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    本發明一實施例提供一種染料敏化太陽能電池，包括一工作電極，包括一導電基板以及一第一光電轉換層，其中導電基板具有相對的一第一側與一第二側，且具有多個穿孔由第一側延伸至第二側，第一光電轉換層配置於導電基板的第二側，且第一光電轉換層包括一多孔性半導體薄膜以及一吸附於多孔性半導體薄膜上的染料；一透明基板，配置於導電基板的第二側，且第一光電轉換層夾於透明基板與導電基板之間；一對電極，配置於導電基板的第一側，並與工作電極之間夾有一空腔；以及一電解液填充於空腔中，並填入導電基板的穿孔中以接觸第一光電轉換層。
    公开号:TW201301532A
    申请号:TW100121568
    申请日:2011-06-21
    公开日:2013-01-01
    发明作者:Kun-Mu Lee；Wei-Hao Chiu；Ming-De Lu
    申请人:Ind Tech Res Inst；
    IPC主号:Y02E10-00
    专利说明:
    染料敏化太陽能電池
    本發明有關於一種太陽能電池，且特別是有關於一種染料敏化太陽能電池。
    太陽能電池係為一種將太陽能轉換為電能之裝置，而染料敏化太陽能電池(dye sensitized solar cells，DSSC)為太陽能電池中備受矚目的系統之一，此類型光電池係採用奈米結構的電極材料，以及適切的染料，組成含有光電效率的光電池，其工作原理主要藉由染料分子吸收太陽光能後躍遷到激發態，但激發態不穩定，電子快速注入到緊鄰的二氧化鈦(TiO2)導帶，染料失去的電子則很快從電解液中得到補償，進入二氧化鈦導帶中的電子最終進入工作電極，然後，通過外回路產生光電流。
    第1圖繪示習知的背照式染料敏化太陽能電池的剖面圖。請參照第1圖，習知的背照式染料敏化太陽能電池100具有一導電基板110、一對電極120、一表面吸附有染料的二氧化鈦顆粒層130、以及一電解液140，其中二氧化鈦顆粒層130係配置於導電基板110上以形成一工作電極，且二氧化鈦顆粒層130夾於導電基板110與對電極120之間，電解液140亦位於導電基板110與對電極120之間。在對電極120之鄰近電解液140的一側122通常會形成一具有催化能力的白金層150，以提高染料敏化太陽能電池100的光電轉換效率。
    由於外界光線L需依序通過對電極120與電解液140之後才能照射到吸附於二氧化鈦顆粒層130的表面的染料，因此，照射到染料的光線強度會因為對電極120的反射(白金層150)或吸光效應以及電解液140的吸光效應而減弱。
    此外，習知技術為避免因白金層150過厚以致於反射過多的光線，通常只會形成一層很薄的白金層150(白金量很少)。然而，當背照式染料敏化太陽能電池100的使用時間增加，白金層150會逐漸毒化(老化)，且由於白金層150含有的白金量很少，因此毒化的比例相當高，而導致背照式染料敏化太陽能電池100的光電轉換效率大幅降低。
    本發明一實施例提供一種染料敏化太陽能電池，包括一工作電極，包括一導電基板以及一第一光電轉換層，其中導電基板具有相對的一第一側與一第二側，且具有多個穿孔由第一側延伸至第二側，第一光電轉換層配置於導電基板的第二側，且第一光電轉換層包括一多孔性半導體薄膜以及一吸附於多孔性半導體薄膜上的染料；一透明基板，配置於導電基板的第二側，且第一光電轉換層夾於透明基板與導電基板之間；一對電極，配置於導電基板的第一側，並與工作電極之間夾有一空腔；以及一電解液，填充於空腔中，並填入導電基板的穿孔中以接觸第一光電轉換層。
    以下將詳細說明本發明實施例之製作與使用方式。然應注意的是，本發明提供許多可供應用的發明概念，其可以多種特定型式實施。文中所舉例討論之特定實施例僅為製造與使用本發明之特定方式，非用以限制本發明之範圍。此外，在不同實施例中可能使用重複的標號或標示。這些重複僅為了簡單清楚地敘述本發明，不代表所討論之不同實施例及/或結構之間具有任何關連性。再者，當述及一第一材料層位於一第二材料層上或之上時，包括第一材料層與第二材料層直接接觸或間隔有一或更多其他材料層之情形。在圖式中，實施例之形狀或是厚度可擴大，以簡化或是方便標示。再者，圖中未繪示或描述之元件，為所屬技術領域中具有通常知識者所知的形式。
    第2A圖繪示本發明一實施例之染料敏化太陽能電池的剖面圖。請參照第2A圖，本實施例之染料敏化太陽能電池200包括一工作電極W、一對電極220、一電解液240、以及一透明基板250，其中工作電極W包括一導電基板210以及一第一光電轉換層230。
    第2B圖繪示第2A圖之染料敏化太陽能電池的導電基板的立體圖。請同時參照第2A圖與第2B圖，導電基板210具有相對的一第一側S1與一第二側S2，且具有多個穿孔212由第一側S1延伸至第二側S2。導電基板210例如為一網狀電極。穿孔212的孔徑例如為1微米至1000微米。值得注意的是，穿孔212的排列與形狀不限於第2B圖所示的排列與形狀(圓形)，其亦可為方形、三角形、或是其他適合的形狀，只要適於讓電解液240通過即可。
    導電基板210的材質包括金屬，例如鈦，詳細而言，導電基板210可為一鈦箔、或是一表面披覆有鈦膜的金屬板。在一實施例中，導電基板210為鈦箔。
    第一光電轉換層230配置於導電基板210的第二側S2。第3圖繪示第2A圖之染料敏化太陽能電池的第一光電轉換層的局部放大圖(第2A圖之區域A的放大圖)。在一實施例中，如第3圖所示，第一光電轉換層230包括一由多個半導體顆粒232組成的多孔性半導體薄膜以及吸附於半導體顆粒232上的染料234，其中半導體顆粒232的材質例如為二氧化鈦、氧化鋅、或氧化錫。
    染料234為光敏染料，其包括釕、鋨、鐵、鉯、鉑或鋅之金屬錯合物，亦可為有機染料例如紫質(porphyrin)、酞青(phthalocyanine)、香豆素(coumarin)、花青素(cyanine)或半花青素(hemicyanine)，其中常用者為釕金屬錯合物(Ruthenium metal complex)，釕金屬錯合物市面上常見的有N3染料、N712染料、N719染料或N749染料。N3染料之化學式為[cis-di(thiocyanato)-bis(2,2’-bipyridyl-4,4’-dicarboxylic acid)-ruthenium(II)]，N712染料之化學式為(Bu4N)4[Ru(dcbpy)2(NCS)2](Bu4N=tetrabutyl-ammonium且dcbpy H2=2,2’-bipyridyl-4,4’-dicarboxylic acid)，N719染料之化學式為[cis-di(thiocyanato)-bis(2,2’-bipyridyl-4-carboxylate-4’-carboxylic acid)-ruthenium(II)]，N749染料之化學式為(4,4’,4’’-tricarboxy-2,2’:6’,2’-terpyridine)ruthenium(II)。
    透明基板250配置於導電基板210的第二側S2，且覆蓋第一光電轉換層230，以將第一光電轉換層230夾於透明基板250與導電基板210之間，從而保護第一光電轉換層230。在一實施例中，透明基板250可為一軟性基板。
    在本實施例中，透明基板250可由一抗紫外光材料所構成。在另一未繪示的實施例中，透明基板250上可具有一抗紫外光膜，詳細而言，透明基板250可具有一透明基材以及一形成於該透明基材上的抗紫外光膜。
    對電極220配置於導電基板210的第一側S1，並與工作電極W之間夾有一空腔C。在一實施例中，對電極220包括金屬基板或是表面鍍有導電高分子的基板。對電極220可為一透明導電基板或是一不透明導電基板。在一實施例中，對電極220可為表面鍍有透明導電氧化物的塑膠基板，其中透明導電氧化物例如為氧化銦錫(ITO)或二氧化錫摻雜氟(FTO)，塑膠基板的材質例如為聚對苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate，PET)、或聚奈二甲酸二乙酯(polyethylene nathphalate，PEN)。
    在一實施例中，透明基板250、導電基板210與對電極220可皆具有可撓性，以構成一軟性染料敏化太陽能電池。
    電解液240填充於空腔C中，並填入導電基板210的穿孔212中以接觸第一光電轉換層230與對電極220。電解液240係含有氧化還原對，例如由碘離子(I-)與三碘離子(I3 -)所構成的氧化還原對。電解液240的製作方法例如為將適於形成氧化還原對的離子化合物溶於溶劑中，其中離子化合物包括鹵化物，例如碘化物或溴化物，具體而言，例如金屬碘鹽或金屬溴鹽，其中又以能夠形成碘離子(iodide，I-)與三碘離子(triiodide，I3 -)者為更佳，例如碘化鋰(LiI)與碘化鉀(KI)。在一實施例中，碘化鋰與碘(I2)溶於溶劑中可形成碘離子(I-)/三碘離子(I3 -)之氧化還原對。溶劑例如為甲氧基丙腈(MPN，Methoxypropionitrile)、或乙腈(AN，acetonitrile)。
    值得注意的是，由於本實施例之導電基板210具有通孔212，因此，空腔C中的電解液240可經由通孔212而流通於導電基板210的第一側S1與第二側S2之間，並接觸第一光電轉換層230。在本實施例中，外界光線L可直接照射到第一光電轉換層230，而無需如習知技術一般外界光線需先通過對電極與電解液之後才能照射到光電轉換層，因此，本實施例可有效提高照射到第一光電轉換層230的光線強度，進而可有效提昇染料敏化太陽能電池200的光電轉換效率。
    在一實施例中，對電極220之鄰近電解液240的一側222上可披覆一白金層(催化層)Pt，以加速電解液240中的電解質的氧化還原反應。
    值得注意的是，在本實施例中，由於光線只需穿過透明基板250即可照射到第一光電轉換層230，而無需穿過對電極220，因此，形成在對電極220上的白金層Pt的厚度不受限制。如此一來，可增加白金層Pt的厚度以增加可用以進行催化反應的白金量，進而提高染料敏化太陽能電池200的穩定性。
    在一實施例中，可將一絕緣顆粒層260配置於對電極220上，且絕緣顆粒層260係位於對電極220與導電基板210之間，以分隔對電極220與導電基板210，避免對電極220與導電基板210之間因缺乏支撐而彼此接觸。在一實施例中，絕緣顆粒層260是由多個絕緣顆粒262所構成之單層或多層，其材質例如為二氧化矽或是其他適於置於染料敏化太陽能電池的電解液中的絕緣材料。
    此外，值得注意的是，第2A圖所繪示的染料敏化太陽能電池200僅為染料敏化太陽能電池之完整封裝體的局部，也就是說，第2A圖省略繪示部分的封裝構件，例如配置於對電極220上並圍繞空腔C的擋牆結構，其係用以將電解液240限制於空腔C中，以避免電解液240橫向溢流至空腔C外，並可保護導電基板210與第一光電轉換層230。透明基板250可配置於擋牆結構上，以將第一光電轉換層230、導電基板210、電解液240密封於一由透明基板250、擋牆結構、以及對電極220所圍繞出的封閉腔體中。
    以下將詳細介紹前述染料敏化太陽能電池200的其中一種製作方法，且以下的實驗參數與各元件的使用材質僅用以舉例說明，並非用以限定本發明。
    首先，取一鈦箔，並以雷射蝕刻、機械鑽孔、或是其他適合的方法在鈦箔上形成多個穿孔，以形成一導電基板。接著，以網印、刮刀塗佈、或是其他適合的方式在導電基板的一第一側上形成一二氧化鈦膠層。
    然後，將二氧化鈦膠層連同其下的導電基板置入例如450℃烘箱中燒結，以於導電基板上形成二氧化鈦顆粒層。之後，將二氧化鈦顆粒層連同其下的導電基板浸入一含有染料的溶液中進行染料吸附，吸附時間較佳為24小時，其中染料之成分例如為N719(購自Solaronix)。表面吸附有染料的二氧化鈦顆粒層可作為一光電轉換層。導電基板與光電轉換層可構成一工作電極。
    之後，提供一摻氟二氧化錫導電玻璃，並以直流濺鍍法(DC sputter method)於其上形成白金層，以形成一對電極。直流濺鍍的製程條件例如為：Ar氣體流量為10 sccm，壓力為1毫托耳(mtorr)，濺鍍時間為10秒鐘，功率為175瓦(W)，即可形成厚度為100奈米的白金層。
    之後，接合工作電極與對電極，並在工作電極上覆蓋一透明基板，以使透明基板與對電極之間夾有一空腔，其中導電基板位於光電轉換層與對電極之間。然後，在空腔中注入電解液，其中電解液的形成方法為在由3-甲氧基丙腈(3-methoxypropionitrile,MPN)所構成的溶劑中加入例如0.6M的碘離子鹽類(1-propyl-3-methylimidazolium iodide)以及0.05M的碘液(I2)，並且可選擇性地再添加其他添加劑，例如0.5M的4-叔丁基吡碇(4-tert-butylpyridine,TBP)、0.1M的硫氰酸胍(guanidinium thiocyanate，GuSCN)與0.1M的碘化鋰(LiI)作為電解質。之後，密封空腔，以完成染料敏化太陽能電池的製備。
    第4圖繪示本發明另一實施例之染料敏化太陽能電池的剖面圖。本實施例之染料敏化太陽能電池300相似於第2A圖的染料敏化太陽能電池200，兩者差異之處在於本實施例之染料敏化太陽能電池300更包括一第二光電轉換層270，其中第二光電轉換層270配置於導電基板210的第一側S1，並位於導電基板210與對電極220之間。第二光電轉換層270的材質可相同或是相異於第一光電轉換層230的材質。
    由於本實施例之染料敏化太陽能電池300具有較多的光電轉換層(第一光電轉換層230與第二光電轉換層270)，因此，當外界光線照射到染料敏化太陽能電池300時，光電轉換層可產生較多的電流。
    第5圖繪示第2A圖之染料敏化太陽能電池的電流對電壓特性曲線圖。請參照第5圖，本次測試所使用的光電轉換效率量測系統係包含太陽光模擬器及Keithley 2400多功能數位電源電錶。首先，將太陽光模擬器之功率校正為100 mW/cm2，隨後將封裝完成的染料敏化太陽能電池放置於太陽光模擬器光源下方進行效率量測。
    本測試的染料敏化太陽能電池的導電基板的材質為鈦箔，對電極的材質為摻氟的二氧化錫導電玻璃，第一光電轉換層的材質為二氧化鈦，以及電解液的材質為溶於甲氧基丙腈的0.1M的碘化鋰、0.05M的碘、0.6M的1,2-乙烷-3-丙基-咪唑碘化物、以及0.5M的4-叔丁基吡啶(4-tert-butylpyridine，TBP)。
    量測時設定Keithley 2400之掃描電壓為0~-0.8V，延遲時間為100毫秒，紀錄染料敏化太陽能電池於各電壓下所產生之電流大小，藉以獲得電流對電壓的特性曲線(I-Vcurve)圖，且可從電流對電壓的特性曲線圖中得知開路電壓(Voc)為-0.66伏特(V)、短路電流(Isc)為2.17毫安培(mA)、最大輸出電壓(Vm，Vmax)為-0.55伏特、最大輸出電流(Im，Imax)為1.61毫安培。
    由下列公式一即可計算出填充因子(FF，fill factor)為0.62，且本次測試所使用的入射太陽光功率(Pin)為100 mW/cm2，由下列公式二可計算出光電轉換效率(η)為3.22%。
    綜上所述，由於本發明係將光電轉換層置於導電基板的外側，而非如習知技術一般是置於導電基板與對電極之間，因此，外界光線可直接照射到光電轉換層，而無需如習知技術一般外界光線需先通過對電極與電解液之後才能照射到光電轉換層，因此，本發明可有效提高照射到光電轉換層的光線強度，進而可有效提昇染料敏化太陽能電池的光電轉換效率。
    本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
    100、200、300．．．染料敏化太陽能電池
    110、210．．．導電基板
    120、220．．．對電極
    122、222．．．對電極的一側
    130．．．表面吸附有染料的二氧化鈦顆粒層
    140、240．．．電解液
    150、Pt．．．白金層
    212．．．穿孔
    230．．．第一光電轉換層
    232．．．半導體顆粒
    234．．．染料
    250．．．透明基板
    260．．．絕緣顆粒層
    262．．．絕緣顆粒
    270．．．第二光電轉換層
    A．．．區域
    C．．．空腔
    S1．．．第一側
    S2．．．第二側
    L．．．外界光線
    W．．．工作電極
    第1圖繪示習知的背照式染料敏化太陽能電池的剖面圖。
    第2A圖繪示本發明一實施例之染料敏化太陽能電池的剖面圖。
    第2B圖繪示第2A圖之染料敏化太陽能電池的導電基板的立體圖。
    第3圖繪示第2A圖之染料敏化太陽能電池的第一光電轉換層的局部放大圖。
    第4圖繪示本發明另一實施例之染料敏化太陽能電池的剖面圖。
    第5圖繪示本發明一實施例之染料敏化太陽能電池的電流對電壓特性曲線圖。
    200．．．染料敏化太陽能電池
    210．．．導電基板
    212．．．穿孔
    220．．．對電極
    222．．．對電極的一側
    230．．．第一光電轉換層
    240．．．電解液
    250．．．透明基板
    260．．．絕緣顆粒層
    262．．．絕緣顆粒
    A．．．區域
    C．．．空腔
    S1．．．第一側
    S2．．．第二側
    L．．．外界光線
    Pt．．．白金層
    W．．．工作電極
    权利要求:
    Claims (12)
    [1] 一種染料敏化太陽能電池，包括：一工作電極，包括一導電基板以及一第一光電轉換層，其中該導電基板具有相對的一第一側與一第二側，且具有多個穿孔由該第一側延伸至該第二側，該第一光電轉換層配置於該導電基板的該第二側，且該第一光電轉換層包括一多孔性半導體薄膜以及一吸附於該多孔性半導體薄膜上的染料；一透明基板，配置於該導電基板的該第二側，且該第一光電轉換層夾於該透明基板與該導電基板之間；一對電極，配置於該導電基板的該第一側，並與該工作電極之間夾有一空腔；以及一電解液，填充於該空腔中，並填入該導電基板的該些穿孔中以接觸該第一光電轉換層。
    [2] 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池，其中各該穿孔的孔徑為1微米至1000微米。
    [3] 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池，更包括：一第二光電轉換層，配置於該導電基板的該第一側，並位於該導電基板與該對電極之間。
    [4] 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池，其中該導電基板為一金屬基板。
    [5] 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池，其中該對電極包括一透明導電基板。
    [6] 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池，其中該對電極的材質包括金屬。
    [7] 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池，其中該透明基板為一軟性基板。
    [8] 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池，其中該透明基板上具有一抗紫外光膜、或是該透明基板係由一抗紫外光材料所構成。
    [9] 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池，其中該透明基板上具有一抗反射膜、或是該透明基板係由一抗反射材料所構成。
    [10] 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池，更包括：一絕緣顆粒層，配置於該對電極上，並位於該對電極與該導電基板之間。
    [11] 如申請專利範圍第10項所述之染料敏化太陽能電池，其中該絕緣顆粒層的材質包括二氧化矽。
    [12] 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池，其中該對電極之鄰近該電解液的一側形成有一白金層。
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    TWI449190B|2014-08-11|
    引用文献:
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    法律状态:
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    TW100121568A|TWI449190B|2011-06-21|2011-06-21|染料敏化太陽能電池|TW100121568A| TWI449190B|2011-06-21|2011-06-21|染料敏化太陽能電池|
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