專利名稱：具有改善的輔助電極的光伏染料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及從太陽光產(chǎn)生電能的光伏染料電池，也被稱為染料敏化太陽能電池。
背景技術(shù)：
從太陽光產(chǎn)生電能的染料敏化光伏電池已被Graetzel等人的美國專利第5，350，644號公開。美國專利第5，350，644號教導了具有沉積在玻璃板或透明聚合物片上(已應用了一系列的二氧化鈦層)的光透射導電層的光伏電池。 美國專利第5，350, 644號之后，Kay的美國專利第6，069, 313號教導了在普通透明襯底上以分離的、平行的、狹窄的細長帶排列的許多串聯(lián)的電池元件。每個元件包括由納米晶二氧化鈦組成的面向光的陽極，使用二氧化鈦粘結(jié)劑粘結(jié)在一起的多孔的催化導電碳基結(jié)構(gòu)的碳輔助電極(陰極)，及放置基于氧化鋁、二氧化硅、二氧化鈦或氧化鋯粉末的中間電絕緣多孔層以分離陽極與陰極。在用光敏染料涂覆納米晶二氧化鈦后，中間層的孔隙至少部分填充有液相、離子遷移電解質(zhì)?；谘趸a的透明導電材料的電流收集層位于透明襯底和陽極之間。當陽極受到光照射時，給定電池的陽極和陰極提供直流電壓，使得可以容易地構(gòu)建電池的串聯(lián)組件。通過分離這兩個元件的各自中間層的間隙使每個連續(xù)元件的陰極與前面的陽極元件的中間導電層連接。然后用有機聚合物密封電池組，尤其確保每個單獨的帶電池與其相鄰的電池密封隔開，此組件被稱為電池整體組件。通常，上面參考專利中的染料電池比常規(guī)的光伏電池在概念上更接近蓄電池組電池，因為電荷生成器被電解質(zhì)隔開并不直接接觸。這些電池組具有兩個被電解質(zhì)隔開的電極，其中一個電極(光電極或光電陽極)面向太陽或光源。每個電極支撐在其自身的通常是導電玻璃片的電流收集器上，該導電玻璃是在一個面上涂覆薄的( 0. 5微米)、一般基于導電氧化錫的透明層的玻璃。導電玻璃片作為染料電池的透明壁。可以使用透明聚合物代替玻璃來支撐氧化錫。光電極或光電陽極包括基于二氧化鈦的約10微米厚(與氧化錫層接觸)的透明多孔層，所述二氧化鈦具有10-50nm的納米晶特征粒度，通過烘焙應用到導電玻璃或透明聚合物上，并浸潰特定的染料。通過下述各種方法中的一種以分散的形式應用烘焙好的二氧化鈦層刮片法、滾壓、噴霧、涂裝、電泳、凹版印刷、狹縫涂布、絲網(wǎng)印刷或印刷。產(chǎn)生最高電池性能的烘焙步驟通常在至少450C上，要求使用導電玻璃而不是塑料來支撐二氧化鈦層。二氧化鈦層的其他處理過程是可行的，例如降低溫度的烘焙或壓制，通常在效率上有些犧牲。需要著重指出的是二氧化鈦主要與氧化錫接觸。在光電陽極上存在其他導體(如許多金屬、碳和類似物，即使對電解質(zhì)是化學惰性的)可以大大地增加電池中的載荷子重組并導致嚴重的效率損失。非常少的材料(其中例如氧化錫和鈦金屬)可用于光電陽極，因為它們對電解質(zhì)顯示化學惰性，并基本上沒有重組缺陷。
對部分透明的電池，在其各自的涂覆有導電玻璃或透明塑料的氧化錫片上，相對的電極(“輔助電極”)包括催化劑(通常每平方厘米含有幾微克的鉬)薄層。如果不要求電池的透明度，輔助電極可以是不透明的。例如，輔助電極可以是基于用痕量鉬或另一種催化劑有利地催化的碳或石墨。電池中的電解質(zhì)通常是含有溶解的氧化還原物質(zhì)的有機溶劑。電解質(zhì)典型地為乙腈或更高分子量的、降低的揮發(fā)性的腈類，且在典型的電池中氧化還原物質(zhì)是溶解的碘和碘化鉀-基本上是三碘化鉀。然而，可以使用其他溶劑、鹽類和相，例如基本上無蒸氣壓的離子液體，甚至不同的氧化還原物質(zhì)。Graetzel等人的美國專利第5，350，644號公開了多種染料電池化學，尤其是基于釕絡合物的染料。落在光電極上的光子激發(fā)該染料(生成活化的氧化性染料分子)，引起電子進入二氧化鈦的導帶中并流至(經(jīng)由具有負載的外電路)輔助電極。在那里，電子將電解質(zhì)中的三碘化物還原成碘，且在光電陽極處，該碘被活化的染料氧化回到三碘化物，留下用于下個光子的無活性的染料分子。美國專利第5，350，644號公開了這樣的染料電池可以達到10%的光電轉(zhuǎn)化效率，并且在小型的優(yōu)秀研究電池中獲得超過11%的效率。Graetzel等人的美國專利第5，350, 644號的電池基于兩片在邊緣處用有機粘合劑密封的導電玻璃(在每個面上導電玻璃突出粘合劑之外，允許電流提取)。在峰值太陽照射下，這些電池以約700mV的電壓和15mA/sq. cm的電流密度操作，且輔助電極是正極。該專利認為由于材料和制備方法是低成本的且二氧化鈦層可大面積制備，所以這樣的電池可能潛在地提供低成本光伏電池的良好途徑。該專利進一步主張有可能比傳統(tǒng)的單晶或多晶硅電池以及甚至更近的薄膜光伏電池具有顯著的成本節(jié)約，因為這些都是高成本的并依賴于昂貴且經(jīng)常引起環(huán)境問題的原料，以及復雜昂貴的半導體工業(yè)加工設(shè)備和生產(chǎn)工藝。這些缺點包括使用真空沉積和半導體摻雜方法、潔凈室方案，使用有毒的氫化物如硅烷、磷化氫等作為原料，以及使用包含鎘、硒或碲的有毒活性層材料。經(jīng)由用氧化錫涂覆的導電玻璃的歐姆損耗是染料電池的主要問題。氧化錫涂層極薄，厚度通常限制在I微米以下，因為必須保持高的光透射通過到光電陽極染料/ 二氧化鈦層。而且，氧化錫僅是半導電的，具有約5X10_4ohm cm的電阻率，此外，難以粘合性地粘結(jié)。因此，在這樣的電池設(shè)計中，非常小尺寸的電池或具有狹長的活性二氧化鈦帶的帶電池極大地限制電流提取。應當指出，活性帶電池具有某些技術(shù)劣勢。例如，上述Kay的電池中，由于歐姆損耗限制，二氧化鈦帶和相應的碳帶是不利地狹窄(典型地只有6-8mm寬)。這導致了電流限制的電池構(gòu)型以及電池間的活性面積的過度損失，后者的損失歸因于注液電池密封需要的惰性材料的實際寬度。在任何情況下，相鄰的電池間足夠地密封以便有效防止任何注液電池電解質(zhì)遷移仍是嚴峻的挑戰(zhàn)。已經(jīng)做出努力通過在導電玻璃表面上鋪放平行的導電帶來增加電池的活性面積和寬度，由此實現(xiàn)大面積、寬的電池構(gòu)型。Kurth的美國專利第6，462，266號公開了一種具有設(shè)置在隔開的、玻璃支撐長方塊上的導電帶的光伏電池。以漿料形式印刷基于銀或銀合金、銅或銅合金的導電帶，隨后在升高的溫度下燒成。認為通過由無重金屬的玻璃組成的絕緣涂層來防止這些導電帶受電池電解質(zhì)的侵蝕。
相對于Graetzel等人的美國專利第5，350, 644號公開的電池，美國專利第6，462，266號教導的光伏電池具有降低的歐姆損耗，因為導體帶是良好的導體(如銀漿絲網(wǎng)印刷并在600°C下燒成)，以及因為增加了導電材料的總體有效厚度。然而，銀和釉料組合物所需的高處理溫度不利地影響了氧化錫涂層的導電率和玻璃的長期強度特性。在較低溫度下可以處理的釉料材料是可利用的，但含有有毒的重金屬如鉛，且也可能受電解質(zhì)的侵蝕或可能污染電解質(zhì)。此外，通過玻璃層保護銀導體在時間上是不合適的，因為釉料中不能完全排除小孔，尤其是在大規(guī)模生產(chǎn)工藝中。事實上，暴露的銀被電池電解質(zhì)中的碘快速腐蝕，這不利地減少電池中的碘總量并不可逆地侵蝕染料，在由聚合物保護的銀線中發(fā)生類似的劣化。Goldstein的美國專利申請公布第20050072458號描述了用于染料電池的大面積、寬導電玻璃或?qū)щ娝芰?。該導電玻璃或?qū)щ娝芰蠑y帶一組選自在電池電解質(zhì)存在下本質(zhì)上防止腐蝕和載流子重組的材料的導體，并在這種良好的玻璃或塑料(比普通的導電玻璃或塑料具有增強的電流收集性能)上沉積二氧化鈦。通過實例，首先將導電玻璃面開槽，形成一組平行間隔的淺凹槽。在每個凹槽中放置如鈦、鑰、鎢、鉻或它們的合金(在 電池運行條件下對腐蝕和載流子重組基本上惰性)的金屬線，且使用基于惰性陶瓷粘合劑(如氧化鋁)與惰性導電填料(如氮化鈦)混合的熱固粘結(jié)劑漿料在凹槽的每個面上在線與氧化錫層間獲得導電率。漿料填充凹槽并重疊在凹槽的每個面上，這樣固化后，與氧化錫層形成良好的電接觸。線從電池的玻璃邊緣處的凹槽末端突出并可被焊接到電流收集帶。在單個實施方式中描述了一組電鍍到導電玻璃或?qū)щ娝芰媳砻嫔系钠叫薪饘倩蚪饘俸辖饚АＴ陔姵氐臉O度腐蝕性的操作條件下電鍍合金防止腐蝕。給出的電鍍金屬的一個實例是鉻。從陽極板提取的電流再次由電池的側(cè)面生成，其中電鍍帶密封地穿過電池的邊緣密封件。在公開申請的更進一步的實施方式中，平行導體是惰性的鈦、鑰、鎢、鉻或它們的合金的帶或線。這些牢固的導體通過使用惰性、導電陶瓷粘合劑直接粘結(jié)到玻璃的導電表面。美國專利申請公布第20050072458號擴展了也用于電池輔助電極中的帶槽的導電玻璃中的線或電鍍到導電玻璃上的帶的使用。設(shè)置有粘結(jié)在凹槽中的線或?qū)щ姳砻嫔系碾婂儙У膶щ姴ＡО逵米魅玖想姵刂械膶掙帢O的基板(base)，且使用對碘有電活性的催化層覆蓋導電率增加的板。每個邊至少10_15cm的寬染料電池成為可能。然而，這樣的陰極盡管安裝有用于從大面積的寬電池中提取電流的合適的導電裝置，但迫使在電池中需要第二導電玻璃層，這伴隨相關(guān)的成本、重量和厚度的不利結(jié)果。在電池中兩個物理分離的載流電極的存在可能弓丨起額外的問題。具有如此間隔的電極的大面積電池的電極間難以確保緊密和均一的間距(及由此的均一電流分布)。同樣，由于全日光到晚上(或嚴寒)條件間的熱循環(huán)，電池密封的電極間間距和應力可能發(fā)生異常變化，對于具有顯著蒸氣壓的電池電解質(zhì)尤其如此。到目前為止，光伏染料電池沒有真正的商業(yè)化，盡管其有巨大的技術(shù)經(jīng)濟潛能。剩下的主要問題包括寬度遠大于一厘米、面積遠大于50平方厘米的電池的規(guī)?；６?，由于來自玻璃或塑料上的差導電性的氧化錫的過度歐姆損耗，電池中的銀基導體的長期穩(wěn)定性，及密封電池以抵抗長期干燥和性能退化的難度。許多方法依賴于昂貴的用導電氧化錫的透明襯底的內(nèi)部涂覆，而不是使用商業(yè)上可得到的塊體導電玻璃，例如氟摻雜氧化鋅(FTO)玻璃。
在現(xiàn)有技術(shù)中的染料電池和模塊的進一步的問題是電池或模塊的向陽面上的密封、保護層和導電路徑上浪費過度的表面積。在這些情況下，活性電流產(chǎn)生區(qū)域通常少于電池或模塊的幾何面積(占用面積(footprint))的70 %，造成了可利用面積中差的有效效率。現(xiàn)有技術(shù)中的電池的另一個問題是(尤其當輔助電極是與陽極分開的單獨元件時)陽極和陰極間相對大的間隔一在一些情況下對工業(yè)應用性的寬電池達到100微米一這導致了來自電解質(zhì)的過度歐姆損耗。由前述內(nèi)容應明顯得知，當輔助電極在電池中是與陽極分開的單獨元件時，輔助電極通常要求在電池中使用第二玻璃支撐體，或更不利地，在電池中使用第二導電玻璃。這些大大地增加了電池的成本、重量和厚度。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的教導，提供了一種以降低的歐姆損耗將光源轉(zhuǎn)化成電的光伏染料 電池，所述電池包括(a)室，所述室適用于包圍所述光伏電池，所述室包括至少部分透明的電池壁；(b)電解質(zhì)，所述電解質(zhì)被置于所述電池壁中，所述電解質(zhì)含有碘基氧化還原物質(zhì)；(C)至少部分透明的導電涂層，所述導電涂層被設(shè)置在壁的內(nèi)表面上；(d)陽極，所述陽極被設(shè)置在所述導電涂層上，所述陽極包括(i)多孔二氧化鈦膜，其適用于與所述氧化還原物質(zhì)緊密接觸；(ii)染料，其被吸收在所述多孔二氧化鈦膜的表面上，所述染料和所述膜適用于將光子轉(zhuǎn)化成電子；(e)陰極，所述陰極與所述陽極基本上相對設(shè)置，所述陰極包括適用于將電子轉(zhuǎn)移到與所述陰極相關(guān)的電流收集部件的導電碳層，所述導電碳層被設(shè)置成經(jīng)由所述電解質(zhì)與所述多孔二氧化鈦膜電解相通，所述陰極具有以相對于二氧化鈦膜的表面直接相鄰的方式設(shè)置的表面，及其中所述陰極的表面與所述多孔二氧化鈦膜的所述表面之間的平均距離小于7微米。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種以降低的歐姆損耗將光源轉(zhuǎn)化成電的光伏染料電池，所述電池包括(a)室，所述室適用于包圍所述光伏電池，所述室包括具有內(nèi)表面的至少部分透明的電池壁；(b)電解質(zhì)，所述電解質(zhì)被置于所述電池壁中，所述電解質(zhì)含有碘基氧化還原物質(zhì)；(C)至少部分透明的導電涂層，所述導電涂層在所述光伏電池中被設(shè)置在所述電池壁的所述內(nèi)表面上；(d)陽極，所述陽極被設(shè)置在所述導電涂層上，所述陽極包括(i)多孔二氧化鈦膜，其適用于與所述氧化還原物質(zhì)緊密接觸；(ii)染料，其被吸收在所述多孔二氧化鈦膜的表面上，所述染料和所述膜適用于將光子轉(zhuǎn)化成電子；(e)陰極，所述陰極與所述陽極基本上相對設(shè)置，所述陰極包括至少一個適用于將電子轉(zhuǎn)移到與所述陰極相關(guān)的電流收集部件的柔性的導電碳片，所述導電碳片被設(shè)置成經(jīng)由所述電解質(zhì)與所述多孔二氧化鈦膜電解相通，所述導電碳片相對于所述陽極的所述多孔二氧化鈦膜形成離散層，及其中所述柔性的導電碳片符合所述多孔二氧化鈦膜的輪廓。根據(jù)本發(fā)明的又一個方面，提供了一種以降低的歐姆損耗將光源轉(zhuǎn)化成電的光伏染料電池，所述電池包括(a)室，所述室適用于包圍所述光伏電池，所述室包括至少部分透明的電池壁；(b)電解質(zhì)，所述電解質(zhì)被置于所述電池壁中，所述電解質(zhì)含有碘基氧化還原物質(zhì)；(c)至少部分透明的導電涂層，所述導電涂層在所述光伏電池中被設(shè)置在所述電池壁的所述內(nèi)表面上；(d)陽極，所述陽極被設(shè)置在所述導電涂層上，所述陽極包括(i )多孔二氧化鈦膜，其適用于與所述氧化還原物質(zhì)緊密接觸；(ii)染料，其被吸收在所述多孔二氧化鈦膜的表面上，所述染料和所述膜適用于將光子轉(zhuǎn)化成電子；(e)電流收集部件，其被設(shè)置在所述室內(nèi)；(f)陰極，所述陰極與所述陽極基本上相對設(shè)置，所述陰極包括至少一個適用于將電子轉(zhuǎn)移到所述電流收集部件的導電碳片(或碳層)，所述導電碳片被設(shè)置成經(jīng)由所述電解質(zhì)與所述多孔二氧化鈦膜電解相通，及其中所述電流收集部件包括石墨箔或薄片或由具有低于1200i! Q 的比電阻率的導電材料形成的另一種化學惰性的、導電的箔或薄片，它們與所述導電碳片基本上平行設(shè)置，所述石墨箔用于從所述陰極收集電流。根據(jù)描述的優(yōu)選實施方案中的進一步的特征，該陰極還包括與該導電碳層有關(guān)并適用于催化該氧化還原物質(zhì)的氧化還原反應的催化組分。根據(jù)描述的優(yōu)選實施方案中的更進一步的特征，高于該電池表面積的至少80%、至少85%、至少90%或至少95%獲得該距離。根據(jù)描述的優(yōu)選實施方案中的更進一步的特征，該陰極表面和多孔二氧化鈦膜表 面間的平均距離小于5微米，或甚至小于3微米。根據(jù)描述的優(yōu)選實施方案中的更進一步的特征，該陰極與該多孔二氧化鈦膜的表面直接接觸。根據(jù)描述的優(yōu)選實施方案中的更進一步的特征，該光伏電池還包括(f)至少一條與該陽極和該導電涂層電相關(guān)的金屬帶或線，該帶或線具有足夠的厚度以形成在多孔二氧化鈦膜的平面上突出至少50微米的突起。根據(jù)描述的優(yōu)選實施方案中的更進一步的特征，該導電碳層形成至少一個自支撐的片。 根據(jù)描述的優(yōu)選實施方案中的更進一步的特征，該自支撐的片與該陽極的多孔二氧化鈦膜僅在物理上相關(guān)。根據(jù)描述的優(yōu)選實施方案中的更進一步的特征，該光伏電池的單個電池的占用面積由該單個電池的長度和寬度限定，其中長度和寬度都超過5厘米，以及在一些情況下，至少8厘米，或甚至至少10厘米。根據(jù)描述的優(yōu)選實施方案中的更進一步的特征，該至少一種金屬帶或線是多根線，該突起是多個突起。根據(jù)描述的優(yōu)選實施方案中的更進一步的特征，該導電碳層形成多個的自支撐帶，該帶置于該突起之間。根據(jù)描述的優(yōu)選實施方案中的更進一步的特征，其中該帶置于突起之間使該導電碳層的表面與該多孔二氧化鈦膜的表面基本上平行。根據(jù)描述的優(yōu)選實施方案中的更進一步的特征，該導電碳層置于多孔支撐基體中。根據(jù)描述的優(yōu)選實施方案中的更進一步的特征，該導電碳層由設(shè)置在導電碳層之間的柔性的多孔支撐基體支撐。根據(jù)描述的優(yōu)選實施方案中的更進一步的特征，該導電碳層和該柔性的多孔支撐基體符合該多孔二氧化鈦膜的輪廓。根據(jù)描述的優(yōu)選實施方案中的更進一步的特征，該陰極的表面包括適用于催化該氧化還原物質(zhì)的氧化還原反應的催化組分。根據(jù)描述的優(yōu)選實施方案中的更進一步的特征，該柔性的多孔支撐基體包括纖維墊。根據(jù)描述的優(yōu)選實施方案中的更進一步的特征，該柔性的多孔支撐基體包括玻璃纖維。根據(jù)描述的優(yōu)選實施方案中的更進一步的特征，該柔性的多孔支撐基體包括玻璃纖維墊。根據(jù)描述的優(yōu)選實施方案中的更進一步的特征，該導電碳層包括浸潰碳的玻璃纖維帶。根據(jù)描述的優(yōu)選實施方案中的更進一步的特征，該浸潰碳的玻璃纖維帶與該多孔二氧化鈦膜的表面直接接觸。
根據(jù)描述的優(yōu)選實施方案中的更進一步的特征，該部分透明的導電涂層是氧化錫。根據(jù)描述的優(yōu)選實施方案中的更進一步的特征，該光伏電池還包括至少一種與導電碳層有關(guān)的導電的結(jié)構(gòu)性部件，該結(jié)構(gòu)性部件具有低于1200i! Q cm的比電阻率，該部件適用于并設(shè)置成從陰極收集電流。根據(jù)描述的優(yōu)選實施方案中的更進一步的特征，該導電結(jié)構(gòu)性部件包括石墨。根據(jù)描述的優(yōu)選實施方案中的更進一步的特征，該導電結(jié)構(gòu)性部件包括石墨箔。根據(jù)描述的優(yōu)選實施方案中的更進一步的特征，該光伏電池還包括與該石墨箔連接的金屬導電元件，該金屬導電元件延伸穿過該電池的側(cè)壁以影響電流提取。根據(jù)描述的優(yōu)選實施方案中的更進一步的特征，該金屬導電元件是金屬箔或金屬網(wǎng)。根據(jù)描述的優(yōu)選實施方案中的更進一步的特征，在該陽極與該陰極之間放置少于50%、少于30%、少于20%或甚至少于10%的電解質(zhì)。根據(jù)描述的優(yōu)選實施方案中的更進一步的特征，該柔性的導電碳片具有低于90、低于80或甚至低于70的肖氏D硬度。根據(jù)描述的優(yōu)選實施方案中的更進一步的特征，該電流收集部件含有按重量計少于2%的粘結(jié)劑。優(yōu)選地，該電流收集部件含有按重量計少于1%的粘結(jié)劑，以及更優(yōu)選地按重量計少于0. 5%的粘結(jié)劑。該電流收集部件可以基本上無粘結(jié)劑。根據(jù)描述的優(yōu)選實施方案中的更進一步的特征，該光伏電池還包括與石墨箔連接的金屬導電元件，該金屬導電元件延伸穿過該電池的側(cè)壁以影響電流提取。根據(jù)描述的優(yōu)選實施方案中的更進一步的特征，該金屬導電元件是金屬箔或金屬網(wǎng)。本發(fā)明的光伏染料電池可以是簡單的、寬的、大面積的、有效率的、低成本的、輕便的和牢固的，并可以成功地解決現(xiàn)有技術(shù)中的多種缺點。


本發(fā)明參考附圖僅通過實施例在此處進行描述。現(xiàn)在詳細地具體參考附圖，強調(diào)的是所示的特例僅作為實施例，并僅作為本發(fā)明優(yōu)選實施方式的示例性討論的目的，且是為了提供被認為是本發(fā)明原理和概念方面最有用和容易理解的描述而呈現(xiàn)。就這一點而言，沒有打算比基本理解本發(fā)明所必須的來更詳細地展示本發(fā)明的結(jié)構(gòu)細節(jié)，結(jié)合附圖的描述使得如何實際體現(xiàn)本發(fā)明的幾個形式對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是明顯的。在所有附圖中，相同參考的符號用來指定相同的元件。在附圖中圖I是根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方式的“開式”光伏染料電池的示意性橫截面圖；圖2提供了根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施方式的染料電池的示意性橫截面圖；圖3a提供了具有雙板結(jié)構(gòu)的獨創(chuàng)性的光伏染料電池的示意性橫截面圖；圖3b是圖3a的電池的示意性俯視圖，顯示了該電池的錨固點的設(shè)置；圖4是根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施方式的具有雙板結(jié)構(gòu)的光伏染料電池的示意性橫截面圖；及·圖5提供了一種具有作為陰極電流輸送工具的具有填充導體的凹槽的光伏染料電池的示意性橫截面圖。
具體實施例可以參考附圖和伴隨的描述更好地理解本發(fā)明的輔助電極和光伏染料電池的原理和操作。在詳細地說明本發(fā)明的至少一個實施方式前，應當理解，本發(fā)明在其應用中不限于在下面的描述中提出的或在附圖中闡釋的結(jié)構(gòu)細節(jié)和部件布置。本發(fā)明能夠是其他的實施方式或能夠以多種方式操作或?qū)嵤Ｍ瑯?，應理解，此處使用的措辭和術(shù)語是作為描述的目的，不應當認為是限制。本發(fā)明的一個方面是用于每邊典型地為15cm的寬的、大面積的單個染料電池的輔助電極，及包含這樣的輔助電極的獨創(chuàng)性的光伏電池結(jié)構(gòu)。我們發(fā)現(xiàn)當這類寬的、單個電池組件嘗試用現(xiàn)有技術(shù)中的輔助電極的通常的碳基組合物(如上面參考的Kay的專利舉例的，該專利使用二氧化鈦粉末作為粘結(jié)劑來粘結(jié)碳層)時，除了遠大于Icm的電池寬度的預期電流提取限制外，還出現(xiàn)了因碳層的相當脆的性質(zhì)所產(chǎn)生的額外問題。在大面積的碳層中嵌入(甚至部分地嵌入)如金屬網(wǎng)、金屬箔或金屬線的電流收集結(jié)構(gòu)而不造成整個結(jié)構(gòu)分層是非常困難的。這主要歸因于無機粘結(jié)劑如用于粘結(jié)碳層的二氧化鈦的非彈性性質(zhì)。由于電池中的陽極層和陰極層都需要450C的高燒結(jié)溫度，所以在這種應用中通常不適合更柔性的有機型粘結(jié)劑。高燒結(jié)溫度可能破壞有機粘結(jié)劑并可能用有機分解的殘余物污染電池。此外，在染料電池工作條件下，許多金屬被電池電解質(zhì)腐蝕，且因而不適合在輔助電極中用作電流收集器。Kay教導的染料-電池技術(shù)中，由于帶電池的狹窄寬度而沒有出現(xiàn)這些問題。在這樣的狹窄電池中 燒結(jié)過(sintered-on)的碳層可以顯示足夠的機械穩(wěn)定性,及 碳層可單獨輸送電流，而不需要輔助的電流收集器。本發(fā)明的電池結(jié)構(gòu)可包括石墨箔，其結(jié)合了至少部分嵌入石墨箔中的防腐金屬或金屬合金的電流提取元件(current takeoff element),其中結(jié)構(gòu)導電性地粘結(jié)到下面的陰極碳層，或與其直接導電接觸。這種結(jié)構(gòu)是可接受的牢固并允許大面積、寬的電池構(gòu)型，同時在染料電池中不再需要第二導電玻璃層或第二物理上分離的輔助電極。嵌入石墨箔中的防腐電流提取元件可選自多種形狀，包括諸如鈦、鈦包覆的銅、鎢、鐵鉻高質(zhì)合金或鐵鉻鑰高質(zhì)合金的許多金屬或合金的箔、網(wǎng)、帶或線。在另外一個優(yōu)選實施方式中，防腐金屬或金屬合金電流提取元件在電池中可用作獨立的輔助電極而無需結(jié)合碳或石墨箔層，在這種情況下，用痕量鉬直接催化的輔助電極。圖I顯示了獨創(chuàng)性的光伏染料電池100的一個實施方式的示意性的橫截面圖，該電池可以是一種“開式”夾層狀樣式。在支撐玻璃如常規(guī)的陽極支撐玻璃102 (典型厚度為lmm-3mm)上，設(shè)置了薄的、透明的導電表面層104，該層基于例如氧化錫。支撐玻璃102和導電表面層104可提供有導電率增強特征(例如上面參考的美國專利申請公開第20050072458號中描述的，該專利基于全部目的在此通過引用并入，就好像它們被全文公開)。支撐玻璃102用作該染料電池的襯底和基本的組成部分。將該襯底開槽并安裝有如上面參考的專利公開中教導的線電流提取裝置。因而，線通過電池的側(cè)面密封地穿出電池，并結(jié)合在一起和/或通過例如焊接連接至電流收集帶(未顯示)，以便形成電池陽極接線柱。在每個凹槽108中應用惰性的、導電的粘結(jié)劑組合物112，該組合物112將線116連接到凹槽中，且使得在該凹槽的每個面上與氧化錫層具有良好的橋連電接觸。作為一個實施例， 鈦、鎢或高質(zhì)合金線可以被插入凹槽中。優(yōu)選包括如氮化鈦的導體和如氧化鋁的粘結(jié)劑的導電粘結(jié)劑也可以被加入凹槽中。通常通過漿料的絲網(wǎng)印刷，然后干燥和燒結(jié)來在氧化錫表面施加納米晶二氧化鈦層。多孔燒結(jié)納米晶二氧化鈦膜或?qū)?20被設(shè)計成具有約15微米的典型厚度。二氧化鈦膜或?qū)?20可包括若干層二氧化鈦亞層，每個亞層可獨自地絲網(wǎng)印刷和燒結(jié)。我們發(fā)現(xiàn)在施加納米晶二氧化鈦層之前，用絕緣層124覆蓋導電粘結(jié)劑112的上表面可以幫助消除發(fā)生在陽極與陰極間的可能的短路。絕緣層124可能對如圖I所示的其中導電粘結(jié)劑表面遠高于燒結(jié)二氧化鈦層120的電池尤其重要。絕緣層124可選自含有優(yōu)選具有幾微米數(shù)量級的特征粒度的相當粗糙的二氧化鈦、氧化鋯、氧化鋁或二氧化硅顆粒的釉料或粘結(jié)劑組合物，或可選擇地，選自高溫聚合物如聚酰亞胺或硅氧烷。隨后可以用來自含有相對粗糙的二氧化鈦、二氧化鋯、二氧化硅或氧化鋁顆粒的漿料的絲網(wǎng)印刷的多孔絕緣間隔層覆蓋二氧化鈦層120。設(shè)計絲網(wǎng)印刷的間隔層以生成厚度約為5微米的燒結(jié)絕緣間隔層128。燒結(jié)絕緣間隔層128也起到光散射層的作用，引導光回到燒結(jié)納米晶二氧化鈦層120。先通過絲網(wǎng)印刷應用輔助電極層來繼續(xù)構(gòu)造電池。間隔層128可以是狹窄的，通常在2-10微米數(shù)量級，以確保電池中很小的陽極/陰極間隔、低的歐姆電阻和高的電池填充因子，所有這些都有助于增強電池性能。在絕緣間隔層128上可經(jīng)由含有惰性粘結(jié)劑的可絲網(wǎng)印刷的漿料來應用薄的多孔碳層，任選地被痕量鉬或鉬催化劑替代物催化的多孔碳層。干燥和燒結(jié)此薄層以產(chǎn)生僅有幾微米特征厚度的燒結(jié)多孔催化碳層132?？山z網(wǎng)印刷的多孔催化碳漿料層燒結(jié)后是經(jīng)由含有惰性粘結(jié)劑的可絲網(wǎng)印刷的碳漿料來應用相對厚的多孔導電碳層。進行另一個燒結(jié)步驟，這產(chǎn)生燒結(jié)多孔導電碳層136。典型地設(shè)計該碳漿料的絲網(wǎng)印刷以使燒結(jié)的導電碳層136的厚度典型地約為50-100微米。導電碳層136在電池中對碘的氧化還原反應可以是足夠活性的，使得可以排除對分離的催化層例如催化碳層132的需要。在一個優(yōu)選的實施方式中，如果可能的話可以在單一燒結(jié)步驟中，在450°C下燒結(jié)各層，局部冷卻后，經(jīng)由多孔碳層136把敏化劑染料引入二氧化鈦層120中。可以將在其下設(shè)置了具有制備好的、燒結(jié)過的、多孔的、導電碳(和化學惰性的)粘結(jié)劑層144的一片石墨箔140置于碳層136上，以便與碳層136形成良好的導電接觸。多孔碳層136、石墨箔140 (包括粘結(jié)劑層144)和任選的催化層132可以形成電池100的陰極或輔助電極160。呈線、網(wǎng)、帶、穿孔的帶或箔形式的防腐金屬或金屬合金電流收集器152可以至少部分地嵌入石墨箔中，該電流收集器152突出穿過外周的電池密封件(下文描述)以作為電池的輔助電極接線柱。我們發(fā)現(xiàn)在正常的電池操作情況下，鈦、鈦包覆的銅和鎢以及一些主要由鉻鐵或鉻鐵鑰組成的高質(zhì)合金可用作化學穩(wěn)定的輔助電極的電流收集材料。石墨箔140可以有利地配置有一個或多個穿孔146以有利于在隨后的填充操作中使電解質(zhì)分配入電池。
片(sheet) 154可以被設(shè)置在組件的頂部以密閉電池。片154可由廉價的窗玻璃或多種金屬或合金制成。在片154下及石墨箔140的頂部可有利地設(shè)置彈性片148，彈性片148優(yōu)選包括泡沫、纖維墊或彈性體墊或膨脹前體材料或膨脹聚合物材料或由這些材料組成?？梢园ň酆衔?、碳或金屬材料的彈性片148是可壓縮的和像彈簧的，以助于在石墨箔140和碳層136間保持相對均勻的壓力，同時在大的必要面積上確保足夠的電接觸而不脫尚層136。電池100的邊緣可通過外周密封件156進行密封，例如使用液相密封劑。電解質(zhì)可隨后引入電池100中，典型地使用真空方式經(jīng)由片154上的孔(未顯示)，該孔可使用密封組合物密封。電池隨后可用于測試/模組化。圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施方式的光伏染料電池200的示意性橫截面圖。在支撐玻璃如常規(guī)的陽極支持玻璃202 (典型厚度為lmm-3mm)上，設(shè)置了薄的、透明的導電表面層204，該層基于例如氧化錫?？梢蕴峁┯袑щ娐试鰪娞卣鞯闹尾Ａ?02作為染料電池200的襯底和基本的組成部分。在導電表面層204上設(shè)置一組隔開的、優(yōu)選基本上平行的對電池電解質(zhì)和載荷子重組呈惰性的金屬或合金帶216。可以通過電鍍方式沉積的帶216為電池200提供電流輸送裝置。帶216可密封地穿過電池200的側(cè)面，并可以電連接在一起，例如通過密封件外的電流收集帶(未顯示)，由此形成電池的陽極接線柱?；旧先缟衔年P(guān)于圖I所示的填充凹槽進行描述的，電鍍的帶也可以有利地涂覆絕緣層228，例如包括二氧化鈦、氧化鋯、氧化鋁和/或二氧化硅的釉料或粘結(jié)劑組合物以防止陽極/陽極的短路。通常通過絲網(wǎng)印刷漿料、干燥和燒結(jié)將納米晶二氧化鈦層應用到導電表面層204 上。多孔的燒結(jié)納米晶二氧化鈦膜或?qū)?20被設(shè)計成具有約15微米的典型厚度。二氧化鈦膜或?qū)?20可以包括若干二氧化鈦亞層，每個亞層可獨自地絲網(wǎng)印刷和燒結(jié)。然后用絲網(wǎng)印刷的多孔絕緣間隔層覆蓋二氧化鈦層220，該間隔層經(jīng)歷燒結(jié)以生成燒結(jié)絕緣間隔層228。該絲網(wǎng)印刷的漿料可以含有相對粗糙的二氧化鈦、氧化鋯、二氧化硅和/或氧化鋁顆粒。干燥和燒結(jié)后，燒結(jié)絕緣間隔層228可具有約2-10微米的厚度。設(shè)計該厚度以確保電池中很小的陽極/陰極間隔。進一步設(shè)計該厚度以獲得低的內(nèi)阻和高的電池填充因子，由此提高電池性能。間隔層228也起到光背散射層的作用，引導光回到燒結(jié)納米晶二氧化鈦層220。
在絕緣間隔層228上設(shè)置電池200的陰極或輔助電極260。陰極260包括燒結(jié)多孔催化導電碳層232，該碳層232可含有對電池200的成分呈化學惰性的粘結(jié)劑并可以被痕量鉬或鉬催化劑替代物催化?？赏ㄟ^絲網(wǎng)印刷或以其他方式施加多孔催化碳漿料的薄層來制備碳層232，隨后干燥和燒結(jié)該層。燒結(jié)多孔導電碳層232可具有幾微米的厚度，典型地小于約10微米。在催化碳層232上設(shè)置相對厚的燒結(jié)導電碳層236，該碳層236也可形成陰極260的一部分?？梢酝ㄟ^絲網(wǎng)印刷制備碳層236，隨后干燥和燒結(jié)該層以得到50-100微米的典型厚度。一些高表面積碳和石墨在電池中對碘的氧化還原反應如此活潑以致于可以排除對分離的催化或鍍鉬的層228的需要。在一個優(yōu)選實施方案中，典型地或優(yōu)選地在450°C下，在單一燒結(jié)步驟中燒結(jié)各層，局部冷卻后，經(jīng)由多孔碳層236把敏化劑染料弓I入二氧化鈦層220中。接著，經(jīng)由導電碳粘結(jié)層245將一片石墨箔240導電性地粘結(jié)到碳層236，該粘結(jié)層245可被選擇成在120°C的溫度下是可固化的，由此避免對二氧化鈦層220中的熱敏染料造成任何損害。粘結(jié)層245的合適成分可以包括碳粉和基于氧化鋁的惰性(相對于電解質(zhì))無機粘結(jié)劑或基于例如硅氧烷或聚酰亞胺的惰性(相對于電解質(zhì))有機粘結(jié)劑?？梢钥紤]將石墨箔240和導電碳粘結(jié)層245形成陰極260的一部分。呈線、網(wǎng)、帶、穿孔的帶或箔形式的防腐金屬或金屬合金電流收集器252可以嵌入(至少部分地)石墨箔240中，該電流收集器252突出穿過外周的電池密封件(下文描述)以作為電池200的輔助電極接線柱。我們發(fā)現(xiàn)鈦、鈦包覆的銅和鎢以及一些主要由鉻鐵或鉻鐵鑰組成的高質(zhì)合金可用作化學穩(wěn)定的輔助電極的電流收集材料。石墨箔240可以有利地具有穿孔246以有利于電解質(zhì)分配入電池中。在此階段可進行電解質(zhì)填充步驟。通過放置一片塑料層狀箔258及在電池的元件202和258間應用外周密封劑252而從結(jié)構(gòu)上完成電池，或可選擇地，可噴涂聚合物密封層以便先密封該電池并使用外部金屬箔(未顯示)來提供額外的密封。然而，如果輕質(zhì)構(gòu)造不是特別關(guān)鍵的，那么窗玻璃或金屬/合金片可以用于密閉該電池，且在后一種情況下，可省略電流收集器252。如前所述，具有物理上分隔的陽極和輔助電極的大面積的、寬染料電池可能會經(jīng)受各種特有的性能限制。減少或消除這種物理分隔是如圖I和2所示的開式夾層狀設(shè)計的一個目的，在該設(shè)計中所有的活性層都被粘結(jié)到單獨的(導電)玻璃片上。在寬電池的工業(yè)應用中，尤其是使用不揮發(fā)電解質(zhì)的電池中，電極間的間距傾向于至少50-100微米，在此點處，電池電解質(zhì)的歐姆損耗變得過大。同樣地，白天晚上間的溫度變化可能引起電極間間距的膨脹/收縮變化，這可能導致電流不規(guī)則和密封處被加應力。然而，在一個優(yōu)選的實施方式中，我們公開了一種具有雙板設(shè)計的光伏染料電池，該光伏染料電池可以克服這些限制。雖然二氧化鈦層上的氧化鋯間隔層上印刷有碳層的多種夾層結(jié)構(gòu)可以允許碳和二氧化鈦表面的緊密間隔，但是必須強調(diào)這樣的結(jié)構(gòu)極易使碳印刷層經(jīng)由二氧化鈦或間隔印刷層中的任何孔洞或缺陷滲透到導電玻璃表面。碳印刷層滲透到FTO玻璃的導電表面導致該電池短路，由此降低或限制電池性能?？紤]到對于電池達到商業(yè)生存力所需要的至少7-10年的壽命，此問題尤其嚴重。在此處描述的獨創(chuàng)性的雙板結(jié)構(gòu)消除了這個重要且潛在 的關(guān)鍵問題，因為碳輔助電極沒有被燒結(jié)(例如，在高溫下化學粘結(jié))到二氧化鈦或間隔印刷層上。相反，碳輔助電極是置于間隔層的上部且可以物理接觸間隔層，或置于二氧化鈦層的上表面，但并未化學粘結(jié)到間隔層或二氧化鈦層上的不同的和獨立的實體，如印刷碳層技術(shù)中一樣。如在此處說明書和隨后的權(quán)利要求書部分中使用的，相對于陰極的表面和陽極的表面(例如陰極的碳表面或催化的碳表面和陽極的多孔二氧化鈦膜)，術(shù)語“直接相鄰”指的是未被插層分隔的表面。如在此處說明書和隨后的權(quán)利要求書部分中使用的，相對于陰極層和/或陽極層，術(shù)語“僅物理上相關(guān)”指的是相接觸的、但未燒結(jié)在一起的及以其他方式被化學分離的層。如在此處說明書和隨后的權(quán)利要求書部分中使用的，相對于陰極的帶或?qū)雍?或 陽極的層，術(shù)語“自支撐”指的是帶或?qū)雨P(guān)于相對的電極以分離結(jié)構(gòu)保持在電池中的適當位置。如在此處說明書和隨后的權(quán)利要求書部分中使用的，相對于電池中相鄰的層，術(shù)語“離散”指的是可以彼此接觸但物理上仍不同的層。圖3a提供了這樣獨創(chuàng)性的光伏染料電池300的一個實施方式的示意性橫截面圖。具有1_-3_的典型厚度的陽極玻璃302具有基于導電材料如氧化錫的薄的、透明的導電表面層304。陽極玻璃302和導電表面層304可提供有導電率增強的特征。將導電玻璃開槽并安裝基本上如前所述的線電流提取裝置。因而，線在該電池的側(cè)面密封地穿出電池，并被編結(jié)在一起和/或通過例如焊接連接至電流收集帶(未顯示)，以形成電池300的陽極接線柱。在每個凹槽308中應用導電粘結(jié)劑層312，該層優(yōu)選對電池電解質(zhì)呈化學惰性并起到將導線316連接到凹槽308中的作用，同時使得在凹槽308的每個面上與氧化錫層(導電表面層304)具有良好的橋連電接觸。作為一個實施例，鈦、鎢或高質(zhì)合金線可以被插入凹槽308中，且優(yōu)選包括如氮化鈦的導體和如氧化鋁的粘結(jié)劑的導電粘結(jié)劑也可以加入凹槽308 中。在構(gòu)造電池300中，在施加納米晶二氧化鈦層之前，可以用絕緣層324覆蓋導電粘結(jié)劑層312的上表面，以防止陽極與陰極間發(fā)生短路。當導電粘結(jié)劑層312的表面遠高于燒結(jié)納米晶二氧化鈦層320時(如圖3a所示)，這尤其重要。絕緣層324可選自含有具有幾微米的特征粒度的相當粗糙的二氧化鈦、氧化鋯、氧化鋁或二氧化硅顆粒的釉料或粘結(jié)劑組合物，或可選擇地，選自高溫聚合物如聚酰亞胺或硅氧烷。在氧化錫表面(導電表面層304)上施加納米晶二氧化鈦層，這通常是通過絲網(wǎng)印刷漿料，隨后干燥并燒結(jié)以生成燒結(jié)納米晶二氧化鈦層320。此燒結(jié)層被設(shè)計成在燒結(jié)步驟后具有約15微米的典型厚度?；陔娊^緣和/或光背散射的目的，二氧化鈦層320可任選地被涂覆有基于二氧化鈦、氧化鋯、氧化鋁或二氧化硅的粗糙顆粒層(未顯示)。在電池300的構(gòu)造過程中，隨后可用敏化劑染料覆蓋二氧化鈦層320，此步驟可隨后進行，在填充電解質(zhì)前。用防腐金屬片368封閉電池，該金屬片已使用例如痕量鉬微晶332的催化劑常規(guī)催化，且使用耐電解質(zhì)的密封劑336在每個邊緣處將這種片密封到陽極玻璃300。作為金屬片368的合適構(gòu)造材料可包括鈦、鈦包覆的銅、鎢或主要地包括鐵鉻或鐵鉻鑰的高質(zhì)合金。重要地，通過使用一層耐電解質(zhì)的粘合劑340，將金屬片368粘結(jié)到絕緣層324的上升的電絕緣材料。合適的粘合劑是可利用的，例如基于硅氧烷或聚酰亞胺?？裳刂采w凹槽308的材料以周期性的間距間隔放置粘合劑層340以在片368和陽極玻璃302間維持牢固的錨固和均勻的間距。橫向連續(xù)的粘合劑層是可操作的，然而，但可能是不利的，因為它以液壓方式隔離相鄰凹槽間的電解質(zhì)，并使電解質(zhì)填充電池300相當費力。圖3b顯示了在電池300的示意性俯視圖中的錨固點的設(shè)置，其中每個“ + ”記號303表示沿著陽極板上放置有粘合劑的凹槽的間距位置。圖3a中的片368可以以互補的方式開槽于陽極玻璃302，以便如要求地接受絕緣層324的上升的輪廓，由此在催化劑332的表面與二氧化鈦層320的表面間實現(xiàn)期望的緊密接近(只有幾十微米)。電池可經(jīng)由金屬片368的孔(未顯示)被填充電解質(zhì)，隨后密封孔。根據(jù)期望的間距標準，構(gòu)建雙板設(shè)計的各種可選擇的實施方式都是可能的。在圖3a中，陽極板可以被安裝有導電金屬帶，而不是嵌入的線。同樣地，基于輔助電極的金屬片可以被簡單地沖壓成型為像凹槽的形貌。在一個優(yōu)選的實施方式中，輔助電極可以是適度催化的平的金屬片，已經(jīng)從金屬片沖孔或切割出狹縫，使得狹縫安裝在位于凹槽上的上升元件上，同時使狹縫間的催化表面與下面的二氧化鈦表面達到緊密接近。在這樣的情況下，·放置在帶狹縫的板上的玻璃或聚合物片將會用來封閉電池，且此玻璃或聚合物將會被錨固到上升元件上的多個點處。圖4提供了根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方式的雙板光伏染料電池400的示意性橫截面圖。此雙板電池的構(gòu)型能夠每個電池僅使用單個導電玻璃片。這種構(gòu)型進一步實現(xiàn)陽極和陰極的非常緊密的并置。涂覆有基本上透明的導體層404的光電陽極支撐玻璃或襯底402可以具有間隔的，優(yōu)選平行的線410，該線通過基本上惰性的導電粘合劑層例如導電陶瓷粘合劑層415被粘結(jié)在導電玻璃的表面上的合適位置(例如，導體層404的頂部上)?；瘜W惰性的電流收集線410和電池400的邊緣處間是通常為10-15微米厚的燒結(jié)納米晶多孔二氧化鈦層406。由于線410可以典型地具有至少100微米的直徑，以及二氧化鈦層406的高度典型地低于約15微米，所以線410可以在二氧化鈦層406上突出超過80微米。為了避免電池400的輔助電極430的短路，可以有利地用電絕緣層418，例如包括氧化鋯的層覆蓋陶瓷粘合劑層415。電絕緣層418可以典型地具有20-50微米范圍內(nèi)的厚度。電池400可以有兩個物理上分離的電極。因而，陰極或輔助電極430可以是位于陽極元件上的不同部件，且可以被設(shè)置成緊密接近陽極元件。輔助電極430可以有利地包括多孔導電陰極層425，如支撐浸潰碳的多孔支撐基體。多孔基體可以包括或基本上由墊、織造物和/或非織造物、泡沫或本領(lǐng)域已知的可能的其他基體組成。用于墊的優(yōu)選材料是玻璃纖維，因為它成本低、柔性并且可符合電池幾何形狀，在電池環(huán)境中呈化學惰性，并可以經(jīng)受住高的固化或燒結(jié)溫度。也可以使用其他纖維如碳纖維。可以通過惰性粘結(jié)劑將浸潰碳粘結(jié)到多孔支撐基體，惰性粘結(jié)劑可以選自如氧化鋁的無機材料或如聚四氟乙烯(PTFE或Telfon O的聚合物材料。輔助電極430可包括多孔陰極層425和催化層432 (催化層432面向二氧化鈦層406設(shè)置)或其組合。多孔陰極層425可以以多根帶設(shè)置在電池400內(nèi)，每根帶具有的寬度能夠使帶安裝在層418的相鄰突起之間，或鄰近電池外周，在層418的突起與(內(nèi))邊緣密封件465的內(nèi)壁間。經(jīng)由置于多孔陰極層425的帶(且通常相對于帶物理分離)上的石墨箔435可影響來自陰極或輔助電極430的電流提取。在其外周，石墨箔435可具有至少部分嵌入的、可能突出在電池400外的惰性金屬網(wǎng)或箔440以促進陰極電流收集。根據(jù)以下獨創(chuàng)性的方法可制造染料電池400:在具有透明導體層404 (如導電的透明氧化錫層)的光電陽極支撐玻璃402的表面上是二氧化鈦漿料的絲網(wǎng)印刷帶。一旦燒結(jié)，生成燒結(jié)多孔二氧化鈦層406的間隔開的帶。電流收集線410位于相鄰的二氧化鈦帶間的每個間隙中?？衫@著線410印刷化學惰性的導電陶瓷漿料。可在陶瓷材料的頂部上印刷電絕緣漿料。燒結(jié)操作使陶瓷粘合劑層415化學粘結(jié)到透明導體層404。燒結(jié)使電絕緣層418化學粘結(jié)到陶瓷粘合劑層415。在這點上，二氧化鈦帶可能會被染料玷污。電池400的輔助電極包括置于二氧化鈦層406的帶上的多孔導電層425的帶。這 些帶可以有利地包括浸潰了已經(jīng)歷燒結(jié)的導電碳漿料的玻璃纖維墊。導電層425的帶可使用催化層432被有利地催化，該催化層432可包括在其表面上的痕量鉬催化劑。這些帶可直接置于光電陽極的燒結(jié)二氧化鈦層406上，其中催化層432面向二氧化鈦層406設(shè)置。盡管這種直接接觸，但是我們發(fā)現(xiàn)在浸潰碳的帶中，使碳與二氧化鈦進一步隔離是沒必要的。經(jīng)由置于導電層425的帶上的石墨箔435有利地完成電流提取。石墨箔435在其外周具有可以密封地穿出該電池的嵌入的惰性金屬網(wǎng)或箔440。通過窗玻璃蓋445連同內(nèi)部邊緣密封件465和外部邊緣密封件470來密封電池400，優(yōu)選地通過兩種順序施加的聚合物產(chǎn)生。玻璃蓋445向下面的石墨箔施加足夠的壓力以確保電池中的元件良好的電接觸和緊密的間距。電解質(zhì)添加到電池中可以通過窗玻璃上的填充孔(未顯示)進行，其中孔隨后由聚合物密封。經(jīng)由電池400的壁外部的提取端子442從該電池提取陰極電流，所述端子由通過電池壁的金屬網(wǎng)或箔440的可密封的突起形成，如通過邊緣密封件465和470?？梢詫⒔?jīng)由邊緣密封件465和470從光電陽極可密封出現(xiàn)的單獨的線可以被焊接到電流收集帶(未顯示)以形成光電陽極電流收集器。在太陽能模塊中，單個電池可以被電連接或適宜地安裝在支撐結(jié)構(gòu)上。根據(jù)上述內(nèi)容明顯得出，陰極430相對于陽極的多孔二氧化鈦膜406形成離散的、物理上分離的層。陰極430也適用于顯示壓縮性和彈性的量值。與現(xiàn)有技術(shù)中基本上無產(chǎn)率的陰極形成鮮明的對比(其中為了防止損壞，陰極必須與陽極的脆的多孔二氧化鈦膜的表面保持一定距離)，陰極430 (且尤其是導電層425的帶)可以被保持為倚住多孔二氧化鈦膜406的表面，并可吸收對于多孔二氧化鈦膜406來說正常的適度壓力以便保護二氧化鈦膜406。此外，陰極430的最底面可適合或符合二氧化鈦膜406的輪廓，使得顯著地降低了表征各種現(xiàn)有技術(shù)中的染料電池的嚴重的歐姆低效率。為了使帶達到必要的一致性程度，導電層425的帶可以具有低于90的肖氏D硬度。在一些情況下，導電層425的帶可以具有低于80，或低于70的肖氏D硬度。在如圖5所示的根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施方式的光伏染料電池的示意性橫截面圖中，可基本上與圖3a—樣來構(gòu)建陽極部分。輔助電極板或蓋包括窗玻璃578，通過外周密封件556，如使用液體密封劑在邊緣處將該窗玻璃粘結(jié)到陽極玻璃302。為了電絕緣和光背散射的目的，可以用基于二氧化鈦、氧化鋯、氧化鋁或二氧化硅的粗糙顆粒層322涂覆陽極的納米晶二氧化鈦層320。在電解質(zhì)填充前，隨后可用敏化劑染料涂覆納米晶二氧化鈦層320，或此步驟可隨后進行。在電池500的陰極面上，如凹槽588的至少一個凹槽中的每個凹槽含有通過導電粘合劑層592被粘結(jié)在合適位置上的導線596，其中該粘合劑層也作為連續(xù)層延伸遍布玻璃面以便在相鄰凹槽中提供導電率。通過一層粘合劑566，沿著陽極和反凹槽(counter groove)(與在圖3a中一樣)可將陽極和相反的板在不同的點(如周期性間隔區(qū)間)粘結(jié)在一起。在相鄰凹槽間，提供碳或石墨的層570，任選地涂覆有催化劑，如痕量鉬，且選擇該層的厚度以允許碳或催化劑表面與納米晶二氧化鈦層320緊密接近。電池500可通過輔助電極中的填充孔(未顯示)填充電解質(zhì)，隨后密封該孔，在此時，電池500可準備用于測試和模組化。存在緊密放置的錨固點(如，在尺寸為15cmX 15cm的大面積電池上相隔約Icm)以及使用強粘結(jié)劑如硅氧烷在電池500中維持了間距并防止短路。雖然已經(jīng)結(jié)合特定的實施方式描述了本發(fā)明，但是許多替代方案、修改和變化對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是明顯的。因此，期望包含所有這樣的替代方案、修改和變化。此說明書中提到的所有出版物和專利在此通過以與好像每個單獨的出版物或?qū)＠诖颂幫ㄟ^ 引用被明確地和單獨地并入相同的程度進行引用而全文并入到說明書中。此外，在本申請中任何參考的引用或確認不應當解釋為承認這樣的參考作為本發(fā)明的現(xiàn)有技術(shù)是可利用的。
權(quán)利要求
1.一種以降低的歐姆損耗將光源轉(zhuǎn)化成電的光伏染料電池，所述電池的一個單個的光伏染料電池包括 (a)室，所述室適用于包圍所述光伏電池，所述室包括具有內(nèi)表面的至少部分透明的電池壁； (b)電解質(zhì)，所述電解質(zhì)被置于所述電池壁中，所述電解質(zhì)含有氧化還原物質(zhì)； (C)至少部分透明的導電涂層，所述導電涂層在所述光伏電池中被設(shè)置在所述至少部分透明的電池壁的所述內(nèi)表面上； Cd)陽極，所述陽極被設(shè)置在所述導電涂層上，所述陽極包括 (i)多孔二氧化鈦膜，其適用于與所述氧化還原物質(zhì)緊密接觸；以及(ii )染料，其被吸收在所述多孔二氧化鈦膜的表面上，所述染料和所述多孔二氧化鈦膜適用于將光子轉(zhuǎn)化成電子； (e)陰極，所述陰極與所述陽極相對設(shè)置，所述陰極包括至少一個適用于將電子轉(zhuǎn)移到與所述陰極相關(guān)的電流收集部件的柔性的導電碳片， (f)至少一個金屬帶或線，其與所述陽極和所述導電涂層電相關(guān)， 所述導電碳片被設(shè)置成經(jīng)由所述電解質(zhì)與所述多孔二氧化鈦膜電解相通， 所述導電碳片相對于所述陽極的所述多孔二氧化鈦膜形成離散的物理上不同的層， 其中，所述柔性的導電碳片適于與所述多孔二氧化鈦膜的輪廓相一致， 其中，所述單個電池的長度和寬度都至少5厘米或至少10厘米。
2.如權(quán)利要求I所述的光伏電池，所述光伏電池還包括 所述至少一條金屬帶或線具有足夠的厚度以形成在所述多孔二氧化鈦膜的平面上突出至少50微米的突起。
3.如權(quán)利要求I所述的光伏電池，所述至少一條金屬帶或線是多根線，且所述突起是多個突起。
4.如權(quán)利要求3所述的光伏電池，所述導電碳片形成多個自支撐條，所述自支撐條設(shè)置在所述突起之間。
5.如權(quán)利要求4所述的光伏電池，所述自支撐條設(shè)置在所述突起之間以使得所述導電碳片的表面與所述多孔二氧化鈦膜的所述表面齊平。
6.如權(quán)利要求1-5所述的光伏電池，所述導電碳片由柔性的多孔支撐基體支撐，所述柔性的多孔支撐基體包括纖維墊和玻璃纖維。
7.如權(quán)利要求1-5所述的光伏電池，其中所述電流收集部件含有按重量計少于2%，少于I %，或者少于0. 5%的粘結(jié)劑，或者無粘結(jié)劑。
8.如權(quán)利要求1-5所述的光伏電池，其中所述導電碳片包括浸潰碳的玻璃纖維帶，其中所述浸潰碳的玻璃纖維帶與所述多孔二氧化鈦膜的所述表面直接接觸。
9.如權(quán)利要求1-5所述的光伏電池，所述陰極的表面與所述多孔二氧化鈦膜的表面距離小于7微米，小于5微米，或小于3微米，或者所述陰極的表面與所述多孔二氧化鈦膜的表面直接接觸。
10.如權(quán)利要求1-5所述的光伏電池，其中所述單個的電池的蓋子適于向所述電流收集部件施加壓力以及適于促進所述光伏染料電池中元件的緊密間距。
11.如權(quán)利要求1-5的光伏電池，所述電流收集部件包括石墨箔。
12.如權(quán)利要求4或5的光伏電池，其中石墨箔相對于所述自支撐條物理離散。
13.如權(quán)利要求11所述的光伏電池，還包括與所述石墨箔連接的金屬導電元件，所述金屬導電元件延伸穿過所述光伏染料電池的側(cè)壁以影響電流提取。
14.如權(quán)利要求13所述的光伏電池，其中所述金屬導電元件是金屬箔或金屬網(wǎng)。
全文摘要
一種把光源轉(zhuǎn)化成電的光伏染料電池，包括(a)包括至少部分透明的電池壁的室；(b)置于該電池壁中的、含有碘基氧化還原物質(zhì)的電解質(zhì)；(c)設(shè)置在該電池壁的內(nèi)表面上的至少部分透明的導電涂層；(d)設(shè)置在該導電涂層上的陽極，并包括(i)適用于與該氧化還原物質(zhì)緊密接觸的多孔二氧化鈦膜；和(ii)吸收在該多孔二氧化鈦膜的表面上的染料，該染料和膜適用于將光子轉(zhuǎn)化成電子；(e)與該陽極基本上相對設(shè)置的陰極，并包括至少一個適用于將電子轉(zhuǎn)移到與該陰極相關(guān)的電流收集部件的柔性的導電碳片，該導電碳片被設(shè)置成經(jīng)由該電解質(zhì)與該多孔二氧化鈦膜電解相通，其中該導電碳片相對于該陽極的二氧化鈦膜形成離散層，并符合該膜的輪廓。
文檔編號H01G9/20GK102969167SQ20121036506
公開日2013年3月13日 申請日期2008年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月28日
發(fā)明者I·亞庫波維, J·R·高德斯坦, B·布林, E·羅施·候德施 申請人:3G太陽能光電有限公司