塑料太陽能染料電池的制作方法
【專利說明】
[0001 ]本申請要求2013年7月15日提交的美國臨時專利申請序列號61/846,093的優先 權，據此按照本文所完全公開的那樣以引用的方式并入本文。
技術領域 [0002] 和發明背景
[0003] 本發明涉及太陽能染料電池，并且更具體地，涉及具有塑料殼體的太陽能染料電 池及其構建方法。
[0004] 發明概述
[0005] 根據本發明的一些教導，提供了一種光伏染料電池布置，其包括:至少一個光伏染 料電池，每個具有(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，設置在所述電池壁的第一內表面上的至少部分透明的導電 層，所述內表面由塑料制成；（c)相對于所述第一內表面以遠端方式設置在所述至少部分透 明的導電層上的陽極，所述陽極包括：（i)多孔膜表面，其被設置在所述導電層的寬面上，并 且與所述導電層的寬面電連通，并且適于與包括氧化還原電荷轉移物質的電解質緊密接 觸，所述多孔膜包括多個納米顆粒;和（ii)設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所述氧化還原電荷轉移物質將光子轉變成電子；以及(d)在所述殼體 的第二寬面上抵靠第二內表面設置的陰極，其基本上與所述陽極相對并在所述陽極上方， 所述陰極包括被設置來以流體方式接觸所述電解質的催化表面，所述多孔膜是含有高溫燒 結二氧化鈦的燒結多孔膜。
[0006] 根據本發明的另一方面，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 成第一結構；（c)使所述第一結構經受在至少370°C溫度下進行燒結以產生包括燒結二氧化 鈦層的燒結結構；（d)將所述燒結結構轉移到柔性塑料襯底；以及(e)將所述燒結結構固定 粘附到所述柔性塑料襯底。
[0007] 根據本發明的又一方面，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構，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)使包括所述第一結構或 由所述第一結構組成的染料電池結構經受在至少370°C溫度下進行燒結以產生包括燒結二 氧化鈦層的燒結結構；（d)隨后將所述燒結結構轉移到柔性塑料襯底；以及(e)將所述燒結 結構固定粘附到所述柔性塑料襯底。
[0008] 根據本發明的又一方面，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，所述電池中的每個具有：（a)在所述光伏電池內， 設置在所述電池壁的第一內表面上的至少部分透明的導電層，所述內表面由塑料制成；（b) 相對于所述第一內表面以遠端方式設置在所述至少部分透明的導電層上的陽極，所述陽極 包括：（i)多孔膜表面，其被設置在所述導電層的寬面上方，并且與所述導電層的寬面電連 通，并且適于與包括電荷轉移物質的電解質緊密接觸，所述多孔膜包括多個納米顆粒；和 (ii)設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所述電荷轉移物 質將光子轉變成電子；以及(C)在所述殼體的第二寬面上抵靠第二內表面設置的陰極，其基 本上與所述陽極相對并在所述陽極上方，所述陰極包括被設置來以流體方式接觸所述電解 質的催化表面，所述多孔膜是含有高溫燒結二氧化鈦的燒結多孔膜。
[0009] 根據所述優選實施方案的其他特征，所述染料電池布置還包括電解質，所述電解 質含有氧化還原電荷轉移物質。
[0010] 根據所述優選實施方案的另一些其他特征，所述至少部分透明的導電層包括摻雜 的氧化錫層。
[0011] 根據所述優選實施方案的另一些其他特征，所述燒結多孔膜由或在很大程度上、 大多、主要或基本上由燒結二氧化鈦組成。
[0012] 根據所述優選實施方案的另一些其他特征，所述高溫燒結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 的溫度下燒結的二氧化鈦的結構性質。
[0013] 根據所述優選實施方案的另一些其他特征，所述至少部分透明的導電層包括摻雜 的氧化錫。
[0014]根據所述優選實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] 根據所述優選實施方案的另一些其他特征，所述陰極包括至少一種類型的導電性 碳。
[0016] 根據所述優選實施方案的另一些其他特征，所述導電性碳選自石墨烯、碳納米管、 碳黑、石墨和富勒烯組成的組。
[0017] 根據所述優選實施方案的另一些其他特征，所述第二內表面由塑料制成。
[0018] 根據所述優選實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] 根據所述優選實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] 根據所述優選實施方案的另一些其他特征，所述至少一個染料電池包括多個染料 電池。
[0021] 根據所述優選實施方案的另一些其他特征，所述電池殼體容納所述多個染料電 池。
[0022] 根據所述優選實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 多個染料電池共用的單個、共同的至少部分透明的電池壁。
[0023] 根據所述優選實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 方式設置所述多個染料電池。
[0024] 根據所述優選實施方案的另一些其他特征，通過至少一個電池間電連接件來電氣 串聯所述多個染料電池。
[0025] 根據所述優選實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 述多個染料電池中的第一染料電池的陰極與所述多個染料電池中的第二染料電池的陽極 之間。
[0026] 根據所述優選實施方案的另一些其他特征，相對于所述至少部分透明的導電層， 所述電池間電連接件具有不同的構成。
[0027] 根據所述優選實施方案的另一些其他特征，相對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成。
[0028] 根據所述優選實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] 根據所述優選實施方案的另一些其他特征，物理上從設置在染料電池內的電解質 密封所述電池間電連接件。
[0030] 根據所述優選實施方案的另一些其他特征，通過在很大程度上、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，物理上從設置在染料電池內的電 解質密封所述電池間電連接件。
[0031] 根據所述優選實施方案的另一些其他特征，通過在很大程度上、大多、主要、基本 上或完全包封所述電池間電連接件的長度的聚合物密封劑，物理上從設置在染料電池內的 電解質密封所述電池間電連接件。
[0032] 根據所述優選實施方案的另一些其他特征，相對于所述陽極的部件，所述電池間 電連接件是分立部件。
[0033] 根據所述優選實施方案的另一些其他特征，相對于所述陰極的部件，所述電池間 電連接件是分立部件。
[0034] 根據所述優選實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] 根據所述優選實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] 根據所述優選實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 二寬面的第二內表面。
[0037] 根據所述優選實施方案的另一些其他特征，所述陰極不含或基本上不含導電性氧 化錫。
[0038] 根據所述優選實施方案的另一些其他特征，所述陰極包括至少一種類型的導電性 碳，所述聚合物密封劑接觸所述導電性碳。
[0039] 根據所述優選實施方案的另一些其他特征，所述染料電池具有整體結構。
[0040] 根據所述優選實施方案的另一些其他特征，所述電池壁是柔性電池壁。
[0041]根據所述優選實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 于卷裝進出式(roll-to-roll)轉移工藝。
[0042] 根據所述優選實施方案的另一些其他特征，以上文提供的步驟(e)中的任一個那 樣布置的所述燒結結構，所述燒結二氧化鈦層被直接固定粘附到所述柔性塑料襯底。
[0043] 根據所述優選實施方案的另一些其他特征，所述燒結結構的固定粘附包括至少一 個機械壓制操作。
[0044] 根據所述優選實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] 根據所述優選實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] 根據所述優選實施方案的另一些其他特征，對于燒結來說，所述柔性中間載體襯 底可重復耐用。
[0047]根據所述優選實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、特定襯底重復施加、經受和轉移[(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]根據所述優選實施方案的另一些其他特征，所述燒結在達到至少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的溫度下實現。
[0049] 根據所述優選實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 印刷操作。
[0050] 根據所述優選實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 燒結二氧化鈦層染色，以產生染色的陽極。
[0051] 根據所述優選實施方案的另一些其他特征，所述方法還包括組裝染色的陽極、催 化陰極和含有氧化還原電荷轉移物質的電解質。
[0052]根據所述優選實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 極、催化陰極和氧化還原電解質以產生所述光伏染料電池。
[0053] 根據所述優選實施方案的另一些其他特征，所述柔性塑料襯底具有透明導電層， 所述轉移被執行以便抵靠所述透明導電層并置所述燒結二氧化鈦層。
[0054] 根據所述優選實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