基于染料敏化太阳能电池的光电一体化建筑材料.pdf

本发明公开了一种基于染料敏化太阳能电池的光电一体化建筑材料，属于绿色建筑材料领域。其特征是将纳米晶半导体浆料直接涂敷到建筑用带有导电性的基板上制作多条半导体薄膜，之后吸附染料，制成半导体光阳极；对电极的催化剂层由具有对电解质的氧化还原起催化作用的材料组成；将半导体光阳极与对电极组合，然后中间注入电解质并固化粘结，从两电极引出导线进行并联、串联或串并联相结合拼制成大面积，制成光电建筑材料。本发明的效果益处是工艺简单，价格低廉，遮阳透光且具有装饰作用。该发明的光电材料可以全天候使用，不排放有害气体，节能环保。由于成本只有硅伏材料的约十分之一，因此可大大提高普及率及应用范畴。

权利要求书

基于染料敏化太阳能电池的光电一体化建筑材料
技术领域
本发明属于绿色可再生能源技术领域及建筑材料领域，涉及一种利用染料敏化太阳能电池和建筑材料形成一体化结合进行发电，并应用于建筑的技术领域。
背景技术
我国人均能源资源相对匮乏，绿色可再生能源利用率低，温室效应造成环境破坏和污染。另外在建筑物的建造和使用过程中对资源、能源的浪费问题突出，建筑能耗严重，建筑节能已成为急需解决的重大问题。
为解决上述问题，将光伏发电与建筑结合，使建材建筑物自身可以发电，不仅使建筑材料增加新功能，达到建筑美学的需要，还可降低光伏发电的成本。同时还具有调峰和环保的功能。但是迄今为止的太阳能电池由于成本高和不透明性及不易设计性，大大限制了建筑一体化光伏产业的发展。
太阳能与建筑相结合的技术专利有一些相关报道。例如专利：一种高效太阳能建筑一体化外墙，公开号：CN101037877，其主要的技术方案是采用的是太阳能集热装置包括金属集热板和金属集热管。专利：一种太阳能建筑一体化建筑墙板，公开号：CN201033911，其主要的技术方案是提供的是将建筑保温技术与太阳能利用技术结合构成的新型建筑材料。
以上的专利多为一些建筑一体化太阳能热水器和建筑保温技术等相关内容，只是将太阳能转换为热能，不能用来发电。
另外有与光伏发电相关报道，例如专利：内置光伏百叶中空玻璃，公开号：CN176627；专利：非晶硅光伏建筑一体化，公开号：CN201043332及专利：光伏发电幕墙，公开号：CN2703068，等等，虽然可利用其进行发电，但是由于硅太阳能电池制备工艺复杂，价格又特别昂贵，并且是把硅电池夹在建筑材料中，既增加了建筑材料的成本也增加了硅电池的成本。同时还存在着建筑一体化装置透光性差，色彩单一，无法自由设计，不美观，占地面积大，沉重等缺点，阻碍了太阳能电池光伏建筑一体化的发展。
最近一种新型的染料敏化太阳能电池被发表(自然，353卷，737页，1991年(Nature，Vol.353，737，1991))。自发表以来由于该太阳能电池理论光电转换效率高，制备工艺简单，成本低，因此受到全世界的关注，被认为是能够取代硅太阳能电池的新一代太阳能电池。利用染料敏化太阳能电池的特点可以期待能够广泛地应用于建筑一体化。
发明内容
本发明要解决技术问题是提供一种制备工艺简单，成本低，又可节省建筑材料和光电材料，利用染料敏化太阳能电池的光电一体化建筑材料。
利用染料敏化太阳能电池的两个电极都可以是玻璃基板的特点直接在建筑用的钢化玻璃、半钢化玻璃上或普通玻璃门窗上，设计制作透明或半透明光电材料及各种颜色、各种图案的光电建筑材料，从而开发出价格低廉环保型多样的建筑一体化光电材料，实现在发电的同时节省建筑材料，在美化建筑物的同时降低太阳电池成本及建筑物成本的目的。
本发明的技术方案是：
该光电一体化建筑材料主要是由半导体光阳极、对电极及位于两电极之间的电解质组成。半导体光阳极主要由光阳极基板、导电膜、半导体薄膜和染料组成。对电极主要由对电极基板、导电膜和对电极上的催化剂层组成。电解质中包括起氧化还原作用的化合物和电解液或熔融盐及离子液体等拟固态或固体电解液。
将纳米晶半导体浆料直接涂敷到建筑用带有导电性的基板上制作半导体薄膜，之后吸附染料，制成半导体光阳极；对电极的催化剂层由白金或碳等具有对电解质的氧化还原起催化作用的材料组成。将半导体光阳极与对电极组合，然后中间注入电解质并固化粘结，从两电极引出导线进行并联、串联或串并联相结合拼制成大面积，制成光电建筑材料。
以上所述的光电建筑材料结构上可采用单层或多层；采用多层结构时，所用的光电材料的结构相同或不同；结构不同是指所用的电极材料、电解质、基板材料、电极、染料或建筑材料的不同。
除了以上将染料敏化太阳能电池直接制作在建筑材料上，也可以将制作的光电材料夹在建筑材料中或与建筑材料相结合使用。制作的光电材料可作为建筑物的外采光屋顶或建筑物的玻璃幕墙或直接用于门窗，将太阳能转换为电能。产生的直流电流经汇集后，经过线路保护，输入到逆变器，通过软件控制，调整自身的输出电压频率和相位，经过开关控制输出，供建筑物内部自身使用，也可进入并网发电系统输送到公共电网上。
本发明的效果益处是光伏建筑一体化染料敏化太阳能电池，具有制备工艺简单，价格低廉，并可根据需要，吸附不同颜色的染料，即起到遮阳、透光的作用，又可以起到装饰作用；同时该光伏建筑一体化染料敏化太阳能电池将太阳能电池与建筑材料及建筑物有机结合在一起，起到了建筑节能的作用。又可原地发电、原地使用，减少电流运输过程的费用和能耗，同时还可美观建筑物。具有发电这项主要功能外，同时也还具有明显的隔热、隔音、安全、装饰和减小光污染等功能，特别是利用太阳能电池板发电不会排放CO₂或产生造成温室效应的有害气体，是一种洁净能源。另外利用该发明的光电材料不但晴天可以发电，阴雨天也可以发电。并且由于其成本只有硅光伏材料的约十分之一，因此可大大提高光伏建筑一体化的普及率及应用范畴。
附图说明
附图是单条染料敏化太阳能电池光电建筑材料的示意图。
图中：1为光阳极基板；2为导电膜，3为半导体薄膜，4为光敏化染料，5为电解质；6为对电极上的催化剂层；7对电极基板。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。
本实施例以制作染料敏化光电玻璃幕墙材料为例，在钢化玻璃板1上涂上一层氧化铟锡的导电膜2，之后将其用激光或锌粉和盐酸把导电膜腐蚀沟痕，分成8条，并在每一条间涂上细细的银浆料，并加以保护，作为收集电流用。在没有银浆料的地方将用水或有机溶剂配合增粘剂调制好的二氧化钛半导体浆料，用丝网印刷技术涂布在上面。经过450度烧结30分钟后形成15微米的薄膜。之后浸在增感染料钌双吡啶N719中。染料溶液浓度为5 x 10^-4摩尔浓度，吸附上染料4用来吸收可见光，将制作成的二氧化钛半导体光阳极与对电极及位于两电极之间的电解质5组成电池。其中对电极由基板7和氧化铟锡的导电膜2及白金催化层薄膜6组成；电解质5包括起氧化还原作用的碘的化合物和乙腈等有机电解液。两个电极之间四周采用密封胶或低熔点玻璃等密封。即成为基于染料敏化电池原理的建筑用光电材料，应用于建筑。白天经太阳光照射，太阳能转换为电能。产生的直流电流经收集后，输入到逆变器，经过控制及调整自身的输出电压频率和相位，由开关控制输出，供建筑物内部自身使用，也可进入并网发电系统输送到公共电网上。