染料敏化太阳能电池的玻璃料浆激光密封外文翻译资料

染料敏化太阳能电池的玻璃料浆激光密封

Fernando Ribeiro^b，Joseacute; Mac-aira^a， Rui Cruz^a ，Joaquim Gabriela ^b，Luıacute;sa Andrade ^a，Adeacute; lio Mendes^{a *}

^a LEPA，化学工程，波尔图大学-工程学院，罗伯托·弗里亚斯博士街,S/N4200-465 波尔图，葡萄牙

^b IDMEC-Polo FEUP波尔图大学-工程学院，罗伯托·弗里亚斯博士街，S/N4200-465波尔图，葡萄牙

摘要

最近提出了一种新的有效的密封方法应用在染料敏化太阳能电池上。这种密封方法采用低熔点玻璃料浆粘贴在基板的整个周边，然后用激光束将玻璃前体加热到熔点，使得电池的两块基本完全密封。目前在实验中通过检查这种激光辅助玻璃封接工艺的可行性，确定了最好的激光操作条件。在优化的密封条件下对密封样品进行了不同的测试并得出结论。将这种用玻璃封接的样品与传统采用商业热塑性密封胶密封的结果进行比较，从泄漏、温度和强度测试获得的结果表明，这种玻璃密封技术优于传统方法。

1. 引言

目前全世界每年电力消耗量约为17PWh，预定到2050会几乎翻一番。此外，从2006年初的天然气危机中已经证明，全世界、尤其是欧洲，相对于它的总能源供应仍然是高度脆弱的。另一方面，这种能源模式也正加速由化石燃料燃烧引起的温室效应的严重的气候后果，以及过去几年发生的一些石油泄漏造成的环境影响。因此，必须以可持续的方式开发利用可再生能源的技术。光电效应可能大大有助于解决这个能量模式，它能模拟自然光合作用的过程将太阳能转换为电能。染料敏化太阳能电池（DSC）是吸附在有机金属染料分子上的TiO2纳米粒子光电极构成的一种光电化学电池，电解质含I^-/I^3-氧化还原电对和铂对电极。虽然在早期对太阳能转化为电能的能量转换用染料敏化电池进行了一些尝试，但直到1991年BrianOrsquo;Regan和MichaelGruml;atzel 等人的研究信息公开，染料敏化太阳能电池才开始被视为一种低能耗的、能替代传统太阳能电池的替代品。在BrianOrsquo;Regan和MichaelGruml;atzel工作中提到使用一种具有高表面积的介孔二氧化钛薄膜，可以获得高于目前全球7%的效率。这些电池在当前表现出的最高的效率大约为10%，相比硅电池的含25%值更低，但他们在特定的工作条件下具有更好的性能。另一方面染料敏化太阳能电池与硅电池相比成本显著降低。在染料敏化太阳能电池中，半导体是一种烧结的介孔二氧化钛纳米粒子组成的氧化层使得电子传导。附着的氧化物表面的是单层染料分子（感光剂），当吸收光后被提升进入一种激发态。因此，从染料的基态电子注入半导体的导带，产生激子的形成（激发电子）和随后的电荷分离。在导带中的自由电子向外部电路扩散，进行电气工作。一旦电子达到反电极（通常是一层薄薄的铂）,它们便与填满两电极之间空间的电解液反应，通常为I^3-/I^-离子溶液的氧化还原系统。染料开始由电解质给予电子被氧化，随后又在I^3-减少铂再生中还原。因此这种氧化还原电解液实现了电荷在染料敏化太阳能电池两电极的传输，闭式循环。

所有的太阳能电池技术特别是染料敏化太阳能电池都有一个基本的要求——长期稳定性。尽管人们全力提高染料敏化太阳能电池的性能，然而长期稳定性仍然是限制该技术市场化的一个重大问题。事实上，为了构建稳定的该系统染料敏化太阳能电池综合应用，保守估计不少于20年。

在染料敏化太阳能电池设计中长期稳定性问题与传统使用杜邦公司沙林或拜牢热塑胶的密封方式密切相关。这些都是最常见的密封胶，还有其他密封方法也被用于染料敏化太阳能电池的封装，如热压玻璃键合工艺：这种密封方法是相当有趣，因为它已证明，无铅玻璃料热能和机械稳定的障碍是化学惰性电解质和任何导电金属网格。然而，这种热压缩方法要求使用较高的加工温度（＞440℃）和一些机械压力来确保适当的密封，这损害了染料稳定性。因此，在这样的程序中，必须通过在半导体表面吸附染料后再循环的密封过程，而不是典型的浸渍过程中，增加了制造工艺复杂度。

目前的工作重点是创新的适合激光玻璃料密封工艺的设备，提出一种具有成本效益的、快速和高效的染料敏化太阳能电池密封过程，密封材料选择一种低熔点玻璃料浆，在焊接过程中广泛使用激光，如低温玻璃封接和加入玻璃基板的脉冲激光。然而，这些过程应用与于染料敏化太阳能电池设备因为其光电极和反电极应留大约40mu;m的空间。在目前工艺中，一个中间层可同时用作间隔件和作为粘接密封层。该粘合层用激光辅助融化商业玻璃料浆线粘贴，允许较低的焊接温度。因此，气密性封装染料敏化太阳能电池是可以实现的。本论文对这种激光辅助玻璃料浆粘贴密封过程的可行性进行研究，探索更优化的激光操作条件，对密封的样品进行了不同的测试得出有效的实施方案。

1. 实验部分

2.1材料

所使用的玻璃料浆（AGC）是一种无铅玻璃陶瓷颗粒与有机溶剂和粘合剂的混合物。图1为在计数设备下获得的使用玻璃料浆的粒径分布，尺寸范围130nm到3.0mu;m。粘贴开始之前应该有一个燃尽阶段去除有机成分，粘贴可以用流延法或丝网印刷。玻璃基板为Dyesol公司（tec15）和SOLARONIX公司（tco22-15），碱石灰基质涂氟掺杂氧化锡（SnO₂：F或FTO）

图1 玻璃浆料颗粒的粒径分布

2.2设备

玻璃料浆用丝网印刷在FTO玻璃基板上，该筛由200目/寸的涂有合适树脂的不锈钢网组成。密封过程发生在内部的激光箱”设备。激光箱是闭室结构包括一个激光扫描头和控制加热板。激光二极管阵列采用掺镱光纤传输。二维扫描头引导光束通过f-thera透镜。该点可以在工件中高速移动。图2所示为实验装置示意图。

图2 用于密封DSC器件的激光盒示意图

2.3泄漏与牵引试验

使用氦气进行泄漏测试。图3是一个集成的加压设置，为了测量密封样品内的压力下降。它在72KPa具有重复性和1MPa压力最大量程压力传感器。整个装置使用不锈钢接头锁紧螺母配件。实验装置在恒温蒸馏水（201C）下测量防止温度引起的压力变化。强度试验采用通用设备、测压元件来自HBM公司，型号为32/500N。

图3 实验装置泄漏测试的示意图 V-1：开/关阀;V-2：针阀; V-3：三种方式

2.4密封方法

玻璃料浆采用氧化锆研磨罐，氧化锆球磨均匀。玻璃料浆矩形线用尺寸为18.5times;8.5 mm²和0.8mm宽的丝网印刷在FTO玻璃基板表面上。印刷样品热处理步骤为在250℃，30分钟内除去溶剂，随后在350℃，30分钟燃尽有机物，440℃，20分钟直到玻璃表面有光泽的外观见图4。

图4 印刷玻璃浆料的热调节历史

预处理步骤是获得两FTO导电玻璃基板之间无空隙的密封线的关键。图5显示了使用预热处理与未使用预热处理的玻璃线最终外观的比较。未处理过的玻璃线中空隙和最初存在于玻璃膏中的溶剂和粘合剂的蒸发有关。在玻璃料浆热处理后，将印刷基板小心地放在第二块玻璃板上，并轻轻地压下。随后将夹在中间的电池转移到“激光箱”内放在加热板上。采用2.5℃/min加热率到330℃避免在玻璃基板内部应力的形成。然后进行激光辅助密封过程。射向样品的激光光束根据特定的扫描模式局部加热玻璃料浆线到熔点。当完成激光辅助密封过程后,关掉加热板，将样品冷却到室温。为了比较和确认的先进密封方法，同时制备了沙林^reg;密封样品。这些样品的制备过程已在其他地方描述。这些样品的制备考虑的一个重要的细节就是密封材料（沙林^reg;）是用激光辅助密封方法将玻璃浆线激光切割到精确的尺寸。

1. 具备热处理过程和 （b）不具有该玻璃料浆热调节步骤的样品

图5激光熔封样品显微照片（50倍）

1. 结果和讨论

3.1响应面分析法

激光箱设备有几个操作参数和优化过程，最佳操作条件是必须要实现的。响应面法（RSM）使用一种商业软件（JMP 8.0.2，SAS）实现优化。此方法结合了数学和统计工具，用于研究一个有效的反应方程式依赖于几个过程中的操作变量。这项工作的中心是复合设计（CCD）方法作为修正拟合二阶模型，根据玻璃熔块密封的热能(Q_firt)获得激光辅助焊接过程的优化选择。玻璃熔块质量目视评估，评分从1（最差）到10（最好）。目视评估的密封电池需要考虑的方面有：玻璃的破损，密封线裂纹、熔融玻璃料或气泡的形成。影响反应过程的因素有：放置玻璃样品加热板的温度（T_p），激光功率（P_l）和激光扫描速度（v₁）。三因素核心复合设计是设立了三核心点，这些评估见反应精度表1。用于生成设计矩阵的编码因子（X_i），范围从- 1到 1。编码因子记录从他们的实际值（x_i）到中间值和半变化的时间间隔。

X₁= X₂= X₃= （1）

表1 CCD因素以及各自的水平

3.1.1. 建模过程

用一个二阶多项式方程拟合反应过程。

（2）

其中y是反应过程，X_i是无量纲的工艺因素，a₀是截留系数，a_i是无量纲的X_i因素的相关系数,a_ij对应不同的因素之间所有的交互作用，所以是影响相关系数的平方（曲率）。用标准的最小二乘法进行分析，P值（可能gt; f）用来评估各因素与反应过程的相关性，其中P值小于0.05表示高相关性，0.05和0.15之间的表明低相关。最后如果P值大于0.15对应的参数对反应的影响可以忽略不计。根据这个标准可以除去加热板初始温度。最终的公式就是：

（3）

含有P值小于0.01的所有的因素。

拟合公式可以用来预测的反应因素的范围值。图6比较预测的曲线和相同的操作条件下的实验结果。该图与实验结果吻合较好。

图6关于优化密封工艺的奇偶拟合线（R²=0.82）

基于以上公式，在表2中给出了最佳的玻璃结合的工作条件。虽然加热板的温度不包括在公式中，但决定了进行密封的上限温度，即330℃。在最佳操作条件下，激光束在1.8s完成密封环，在该操作条件下预测的密封值为6.3。

在优化的操作条件下进行了一个新的实验，得到了非常好的密封样品。实验结果样品的密封质量大约为7。

表2确定最佳的操作条件和预期反应