塑料太陽(yáng)能染料電池的制作方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】
[0001 ]本申請(qǐng)要求2013年7月15日提交的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)序列號(hào)61/846,093的優(yōu)先 權(quán)，據(jù)此按照本文所完全公開(kāi)的那樣以引用的方式并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域 [0002] 和發(fā)明背景
[0003] 本發(fā)明涉及太陽(yáng)能染料電池，并且更具體地，涉及具有塑料殼體的太陽(yáng)能染料電 池及其構(gòu)建方法。
[0004] 發(fā)明概述
[0005] 根據(jù)本發(fā)明的一些教導(dǎo)，提供了一種光伏染料電池布置，其包括:至少一個(gè)光伏染 料電池，每個(gè)具有(a)電池殼體，所述殼體包括沿所述殼體的第一寬面的至少部分透明的電 池壁；（b)在所述光伏電池內(nèi)，設(shè)置在所述電池壁的第一內(nèi)表面上的至少部分透明的導(dǎo)電 層，所述內(nèi)表面由塑料制成；（c)相對(duì)于所述第一內(nèi)表面以遠(yuǎn)端方式設(shè)置在所述至少部分透 明的導(dǎo)電層上的陽(yáng)極，所述陽(yáng)極包括：（i)多孔膜表面，其被設(shè)置在所述導(dǎo)電層的寬面上，并 且與所述導(dǎo)電層的寬面電連通，并且適于與包括氧化還原電荷轉(zhuǎn)移物質(zhì)的電解質(zhì)緊密接 觸，所述多孔膜包括多個(gè)納米顆粒;和（ii)設(shè)置在所述多孔膜的表面上的染料，所述染料和 所述多孔膜適于通過(guò)所述氧化還原電荷轉(zhuǎn)移物質(zhì)將光子轉(zhuǎn)變成電子；以及(d)在所述殼體 的第二寬面上抵靠第二內(nèi)表面設(shè)置的陰極，其基本上與所述陽(yáng)極相對(duì)并在所述陽(yáng)極上方， 所述陰極包括被設(shè)置來(lái)以流體方式接觸所述電解質(zhì)的催化表面，所述多孔膜是含有高溫?zé)?結(jié)二氧化鈦的燒結(jié)多孔膜。
[0006] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了制造光伏染料電池布置的方法，所述方法包括以 下步驟：（a)提供柔性中間襯底；（b)在所述中間襯底上施加含有二氧化鈦顆粒的膏層以形 成第一結(jié)構(gòu)；（c)使所述第一結(jié)構(gòu)經(jīng)受在至少370°C溫度下進(jìn)行燒結(jié)以產(chǎn)生包括燒結(jié)二氧化 鈦層的燒結(jié)結(jié)構(gòu)；（d)將所述燒結(jié)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到柔性塑料襯底；以及(e)將所述燒結(jié)結(jié)構(gòu)固定 粘附到所述柔性塑料襯底。
[0007] 根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供了制造光伏染料電池布置的方法，所述方法包括以 下步驟：（a)提供柔性中間襯底；（b)在所述中間襯底上施加至少一層膏以形成第一結(jié)構(gòu)，所 述膏選自納米顆粒二氧化鈦膏、間隔層膏和陰極膏組成的膏組；（c)使包括所述第一結(jié)構(gòu)或 由所述第一結(jié)構(gòu)組成的染料電池結(jié)構(gòu)經(jīng)受在至少370°C溫度下進(jìn)行燒結(jié)以產(chǎn)生包括燒結(jié)二 氧化鈦層的燒結(jié)結(jié)構(gòu)；（d)隨后將所述燒結(jié)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到柔性塑料襯底；以及(e)將所述燒結(jié) 結(jié)構(gòu)固定粘附到所述柔性塑料襯底。
[0008] 根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供了包括至少第一光伏染料電池和第二光伏染料電池 的光伏染料電池布置，所述第一和第二光伏染料電池共用形成所述染料電池布置的殼體的 第一寬面的共同、至少部分透明的電池壁，所述電池中的每個(gè)具有：（a)在所述光伏電池內(nèi)， 設(shè)置在所述電池壁的第一內(nèi)表面上的至少部分透明的導(dǎo)電層，所述內(nèi)表面由塑料制成；（b) 相對(duì)于所述第一內(nèi)表面以遠(yuǎn)端方式設(shè)置在所述至少部分透明的導(dǎo)電層上的陽(yáng)極，所述陽(yáng)極 包括：（i)多孔膜表面，其被設(shè)置在所述導(dǎo)電層的寬面上方，并且與所述導(dǎo)電層的寬面電連 通，并且適于與包括電荷轉(zhuǎn)移物質(zhì)的電解質(zhì)緊密接觸，所述多孔膜包括多個(gè)納米顆粒；和 (ii)設(shè)置在所述多孔膜的表面上的染料，所述染料和所述多孔膜適于通過(guò)所述電荷轉(zhuǎn)移物 質(zhì)將光子轉(zhuǎn)變成電子；以及(C)在所述殼體的第二寬面上抵靠第二內(nèi)表面設(shè)置的陰極，其基 本上與所述陽(yáng)極相對(duì)并在所述陽(yáng)極上方，所述陰極包括被設(shè)置來(lái)以流體方式接觸所述電解 質(zhì)的催化表面，所述多孔膜是含有高溫?zé)Y(jié)二氧化鈦的燒結(jié)多孔膜。
[0009] 根據(jù)所述優(yōu)選實(shí)施方案的其他特征，所述染料電池布置還包括電解質(zhì)，所述電解 質(zhì)含有氧化還原電荷轉(zhuǎn)移物質(zhì)。
[0010] 根據(jù)所述優(yōu)選實(shí)施方案的另一些其他特征，所述至少部分透明的導(dǎo)電層包括摻雜 的氧化錫層。
[0011] 根據(jù)所述優(yōu)選實(shí)施方案的另一些其他特征，所述燒結(jié)多孔膜由或在很大程度上、 大多、主要或基本上由燒結(jié)二氧化鈦組成。
[0012] 根據(jù)所述優(yōu)選實(shí)施方案的另一些其他特征，所述高溫?zé)Y(jié)的二氧化鈦具有在至少 400°C、至少 425°C、至少 450°C、至少 475°C、至少 500°C、至少 525°C、至少 550°C 或至少 575°C 的溫度下燒結(jié)的二氧化鈦的結(jié)構(gòu)性質(zhì)。
[0013] 根據(jù)所述優(yōu)選實(shí)施方案的另一些其他特征，所述至少部分透明的導(dǎo)電層包括摻雜 的氧化錫。
[0014]根據(jù)所述優(yōu)選實(shí)施方案的另一些其他特征，所述摻雜的氧化錫包括氧化銦。
[0015] 根據(jù)所述優(yōu)選實(shí)施方案的另一些其他特征，所述陰極包括至少一種類(lèi)型的導(dǎo)電性 碳。
[0016] 根據(jù)所述優(yōu)選實(shí)施方案的另一些其他特征，所述導(dǎo)電性碳選自石墨烯、碳納米管、 碳黑、石墨和富勒烯組成的組。
[0017] 根據(jù)所述優(yōu)選實(shí)施方案的另一些其他特征，所述第二內(nèi)表面由塑料制成。
[0018] 根據(jù)所述優(yōu)選實(shí)施方案的另一些其他特征，所述第一和第二寬面由或在很大程度 上、大多、主要或基本上由塑料組成。
[0019] 根據(jù)所述優(yōu)選實(shí)施方案的另一些其他特征，所述第一和第二寬面由或在很大程度 上、大多、主要或基本上由至少部分透明的塑料制成。
[0020] 根據(jù)所述優(yōu)選實(shí)施方案的另一些其他特征，所述至少一個(gè)染料電池包括多個(gè)染料 電池。
[0021] 根據(jù)所述優(yōu)選實(shí)施方案的另一些其他特征，所述電池殼體容納所述多個(gè)染料電 池。
[0022] 根據(jù)所述優(yōu)選實(shí)施方案的另一些其他特征，所述至少部分透明的電池壁是由所述 多個(gè)染料電池共用的單個(gè)、共同的至少部分透明的電池壁。
[0023] 根據(jù)所述優(yōu)選實(shí)施方案的另一些其他特征，沿所述至少部分透明的電池壁以并排 方式設(shè)置所述多個(gè)染料電池。
[0024] 根據(jù)所述優(yōu)選實(shí)施方案的另一些其他特征，通過(guò)至少一個(gè)電池間電連接件來(lái)電氣 串聯(lián)所述多個(gè)染料電池。
[0025] 根據(jù)所述優(yōu)選實(shí)施方案的另一些其他特征，所述電池間電連接件物理上連接在所 述多個(gè)染料電池中的第一染料電池的陰極與所述多個(gè)染料電池中的第二染料電池的陽(yáng)極 之間。
[0026] 根據(jù)所述優(yōu)選實(shí)施方案的另一些其他特征，相對(duì)于所述至少部分透明的導(dǎo)電層， 所述電池間電連接件具有不同的構(gòu)成。
[0027] 根據(jù)所述優(yōu)選實(shí)施方案的另一些其他特征，相對(duì)于所述陰極的任意部件，所述電 池間電連接件具有不同的構(gòu)成。
[0028] 根據(jù)所述優(yōu)選實(shí)施方案的另一些其他特征，所述電池間電連接件包括選自銀、鎢 和氮化鈦組成的組的材料。
[0029] 根據(jù)所述優(yōu)選實(shí)施方案的另一些其他特征，物理上從設(shè)置在染料電池內(nèi)的電解質(zhì) 密封所述電池間電連接件。
[0030] 根據(jù)所述優(yōu)選實(shí)施方案的另一些其他特征，通過(guò)在很大程度上、大多、主要、基本 上或完全徑向包封所述電池間電連接件的聚合物密封劑，物理上從設(shè)置在染料電池內(nèi)的電 解質(zhì)密封所述電池間電連接件。
[0031] 根據(jù)所述優(yōu)選實(shí)施方案的另一些其他特征，通過(guò)在很大程度上、大多、主要、基本 上或完全包封所述電池間電連接件的長(zhǎng)度的聚合物密封劑，物理上從設(shè)置在染料電池內(nèi)的 電解質(zhì)密封所述電池間電連接件。
[0032] 根據(jù)所述優(yōu)選實(shí)施方案的另一些其他特征，相對(duì)于所述陽(yáng)極的部件，所述電池間 電連接件是分立部件。
[0033] 根據(jù)所述優(yōu)選實(shí)施方案的另一些其他特征，相對(duì)于所述陰極的部件，所述電池間 電連接件是分立部件。
[0034] 根據(jù)所述優(yōu)選實(shí)施方案的另一些其他特征，所述電池間電連接件是所述陰極的延 伸和/或與所述陰極成一體。
[0035] 根據(jù)所述優(yōu)選實(shí)施方案的另一些其他特征，所述殼體的第二寬面由或在很大程度 上、大多、主要或基本上由聚合物密封劑組成。
[0036] 根據(jù)所述優(yōu)選實(shí)施方案的另一些其他特征，所述聚合物密封劑形成所述殼體的第 二寬面的第二內(nèi)表面。
[0037] 根據(jù)所述優(yōu)選實(shí)施方案的另一些其他特征，所述陰極不含或基本上不含導(dǎo)電性氧 化錫。
[0038] 根據(jù)所述優(yōu)選實(shí)施方案的另一些其他特征，所述陰極包括至少一種類(lèi)型的導(dǎo)電性 碳，所述聚合物密封劑接觸所述導(dǎo)電性碳。
[0039] 根據(jù)所述優(yōu)選實(shí)施方案的另一些其他特征，所述染料電池具有整體結(jié)構(gòu)。
[0040] 根據(jù)所述優(yōu)選實(shí)施方案的另一些其他特征，所述電池壁是柔性電池壁。
[0041]根據(jù)所述優(yōu)選實(shí)施方案的另一些其他特征，所述柔性電池壁具有足夠的柔性以用 于卷裝進(jìn)出式(roll-to-roll)轉(zhuǎn)移工藝。
[0042] 根據(jù)所述優(yōu)選實(shí)施方案的另一些其他特征，以上文提供的步驟(e)中的任一個(gè)那 樣布置的所述燒結(jié)結(jié)構(gòu)，所述燒結(jié)二氧化鈦層被直接固定粘附到所述柔性塑料襯底。
[0043] 根據(jù)所述優(yōu)選實(shí)施方案的另一些其他特征，所述燒結(jié)結(jié)構(gòu)的固定粘附包括至少一 個(gè)機(jī)械壓制操作。
[0044] 根據(jù)所述優(yōu)選實(shí)施方案的另一些其他特征，所述柔性中間載體襯底在很大程度 上、大多、主要或基本上由選自石墨、鋁、不銹鋼和鈦組成的組的材料組成。
[0045] 根據(jù)所述優(yōu)選實(shí)施方案的另一些其他特征，所述柔性中間載體襯底的表面在很大 程度上、大多、主要或基本上由選自石墨、鋁、不銹鋼和鈦組成的組的材料組成。
[0046] 根據(jù)所述優(yōu)選實(shí)施方案的另一些其他特征，對(duì)于燒結(jié)來(lái)說(shuō)，所述柔性中間載體襯 底可重復(fù)耐用。
[0047]根據(jù)所述優(yōu)選實(shí)施方案的另一些其他特征，所述方法還包括使用所述柔性中間載 體襯底的單個(gè)、特定襯底重復(fù)施加、經(jīng)受和轉(zhuǎn)移[(任一組的步驟(b)-(d)]至少2次、至少5 次、至少20次、至少50次、至少200次或至少1000次。
[0048]根據(jù)所述優(yōu)選實(shí)施方案的另一些其他特征，所述燒結(jié)在達(dá)到至少400°C、至少425 °C、至少450°C、至少475°C、至少500°C、至少525°C、至少550°C或至少575°C的溫度下實(shí)現(xiàn)。
[0049] 根據(jù)所述優(yōu)選實(shí)施方案的另一些其他特征，所述施加步驟包括沉積或印刷或絲網(wǎng) 印刷操作。
[0050] 根據(jù)所述優(yōu)選實(shí)施方案的另一些其他特征，所述方法還包括使用至少一種染料使 燒結(jié)二氧化鈦層染色，以產(chǎn)生染色的陽(yáng)極。
[0051] 根據(jù)所述優(yōu)選實(shí)施方案的另一些其他特征，所述方法還包括組裝染色的陽(yáng)極、催 化陰極和含有氧化還原電荷轉(zhuǎn)移物質(zhì)的電解質(zhì)。
[0052]根據(jù)所述優(yōu)選實(shí)施方案的另一些其他特征，所述方法還包括密封所述染色的陽(yáng) 極、催化陰極和氧化還原電解質(zhì)以產(chǎn)生所述光伏染料電池。
[0053] 根據(jù)所述優(yōu)選實(shí)施方案的另一些其他特征，所述柔性塑料襯底具有透明導(dǎo)電層， 所述轉(zhuǎn)移被執(zhí)行以便抵靠所述透明導(dǎo)電層并置所述燒結(jié)二氧化鈦層。
[0054] 根據(jù)所述優(yōu)選實(shí)施方案的另一些其他特征，所述膏含有二氧化鈦顆粒，所述顆粒 具有小于800納米、小于500納米、小于250納米、小于100納米、小于80納米、小于50納米、小 于35納