載區(qū)域與所述第二組接觸通路的接觸部分之間留下間隙的第二組接 觸通路)、布置于所述至少一個承栽區(qū)域上的至少一個多孔結(jié)構(gòu)(其中所 述至少一個多孔結(jié)構(gòu)包括工作電極、絕緣層和反電極)、至少部分填充 所述至少一個多孔結(jié)構(gòu)以形成至少一個電化學(xué)電池的電解質(zhì)和位于所 述基體上并覆蓋所述至少一個多孔結(jié)構(gòu)的密封材料，其中所述反電極具 有第一端部，所述第一端部向下延伸至所述第二組接觸通路的所述接觸 部分并與之接觸，以便反電極與第二組接觸通路接觸，并且所述端部包 括與反電極的其余部分組成不同的接觸層。
一種制造任意類型的電化學(xué)系統(tǒng)的合適方法，例如單個電池布置于 基體上的電化學(xué)系統(tǒng)或者多個電池串聯(lián)或并聯(lián)布置于共同基體上的電 化學(xué)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)提供有更強(qiáng)地粘附于接觸部分的反電極，可通過如
下步驟制造
a) 在基體(2)上形成導(dǎo)電圖案，所述圖案包括承載區(qū)域(4),
b) 用半導(dǎo)體材料至少部分覆蓋各承載區(qū)域(4)以形成工作電極(12)，
c) 用意在于各工作電極和反電極(14)之間形成絕緣層(13)的絕緣材料覆 蓋意在形成工作電極(12)的半導(dǎo)體材料，
d) 用意在形成反電極(14)的導(dǎo)電材料至少部分覆蓋所述絕緣材料，所述 反電極(14)與接觸部分(10)連接，其中形成反電極(14)的步驟d)包括第 一步dl)施加布置用以使反電極(14)粘附于接觸部分(10)上的接觸材料 (18),和第二步d2)施加導(dǎo)電材料以形成反電極(14)的其余部分。
電解質(zhì)至少部分填充所述多孔結(jié)構(gòu)lh，…ll2n，從而形成多個電化學(xué) 電池。電解質(zhì)可通過吸收進(jìn)多孔結(jié)構(gòu)中施加，例如通過分配或印刷工藝。
如圖4中所示，密封材料15覆蓋多孔結(jié)構(gòu)陣列11h…ll2n。電池的封裝可優(yōu)選通過施加作為密封劑的熱塑性材料如Surlyn⑧或熱固性樹脂
行。也可采用其他類型的電池封裝，例如所謂的玻璃料。其通常通過例 如絲網(wǎng)印刷施加到朝向承載整體光電化學(xué)系統(tǒng)的基體設(shè)置的第二基體 上以覆蓋所述整體光電化學(xué)電池并在超過400"C的溫度下燒結(jié)。
承載區(qū)域4可優(yōu)選為矩形。第二組接觸通路7的接觸部分10優(yōu)選 形成為基本上沿承載區(qū)域的側(cè)邊之一的整個長度延伸。
本發(fā)明所有實施方案中所示的電化學(xué)電池均為電池并聯(lián)連接。這意 味著承載多個工作電極的承載區(qū)域與第一端子直接相連，連接多個反 電極的接觸部分與第二端子直接連接。
如圖3和4中所示，多孔結(jié)構(gòu)陣列l(wèi)h,…ll2n布置于承載區(qū)域4上。 各多孔結(jié)構(gòu)11包括工作電極12、絕緣層13和反電極14。工作電極、 絕緣層和反電極的合適材料是本領(lǐng)域熟知的。電解質(zhì)至少部分填充所述 多孔結(jié)構(gòu)。
如圖4和圖4a所示的圖4中C部分的放大圖所示，反電極14具有 笫一端部17，所述第一端部17向下延伸至第二組接觸通路7的接觸部 分10并與之接觸，以便反電極14與第二組接觸通路電接觸。反電極因 此由基本平坦的頂端部分20和彎曲的第一端部17構(gòu)成，所述頂端部分 20位于絕緣層頂部，所述第一端部17覆蓋絕緣層的邊緣22并向下延伸 與在承栽區(qū)域4和接觸部分10之間的間隙9接觸。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案中，端部17包括與反電極14的其余 部分組成不同的接觸層18。選擇不同的組成以比反電極的其余部分對接 觸部分10的粘附強(qiáng)。在一個實施方案中，不同的組成物選擇為含碳黑 含量比反電極的其余部分高的組成。在一個優(yōu)選的實施方案中，接觸層 中的含量為l份碳黑和4份石墨，而選擇反電極的其余部分中含量為1 份碳黑和25份石墨。此外，反電極的其余部分可鍍鉑以提高其催化性。
對于有單個電池布置于基體上的電化學(xué)系統(tǒng)或有多個電池串聯(lián)布
置于共同基體上的電化學(xué)系統(tǒng)來說，確保反電極更強(qiáng)地粘附于接觸通路 上的要求也是必要的。采用該構(gòu)思的電化學(xué)系統(tǒng)通?？擅枋鰹槊芊馐秸w電化學(xué)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括電絕緣基體和至少一個布置于所述基體上 的多孔結(jié)構(gòu)，其中所述至少一個多孔結(jié)構(gòu)包括工作電極、絕緣層和反電 極，至少部分填充所述至少一個多孔結(jié)構(gòu)以形成至少一個電化學(xué)電池的 電解質(zhì)以及位于所述基體上并覆蓋所述至少一個多孔結(jié)構(gòu)的密封材料， 其中所述反電極具有第 一端部，所述第 一端部向下延伸至一組接觸通路 的接觸部分并與之接觸，以便所述反電極與該組接觸通路電連接，且所 述端部包括與反電極的其余部分組成不同的接觸層。
所述至少 一個電化學(xué)電池優(yōu)選通過位于基體上的導(dǎo)電材料中間層 與端子連接。所述中間層可優(yōu)選以圖案形式形成，所述圖案包括至少一 個承載區(qū)域、連接所述至少 一個承載區(qū)域與第 一端子的第 一組接觸通路 以及自第二端子向所述至少一個承載區(qū)域延伸并在承載區(qū)域與所述第 二組接觸通路的接觸部分之間留下間隙的第二組接觸通路。
圖5中示出導(dǎo)電圖案3的第二實施方案。在該實施方案中，導(dǎo)電圖 案包括以與圖1中所示實施方案相同的方式成形的結(jié)構(gòu)化導(dǎo)電中間層 24。結(jié)構(gòu)化中間導(dǎo)電層24包括承栽區(qū)域4、連接所述承載區(qū)域4與第一 端子6的第一組接觸通路5、接觸部分10和連接所述接觸部分10與第 二端子8的第二組接觸通路7。為減少第一和第二組接觸通路5、 7中的 損失，這些通路包含高導(dǎo)電材料的導(dǎo)體26，該高導(dǎo)電材料的電阻比形成 所述中間導(dǎo)電層的第 一材料的電阻低。所述導(dǎo)體優(yōu)選由金屬例如銀、銅、 鋁或其任意合金制成。在一個優(yōu)選的實施方案中，導(dǎo)體26由銀制成， 中間導(dǎo)電層由FI摻雜的Sn02制成。導(dǎo)體的其他選擇均為良導(dǎo)電材料。 中間導(dǎo)電層的其他選擇為例如Sn摻雜的氧化銦(ITO)或摻雜的氧化鋅。 優(yōu)選地，導(dǎo)體26和中間層24與至少部分填充光電化學(xué)系統(tǒng)的多孔結(jié)構(gòu) 的電解質(zhì)化學(xué)相容。這樣，導(dǎo)體26和中間層24可暴露于電解質(zhì)而無降 解風(fēng)險。電解質(zhì)與導(dǎo)體26之間的化學(xué)不相容性會導(dǎo)致器件性能隨時間 衰減并縮短壽命。光電化學(xué)電池中的常規(guī)電解質(zhì)含有氧化還原對碘化物 /三碘化物，其通常溶解于有機(jī)溶劑中。然而，其他氧化還原對和其他 電解質(zhì)可使用，因此包括在內(nèi)?？膳c典型的含碘化物/三碘化物的電解 質(zhì)化學(xué)相容的導(dǎo)體26為例如鈦和鎳。然而，包括彼此可化學(xué)相容的電 解質(zhì)和導(dǎo)體的所有其他組合。
通常，上面公開的方法允許制造密封式整體光電化學(xué)系統(tǒng)，所述系置用以支承工作電極的承載區(qū)域的導(dǎo)電圖 案，所述系統(tǒng)還包括布置于所述基體上的多孔結(jié)構(gòu)陣列、至少部分填充 所述多孔結(jié)構(gòu)以形成多個電化學(xué)電池的電解質(zhì)以及覆蓋所述多孔結(jié)構(gòu) 陣列的封裝，其中各多孔結(jié)構(gòu)包括工作電極、絕緣層和反電極，其中對 于承載多個多孔結(jié)構(gòu)(各多孔結(jié)構(gòu)均形成電池)的基體來說，工作電極所
覆蓋的有效面積占基體總面積的70%以上。特別地，如圖13a、 13b和 15a、 15b中所公開的，當(dāng)導(dǎo)體26和中間層24可與至少部分填充光電 化學(xué)系統(tǒng)的多孔結(jié)構(gòu)的電解質(zhì)化學(xué)相容時，或者當(dāng)中間層24可與電解 質(zhì)化學(xué)相容而導(dǎo)體26被中間層覆蓋時，對于承栽多個多孔結(jié)構(gòu)(各多孔 結(jié)構(gòu)均形成電池)的基體來說，工作電極所覆蓋的有效面積可占基體總 面積的90%以上。
所述系統(tǒng)還包括與反電極相連的接觸部分。所述系統(tǒng)可優(yōu)選具有并 聯(lián)連接的電池，這樣第一組接觸通路連接所述承載區(qū)域與第一端子，第 二組接觸通路連接所述接觸部分與第二端子。
第一組接觸通路5中的導(dǎo)體26具有自底部32沿承載區(qū)域4的側(cè)部 延伸的第一和最后延伸28、 30。第二組接觸通路中的導(dǎo)體設(shè)置有沿接觸 部分10沿沉積于承載區(qū)域4上的電池的長度延伸并與接觸部分10相連 的中間延伸34。
圖6示出沿通過圖5中所示基體D-D線的橫截面。顯示導(dǎo)體26布 置于中間導(dǎo)電層24頂部。
圖7中示出具有承載區(qū)域4、接觸部分10以及笫一和第二導(dǎo)電通路 5、 7的中間導(dǎo)電層24，此時基體2和導(dǎo)體被移除。該中間層24可用作 第一實施方案的導(dǎo)電圖案。在圖5所示的第二實施方案中，導(dǎo)體26以 如圖8所示的形狀布置于中間層頂部。
圖9中示出布置于基體2上的導(dǎo)電圖案3的第三實施方案。在該實 施方案中，與其中導(dǎo)體26沿導(dǎo)體26的整個長度位于中間導(dǎo)電層24上 的第二實施方案相反，導(dǎo)體26僅出于與承載區(qū)域4和接觸部分電接觸 的目的與中間層24相連。為此目的，中間層自承栽區(qū)域4向外延伸出 一點形成第一接觸區(qū)域36并且自接觸部分10向外延伸出 一點形成第二 接觸區(qū)域40。第一接觸區(qū)域36優(yōu)選在優(yōu)選為細(xì)長的承栽區(qū)域4的邊緣
17處沿承栽區(qū)域4的長度延伸。第二接觸區(qū)域40優(yōu)選在優(yōu)選為細(xì)長的接 觸部分10的邊緣處沿接觸部分10的長度延伸。如果兩個相鄰的電池具 有共同的布置于電池之間的導(dǎo)體26，則形成接觸部分IO的那部分中間 層24可如圖10所示被分成其間具有間隙42的第一和第二部分40，所 述間隙通過導(dǎo)體橋接，或者優(yōu)選成形為其上布置導(dǎo)體的連續(xù)帶。在圖9 實施方案中，導(dǎo)體26直接落在基體上而沿其部分長度例如沿底部32未 與中間層接觸。圖9所示的實施方案可由如圖10或圖11中所示的包含 承載區(qū)域4、第一和第二接觸區(qū)域36、 40以及接觸部分10的中間層24 構(gòu)成，所述中間層布置于基體2上。在圖11中第二接觸區(qū)域沒有通過 間隙隔開。導(dǎo)體也可如圖8所示布置于基體和中間層頂部。
圖12a、 b示出沿通過圖9所示基體E-E和F-F線的橫截面。如圖 所示，且導(dǎo)體部分地落在中間層上以分別與承載區(qū)域和接觸部分10連 接，導(dǎo)體部分地直接落在基體2上。在橫截面F-F處，很明顯通向端子 的底部30直接落在基體上。從E-E處的橫截面可以觀察到，導(dǎo)體位于 與承載區(qū)域和接觸部分相鄰的接觸區(qū)域上，以將所述承載區(qū)域和接觸部 分與通向端子的導(dǎo)體連接。
如圖13a中所示，導(dǎo)體也可置于中間層下但仍與中間層電接觸。由 于這樣電解質(zhì)沒有與導(dǎo)體接觸的風(fēng)險，因此這可保護(hù)導(dǎo)體，以便僅圍繞 系統(tǒng)的輪廓封裝。在這種情況下，密封式光電化學(xué)系統(tǒng)l包括電絕緣基 體2、導(dǎo)電圖案3，所述導(dǎo)電圖案3包括布置用以支承工作電極12的承 載區(qū)域4、與反電極14相連的接觸部分10、連接所述承載區(qū)域4與第 一端子6的第一組接觸通路5以及連接所述接觸部分10與第二端子8 的第二組接觸通路7，所述系統(tǒng)還包括布置于所述基體2上的多孔結(jié)構(gòu)
陣列(llrll2n)、至少部分填充所述多孔結(jié)構(gòu)(llrll2n)以形成多個電化學(xué) 電池的電解質(zhì)以及覆蓋所述多孔結(jié)構(gòu)陣列(llrll2n)的封裝，其中各多孔
結(jié)構(gòu)11包括工作電極12、絕緣層13和反電極14。此外，第一和第二 組接觸通路5、 7并聯(lián)連接所述多個電化學(xué)電池。在圖13a所示的實施 方案中，基體上左側(cè)和右側(cè)電池的反電極14通過間隙G隔開，間隙G 向下延伸至接觸部分IO。在這種情況下，兩組接觸通路5、 7因此包括 置于中間層24下部的高導(dǎo)電材料的導(dǎo)體26。在該實施方案中，接觸部 分IO由至少部分在反電極的導(dǎo)體26頂部的中間層24組成。導(dǎo)電圖案 因此由包括承載區(qū)域4、接觸部分10以及第一和第二組接觸通路5、 7的結(jié)構(gòu)化中間層24組成。如圖13b所示，兩個相鄰電池的反電極14在 這種情況下可以以一個連續(xù)層連接。根據(jù)圖13b所示的實施方案，連續(xù) 反電極14由此在兩個或更多個承載區(qū)域上延伸，優(yōu)選在享有共同基體 的所有承載區(qū)域上延伸。中間層24適合暴露于電解質(zhì)溶液，例如兩種 材料是可化學(xué)相容的。這類材料的一個實例是F-摻雜的Sn02。由于導(dǎo) 體26受結(jié)構(gòu)化中間層24保護(hù)而免于與電解質(zhì)接觸，故導(dǎo)體26不必與 電解質(zhì)溶液可化學(xué)相容。導(dǎo)體的優(yōu)選材料為銀，但可使用所有導(dǎo)電足夠 好的材料。
在圖13a和13b所示的實施方案中，導(dǎo)體26受覆蓋導(dǎo)體的中間層 24保護(hù)而免于與電解質(zhì)接觸。因此，在導(dǎo)體26由不與電解質(zhì)化學(xué)相容 的材料即在使用過程中會被電解質(zhì)降解的材料制成的情況下，也不必布 置用來保護(hù)電極使之免于與電解質(zhì)接觸的密封。
在圖13a和b中，第一組電流通路5中的高導(dǎo)電材料導(dǎo)體26緊鄰 工作電極12布置。但導(dǎo)體也可布置于工作電極的一小部分之下。在這 種情況下，工作電極因此被施加到兩個承載區(qū)域和導(dǎo)體頂部的中間層 上，結(jié)果是工作電極由用于兩個相鄰電池的一個連續(xù)層組成。此外，導(dǎo) 體可包括從導(dǎo)體向工作電極例如垂直伸展的分支，以改善從工作電極的 集流。
如圖14中所示，反電極的導(dǎo)體可置于反電極頂部并與之接觸，只 要導(dǎo)體與電池組分、特別是電解質(zhì)可化學(xué)相容即可。這會得到更寬的電 池而不引起額外的能量損失，因此在系統(tǒng)中產(chǎn)生較高的工作電極有效面 積百分比。在這種情況下，接觸部分可由反電極上表面的一部分組成。
在這種情況下，密封式光電化學(xué)系統(tǒng)l包括電絕緣基體2、導(dǎo)電圖 案3，所述導(dǎo)電圖案3包括布置以支承工作電極12的承載區(qū)域4、與反 電極14相連的接觸部分10、連接所述承載區(qū)域4與第一端子6的第一 組接觸通路5以及連接所述接觸部分10與第二端子8的第二組接觸通 路7，所述系統(tǒng)還包括布置于所述基體2上的多孔結(jié)構(gòu)陣列(llrll2n)、 至少部分填充所述多孔結(jié)構(gòu)(llrll2n)以形成多個電化學(xué)電池的電解質(zhì)
以及覆蓋所述多孔結(jié)構(gòu)陣列(lh-ll2n)的封裝，其中各多孔結(jié)構(gòu)11包括
工作電極12、絕緣層13和反電極14。在此，第一和第二組接觸通路5、 7并聯(lián)連接所述多個電化學(xué)電池。在圖14所示的實施例中，電流通路5因此包括中間層24頂部的導(dǎo)體26。但用于實現(xiàn)電流通路5所提及的所 有實施方案均可用在這種情況下。第二組電流通路7置于反電極14的 上表面頂部并包括導(dǎo)體26。在這種情況下，由于接觸部分10、電流通 路7和反電極14的導(dǎo)體26置于反電極14頂部，故兩個相鄰的電池間 不需要間隙的原因，工作電極12可更寬。因此，在這種情況下，導(dǎo)電 圖案3包括在反電極14上表面上的接觸部分10和第二組接觸通路7以 及在基體上的承載區(qū)域4和第一組接觸通路5。這里，導(dǎo)電圖案不是由 結(jié)構(gòu)化的單個中間層24構(gòu)成，而是還包括系統(tǒng)的其他部分。
在兩組接觸通路5、 7包括可與至少部分填充光電化學(xué)電池的多孔 結(jié)構(gòu)的電解質(zhì)化學(xué)相容的高導(dǎo)電材料的導(dǎo)體26的情況下，多孔結(jié)構(gòu)陣 列(llrll2n)可非常緊密地堆積，如圖15a所示。電解質(zhì)與導(dǎo)體26間化 學(xué)不相容性會導(dǎo)致器件性能隨時間衰減，縮短壽命。光電化學(xué)電池中的 常規(guī)電解質(zhì)包含氧化還原對碘化物/三碘化物，其通常溶解于有機(jī)溶劑 中。但其他氧化還原對和其他電解質(zhì)可使用，因此包括在內(nèi)。可與典型 的含碟化物/三碘化物的電解質(zhì)化學(xué)相容的導(dǎo)體26為例如鈦和鎳。但也 包括彼此可化學(xué)相容的良導(dǎo)體和電解質(zhì)的所有其他組合。在這種情況 下，密封式光電化學(xué)系統(tǒng)1包含電絕緣基體2、導(dǎo)電圖案3，所述導(dǎo)電 圖案3包括布置以支承工作電極12的承載區(qū)域4、與反電極14相連的 接觸部分10、連接所述承栽區(qū)域4與第一端子6的第一組接觸通路5 和連接所述接觸部分10與第二端子8的第二組接觸通路7,所述系統(tǒng)還
包含布置于所述基體2上的多孔結(jié)構(gòu)陣列(llrll2n)、至少部分填充所迷 多孔結(jié)構(gòu)(llrll2n)以形成多個電化學(xué)電池的電解質(zhì)以及覆蓋所述多孔 結(jié)構(gòu)陣列(llrll2n)的封裝，其中各多孔結(jié)構(gòu)ll包含工作電極12、絕緣
層13和反電極14。這里，第一和第二組接觸通路5、 7并聯(lián)連接所述多 個電化學(xué)電池。這種器件構(gòu)型導(dǎo)致更高的器件效率，原因是更大的器件 表面可用于吸收光。如圖15a所示，反電極14可直接施加到導(dǎo)體26上。 在這種情況下，接觸部分IO由導(dǎo)體26的上部組成。如圖15b所示，反 電極14也可施加到緊鄰導(dǎo)體26的中間層24和導(dǎo)體26上。在這種情況 下，接觸部分10由導(dǎo)體26的上部和中間層24的一部分組成。
在圖15a和b中，可與至少部分填充多孔結(jié)構(gòu)的電解質(zhì)溶液化學(xué)相 容的導(dǎo)體與工作電極接觸。但也可將導(dǎo)體置于與工作電極距離一定距離
處。另一種可能是將導(dǎo)體置于工作電極的一小部分之下。在這種情況下，工作電極因此被施加到承栽區(qū)域和導(dǎo)體頂部上，產(chǎn)生用于兩個相鄰電池 的連續(xù)工作電極層。另外，導(dǎo)體可包括從導(dǎo)體向工作電極例如垂直伸展 的分支，以改善從工作電極的集流。這些導(dǎo)體分支可緊鄰工作電極布置 或置于工作電極之下。
圖1-13和圖15所示的所有實施例均基于包含以下電池的整體光電 化學(xué)系統(tǒng)具有用于兩個相鄰電池的反電極的共用接觸通路，而兩個工 作電極沿電池的長邊具有兩個電連接的接觸通路。這種電池構(gòu)型在所有 實施例中均可鏡面翻轉(zhuǎn)，即兩個相鄰電池共用一個用于工作電極的接觸 通路，而兩個反電極沿電池的長邊具有兩個電連接的接觸通路。在這些 實施方案中，反電極將布置在附圖所示實施方案的工作電極位置處，而 工作電極將布置在附圖所示實施方案的反電極位置處。
在使用高導(dǎo)電材料的導(dǎo)體的實施例中，導(dǎo)體由與電極的較長邊平行 布置的直導(dǎo)體通路組成。但導(dǎo)體也可例如包括一組分支，以改善從電極 的集流。這些分支可例如從第一組電流通路的導(dǎo)體向工作電極垂直伸展 以改善從工作電極的集流，或從第二組接觸通路的導(dǎo)體向反電極垂直伸 展以改善從工作電極的集流。
圖16示出包括由間隙41隔開、以細(xì)長電池ll卜.ll2n的行44布置
的多個電池的整體光電化學(xué)系統(tǒng)。在該實施方案中，第一和第二組接觸 通路5、 7包括
-沿所述行44延伸的第一基底43和與所述第一基底43相連的第 一組延伸45;所述第一組延伸45包括在所述行44中的第一電池lh之 前并與之并排延伸的第一延伸46、在所述行44中的最后的電池11211之 后并與之并排延伸的最后延伸47以及從第二個間隙開始每隔一個間隙 41延伸進(jìn)電池之間的第 一組中間延伸48，以便所述第 一基底43與笫一 組延伸45形成梳形圖案(III);
-以及沿所述行延伸的第二基底49和第二組中間延伸50,所述第 一和第二基底43、 49位于行44的相對側(cè)，所述第二組中間延伸50與 所述第二基底49相連并從第一個間隙開始每隔一個間隙延伸進(jìn)電池之
間，以便所述第二基底與第二組延伸形成梳形圖案(n)。各中間延伸48、 50與相鄰的兩個電池電連接。第一基底和第一組 延伸形成第一或第二組接觸通路之一的一部分，而第二基底和第二組延 伸形成另一組接觸通路的一部分。也就是說，根據(jù)一個實施方案，第一 基底43及其延伸形成第一組接觸通路的一部分，即工作電極，而第二 基底49及其延伸形成第二組接觸通路的一部分，即反電極。在另一個 替代實施方案中，第 一基底43及其延伸形成第二組接觸通路的一部分， 即反電極，而第二基底49及其延伸形成第一組接觸通路的一部分，即 工作電極。
光電化學(xué)電池的行如此布置，使得行中所含的所有電池并聯(lián)連接至 第一和第二端子。
行中的各個電池形狀細(xì)長(優(yōu)選矩形)并以較長邊彼此相向的方式并 排布置。由于電子輸運過程中在承載工作電極的中間層的歐姆薄層電阻 和反電極的歐姆薄層電阻中發(fā)生能量損失，故電池的寬度受限。承載區(qū) 域和接觸部分因此通過導(dǎo)體與端子連接，所述導(dǎo)體延伸進(jìn)電極間的間隙 中。隨著電池的長度增大，延伸48、 50的尺寸必須增大，以確保保持 低損失。因此，電池間的間隙所需的寬度隨電池長度的增大而增大。為 提供基體上可能的最大有效面積，已表明將電池成形為寬5-10mm、長 30-200mm是合適的。
預(yù)期可在共同基體上制造多個如上所述的電池行，其中為了使器件 的操作穩(wěn)定性最大化各行并聯(lián)連接，或者為了使器件能產(chǎn)生更高的輸出 電壓各行串聯(lián)連接。
在第一實施例中，行寬15cm，包括14個并聯(lián)連接的電池。在第二 實施例中，行寬60cm，包括72個電池。第二實施例也可由四個15cm 的串聯(lián)連接的行組成，以提高器件的輸出電壓。因此，每行并聯(lián)連接的 電池的數(shù)量優(yōu)選在14-72個電池范圍內(nèi)。通常，并聯(lián)連接電池的多個行 可布置于共同基體上。所述行可并排布置，即各行中的電池在長度方向 上彼此面對，或所述行可布置于彼此的上方或下方，而使各行中的電池 在寬度方向上彼此面對。在最后的實施例中，兩個相鄰的行可共用共同 的基底。電池行可串聯(lián)或并聯(lián)連接。
本發(fā)明也涉及密封式整體電化學(xué)系統(tǒng)的制造方法，其中進(jìn)行如下步級.
a) 在基體2上形成導(dǎo)電圖案3，所述圖案包括承栽區(qū)域4和連接所 述承載區(qū)域4與第 一端子6的第 一組接觸通路5以及第二組接觸通路7 ， 所述第二組接觸通路7從第二端子8向所述承栽區(qū)域4延伸并在承載區(qū) 域4與所述第二組接觸通路7的接觸部分10之間留下間隙9，
b) 用半導(dǎo)體材料至少部分覆蓋各個承載區(qū)域以形成工作電極，
c) 用意在各工作電極之間形成絕緣層的絕緣材料覆蓋所述意在形 成工作電極的半導(dǎo)體材料，
d) 用意在形成反電極的導(dǎo)電材料覆蓋所述絕緣材料。所述方法的 特征尤其在于通過在半導(dǎo)體材料已沉積到基體上之后在第一燒結(jié)工藝 中燒結(jié)所述半導(dǎo)體材料形成工作電極，通過在所述笫一燒結(jié)工藝之后的 第二燒結(jié)工藝中燒結(jié)形成反電極，并且第二燒結(jié)工藝的溫度低于第一燒 結(jié)工藝的溫度。當(dāng)生產(chǎn)單個電池布置于基體上的電化學(xué)系統(tǒng)、多個電池 串聯(lián)布置于共同基體上的電化學(xué)系統(tǒng)以及多個電池并聯(lián)布置于共同基 體上的電化學(xué)系統(tǒng)時，可使用上述方法。
在基體2上形成導(dǎo)電圖案3的步驟a)可通過以下步驟進(jìn)行結(jié)構(gòu)化 布置于基體上的導(dǎo)電材料的中間層，以形成承載區(qū)域4、連接所述承載 區(qū)域4與第一端子6的第一組接觸通路5和第二組接觸通路7，所述第 二組接觸通路7從第二端子8向所述承載區(qū)域4延伸并在承載區(qū)域4與 所述第二組接觸通路7的接觸部分10之間留下間隙9。在另 一實施方案 中，步驟a)包括施加導(dǎo)體，在不同實施方案中，所述導(dǎo)體可與或可不與 電極直接接觸?？山M合使用導(dǎo)體施加和中間層結(jié)構(gòu)化。導(dǎo)體可施加在中 間層的上部或下部。
在本發(fā)明的一個特別優(yōu)選的實施方案中，形成反電極的步驟d)包括 第一步驟dl)施加布置用以粘附反電極至接觸部分上的接觸材料；和第 二步驟d2)施加導(dǎo)電材料以形成反電極的其余部分。
實施例
制造并聯(lián)連接的整體光電化學(xué)模塊的典型工藝步驟1. 清洗導(dǎo)電基體
2. 形成基體導(dǎo)電層的電流通路(例如激光結(jié)構(gòu)化)
3. 施加Ti02層(例如絲網(wǎng)印刷)
4. 于450"C下燒結(jié)
5. 施加隔離層(例如絲網(wǎng)印刷，然后干燥)
6. 施加碳粘合層(例如絲網(wǎng)印刷，然后干燥)
7. 施加碳反電極層(例如絲網(wǎng)印刷，然后干燥)
8. 施加銀集電器(例如絲網(wǎng)印刷)
9. 于3卯1C下燒結(jié)
10. 施加染料
11. 施加電解質(zhì)
12. 封裝(例如真空/熱層合) 備注
*許多其他變化方案也是可行的，例如步驟8也可例如在步驟2、 步驟3、或步驟4之后進(jìn)行，和/或步驟5可在步驟3之后進(jìn)行。
* 一個或多個不同的層可通過絲網(wǎng)印刷之外的方法例如噴墨印刷 施加。
*兩個燒結(jié)步驟可合并為一個(步驟9)。但兩個燒結(jié)步驟產(chǎn)生的器 件性能更佳。
*兩個碳層可合并為一個。
*可使用非玻璃的導(dǎo)電基體例如聚合物。但這將要求較低的燒結(jié)溫 度。
*其他封裝方法可能要求不同的工藝步驟，例如使用所謂的玻璃作為密封材料。
圖17-20中對單個電池以及串聯(lián)和并聯(lián)布置的多個電池進(jìn)行不同的 試驗，表明并聯(lián)布置電池的發(fā)明構(gòu)思提供更高效且更不易于衰減的電化 學(xué)系統(tǒng)。
圖17示出三個差不多相同的電池單獨、串聯(lián)連接(對于各電流值， 電壓相加)和并聯(lián)連接(對于各電壓值，電流相加)的電流-電壓特性。
圖18示出對于與圖17中相同的電池和串聯(lián)/并聯(lián)連接來說作為電壓 函數(shù)的功率。對于串聯(lián)和并聯(lián)連接的模塊，最大效果相同。
圖19示出當(dāng)一個電池(2307)被部分置于暗處以表現(xiàn)出不及其相鄰電 池的性能(例如以模仿電池被部分遮蔽或由于其他原因而性能欠佳的情 形)時與圖17中相同的曲線。請注意，"被遮蔽"電池的開路電壓保持與 其他電池差不多相同。
圖20示出對于與圖19中相同的電池和串聯(lián)/并聯(lián)連接來說作為電壓 函數(shù)的功率。由于"被遮蔽，，電池的開路電壓與其他電池相比保持基本 未改變的事實，故對于并聯(lián)連接的模塊來說最大效果要高得多。
整體電極已絲網(wǎng)印刷于激光結(jié)構(gòu)化的TCO玻璃板(來自Hartford Glass的TEC 15Q/平方)上。印刷電極前，仔細(xì)清洗玻璃板。印刷1102層 后，將電極于450X:下燒結(jié)一小時，以除去骨體中的有機(jī)添加劑并使顆粒 熔合。隨后按下列順序印刷其余的層銀、隔離器、碳l(粘合層)、碳2(反 電極)。印刷各個層后將其于125"C下快速千燥。在最后一個印刷步驟之后， 將玻璃板置于鈥架中并于390X:下燒結(jié)。隨后將包含電極的鈦架浸入染料 順-二(氰硫基)-雙(4,4，-二^J^-2，2，-聯(lián)吡咬)Ru(II)的溶液(溶解在乙腈/叔丁 醇(50/50體積)中，濃度為0.3mM)中。將電極留在染料溶液中、用乙腈沖 洗并真空干燥。人工施加電解質(zhì)溶液到電極上。此后，按照先前在 WO01/97237中描述的工序，用熱塑性材料Surlyn⑧作為密封劑在真空/熱 工藝中封裝所述模塊。
權(quán)利要求
1. 一種密封式整體光電化學(xué)系統(tǒng)(1)，所述系統(tǒng)包括電絕緣基體(2)、導(dǎo)電圖案(3)，所述導(dǎo)電圖案(3)包括布置以支承工作電極(12)的承載區(qū)域(4)、與反電極(14)相連的接觸部分(10)、連接所述承載區(qū)域(4)與第一端子(6)的第一組接觸通路(5)和連接所述接觸部分(10)與第二端子(8)的第二組接觸通路(7)，所述系統(tǒng)還包括布置于所述基體(2)上的多孔結(jié)構(gòu)陣列(111-112n)、至少部分填充所述多孔結(jié)構(gòu)(111-112n)以形成多個電化學(xué)電池的電解質(zhì)以及覆蓋所述多孔結(jié)構(gòu)陣列(111-112n)的封裝，其中各多孔結(jié)構(gòu)(11)包括工作電極(12)、絕緣層(13)和反電極(14)，其特征在于所述第一和第二組接觸通路(5、7)并聯(lián)連接所述多個電化學(xué)電池。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的密封式整體光電化學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述承載成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2的密封式整體光電化學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述中間 層(24)由適合暴露于所述電解質(zhì)的第 一材料形成，并且所述第 一和第二 組接觸通路(5、 7)包括電阻率比所述第一材料低的高導(dǎo)電材料的導(dǎo)體 (26)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3的密封式整體光電化學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述第一 材料為摻雜的Sn02且所述高導(dǎo)電材料為銀。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項的密封式整體光電化學(xué)系統(tǒng)，其特征在 于所述多個電池由通過間隙(41)隔開的細(xì)長電池行(44)組成，所述第一 和第二組接觸通路(5、 7)包括-沿所述行(44)延伸的第一基底(43)和與所述第一基底(43)相連的第一 組延伸(45)，所述第 一組延伸(45)包括與所述行中的第 一電池(lh)并排 延伸的笫 一延伸(46)、與所述行(44)中的最后的電池(11211)并排延伸的最 后延伸(47)以及從第二個間隙(41)開始每隔 一 個間隙(41)延伸進(jìn)電池 (11rll2n)之間的第 一組中間延伸(48)，以便所述第 一基底(43)與第 一組延 伸(45)形成梳形圖案(111);-以及沿所述行(44)延伸的第二基底(49)和第二組中間延伸(50)，所述第 一和第二基底(43、 49)位于行(44)的相對側(cè)，所述第二組中間延伸(50) 與所述笫二基底(49)相連并從第一個間隙(41)開始每隔一個間隙(41)延 伸進(jìn)電池(lli-ll2n)之間，以便所述第二基底(49)與第二組延伸(50)形成梳形圖案(n);其中各中間延伸(48、 50)與相鄰的兩個電池(ll^lln)相連， 其中第 一基底(43)和第一組延伸(45)形成第 一或第二組接觸通路(5、 7) 之一的一部分，而第二基底(49)和第二組延伸(50)形成另一組接觸通路 (5、 7)的一部分。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5的密封式整體光電化學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述電池 (11rll2n)的行(44)包括偶數(shù)個電池。
7. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的密封式整體光電化學(xué)系統(tǒng)，其特征在 于所述電池(llrll2n)為矩形，寬約5-10mm，長約30-200mm。
8. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的密封式整體電化學(xué)系統(tǒng)，其中所述反 電極(14)具有第一端部(17)，所述第一端部(17)向下延伸至所述第二組接 觸通路(7)的所述接觸部分(10)并與之接觸，以便反電極(14)與所述第二 組接觸通路電接觸，其特征在于所述端部(17)包括具有與反電極(14)的 其余部分不同的組成物的接觸層(18)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8的密封式整體電化學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述不同組 成物對所述接觸部分(10)的粘附比所述反電極的其余部分強(qiáng)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9的密封式整體電化學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述不同組 成物由與所述反電極的主要部分比例不同的石墨和碳黑構(gòu)成。
11. 一種制造根據(jù)權(quán)利要求l的密封式整體電化學(xué)系統(tǒng)的方法，其中進(jìn) 行如下工藝步驟a) 在基體(2)上形成導(dǎo)電圖案，所述圖案包括承載區(qū)域(4)，b) 用半導(dǎo)體材料至少部分覆蓋各個承載區(qū)域(4)以形成工作電極(12)，c) 用意于在各工作電極和反電極(14)之間形成絕緣層(13)的絕緣材料覆 蓋所述意在形成所述工作電極(12)的半導(dǎo)體材料，d) 用意在形成所述反電極(14)的導(dǎo)電材料至少部分覆蓋所述絕緣材料， 所述反電極(14)與接觸部分(10)相連，所述方法的特征在于所述工作電 極(12)通過已在基體(2)上沉積半導(dǎo)體材料之后在第一燒結(jié)工藝中燒結(jié) 所述半導(dǎo)體材料形成，所述反電極(14)通過在所述第一燒結(jié)工藝之后的 第二燒結(jié)工藝中燒結(jié)形成，并且所述第二燒結(jié)工藝的溫度低于所述第一燒結(jié)工藝的溫度。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其特征在于所述第一燒結(jié)工藝的溫度在420-600 x:之間。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11或12的方法，其特征在于所述第二燒結(jié)工藝的溫 度低于400"C。
14. 根據(jù)權(quán)利要求ll、 12或13的方法，其特征在于所述工作電極(12) 由TK)2多孔層構(gòu)成。
15. 根據(jù)權(quán)利要求11-14中任一項的方法，其特征在于所述反電極(14) 由碳的多孔層構(gòu)成。
16. 根據(jù)權(quán)利要求11-15中任一項的方法，其特征在于形成所述反電極 (14)的步驟d)包括第一步驟dl)施加布置用以粘附所述反電極(14)于接 觸部分(10)上的接觸材料(18)，和第二步驟d2)施加導(dǎo)電材料以形成所述 反電極(14)的其余部分。
17. —種制造根據(jù)權(quán)利要求l的密封式整體電化學(xué)系統(tǒng)的方法，其中進(jìn) 行如下步驟a) 在基體(2)上形成導(dǎo)電圖案，所述圖案包括承載區(qū)域(4)，b) 用半導(dǎo)體材料至少部分覆蓋各個承載區(qū)域(4)以形成工作電極(12)，c) 用意在于各工作電極和反電極(14)之間形成絕緣層(13)的絕緣材料覆 蓋所述意在形成所述工作電極(12)的半導(dǎo)體材料，d) 用意在形成反電極(14)的導(dǎo)電材料至少部分覆蓋所述絕緣材料，所述 反電極(14)與接觸部分(10)相連，所述方法的特征在于形成反電極(14) 的步驟d)包括第一步驟dl)施加布置用以粘附所述反電極(14)于接觸部 分(10)上的接觸材料(18)，和第二步驟d2)施加導(dǎo)電材料以形成所述反電 極(14)的其余部分。
18. —種密封式整體光電化學(xué)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括電絕緣基體、包含布 置用以支承工作電極的承載區(qū)域的導(dǎo)電圖案，所述系統(tǒng)還包括布置于所 述基體上的多孔結(jié)構(gòu)陣列、至少部分填充所述多孔結(jié)構(gòu)以形成多個電化 學(xué)電池的電解質(zhì)以及覆蓋所述多孔結(jié)構(gòu)陣列的封裝，其中各多孔結(jié)構(gòu)包 括工作電極、絕緣層和反電極，其中對于承載分別形成電池的多個多孔 結(jié)構(gòu)的基體，被工作電極覆蓋的有效面積占所述基體總面積75%以上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種密封式整體光電化學(xué)系統(tǒng)(1)，所述系統(tǒng)包括電絕緣基體(2)、導(dǎo)電圖案(3)，所述導(dǎo)電圖案(3)包括布置以支承工作電極(12)的承載區(qū)域(4)、與反電極(14)相連的接觸部分(10)、連接所述承載區(qū)域(4)與第一端子(6)的第一組接觸通路(5)和連接所述接觸部分(10)與第二端子(8)的第二組接觸通路(7)，所述系統(tǒng)還包括布置于所述基體(2)上的多孔結(jié)構(gòu)陣列(11₁-11_2n)、至少部分填充所述多孔結(jié)構(gòu)(11₁-11_2n)以形成多個電化學(xué)電池的電解質(zhì)以及覆蓋所述多孔結(jié)構(gòu)陣列(11₁-11_2n)的封裝，其中各多孔結(jié)構(gòu)(11)包括工作電極(12)、絕緣層(13)和反電極(14)，以及一種密封式整體電化學(xué)系統(tǒng)的制造方法。
文檔編號H01G9/20GK101421805SQ200780010783
公開日2009年4月29日 申請日期2007年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月27日
發(fā)明者亨里克·彼得松 申請人:Ivf工業(yè)研究和發(fā)展公司