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    • 专利摘要:
    本發明揭示一種具有隔熱功能之光化學太陽能電池，其至少包含一工作電極；一二氧化鈦層；一相對電極；一電解液層；一光敏化層以及複數個奈米金屬層。其中該複數個奈米金屬層可用以反射紅外光，藉以達到隔熱的功效。藉由該複數個奈米金屬層，該光化學太陽能電池之中可提高光電流，進而提升光電轉換效率。
    公开号:TW201324802A
    申请号:TW100145358
    申请日:2011-12-08
    公开日:2013-06-16
    发明作者:Ru-Yuan Yang；Huang-Yu Chen；Shoou-Jinn Chang
    申请人:Univ Nat Pingtung Sci & Tech；
    IPC主号:Y02E10-00
    专利说明:
    具有隔熱功能之光化學太陽能電池
    本發明係有關於一種太陽能電池，其特別有關於一種具有隔熱功能之光化學太陽能電池，其可藉由奈米金屬層之光學特性阻隔紅外光，藉以達到隔熱的功效。
    太陽能電池係一種將太陽能直接轉化為電能之裝置。20世紀70年代，由美國貝爾實驗室首先研製出的矽太陽能電池已逐步發展起來。這種矽太陽能電池之工作原理係基於半導體之光伏效應。雖然矽太陽能電池之光電轉化效率高，但其製作工藝複雜、價格昂貴、對材料要求苛刻，因而限制其廣泛應用。二十世紀九十年代應用奈米晶體開發之染料敏化太陽能電池，可望取代傳統之矽太陽能電池，並由此成為該領域之研究熱點。
    太陽光能量中約有45%位於波長700nm至2500nm之近紅外光區(Near-Infrared，NIR)。就染料敏化太陽能電池而言，其可吸收的波段僅為680nm以下的光源。就隔熱應用而言，必須有效地阻隔紅外光。將可屏蔽NIR之材料應用於玻璃或室外塗料，藉以提供隔熱效果，若應用於室內塗料則有保暖功能。而對建築用塗料、大樓帷幕玻璃、汽車玻璃及其他光學玻璃而言，除希望其阻隔紅外光且不影響可見光之穿透外，更希望能結合太陽能電池之應用以達到節能減碳的目標。
    而現有阻隔NIR之方法中，如使用超薄鋁層的方法，不但其成本過於昂貴，且對可見光的吸收度大；若使用較廉價之有機顏料或染料代替時，在強烈太陽光照下，該顏料或染料易分解或散射光線，結果也使可見光穿透度低。透明導電金屬氧化物(Transparent Conducting Oxide，TCO)，例如F-摻雜SnO2(FTO)及Sb-摻雜SnO2(ATO)為現今已發展成功且可應用於建築用塗料者，惟其可吸收波長始於1300nm以上，僅能阻隔部分之近紅外光。因此，需要一種可有效屏蔽紅外光，同時讓可見光穿透之材料，並結合太陽能電池之應用，以達到有效的節能。
    參照日本專利第2001-283372號，其標題為”可吸收紫外光與紅外光之綠色玻璃，Ultraviolet and Infrared Absorption Green Glass”，該專利揭示將氧化鐵、氧化鈰、氧化鈦、氧化鎳、氧化鈷等金屬氧化物添加於玻璃內所形成之綠色玻璃，可吸收大多數紅外光及紫外光，且保留70%之可見光穿透率。然而，其所製作之玻璃不具有導電性，且會影響可見光之吸收，無法將其結合於太陽能電池之應用。
    參照美國專利案第5,084,365號，其標題為”光電化學元件及其製程方法，Photo-electrochemical cell and process of making same”該專利揭示一種溶膠-凝膠法，以降低製造成本，並藉由薄膜表面粗糙度之控制，進而提升光電轉換效率。然而，該種光電元件無法有效的反射紅外光以達到隔熱的功效。
    有鑑於此，本發明之發明人乃細心研究，提出一種具有隔熱功能之光化學太陽能電池，以期達到隔熱的效果，並提高光電轉換效率或消除習用染料敏化太陽能電池之缺點。本發明係引用日本專利公告號第2001-283372號以及美國專利公告號第5,084,365號作引證參考文獻。
    本發明之目的在提供一種具有隔熱功能之光化學太陽能電池，其具有之隔熱結構可有效的反射紅外光，其亦可將紅外光侷限於光化學太陽能電池之中作一有效的利用。
    根據本發明之目的，提出一種具有隔熱功能之光化學太陽能電池，其至少包含：一第一透明導電基板；一第一奈米金屬層；一第二透明導電基板；一第二奈米金屬層；一電解液層以及一光敏化層。該第一透明導電基板與一二氧化鈦層形成於一工作電極，且該第一透明導電基板之折射率係介於1至3之間；該第一奈米金屬層係配置於該第一透明導電基板與該二氧化鈦層之間；該第二透明導電基板與一金屬層形成於一相對電極；該第二奈米金屬層係配置於該第二透明導電基板與該金屬層之間；其中，該第一奈米金屬層與該第二奈米金屬層對可見光之吸收度係介於5%至35%之間，對紅外光之吸收度係介於50%至95%之間，且其結晶顆粒係介於5奈米至60奈米之間，用以阻隔太陽的熱輻射；該電解液層係位於該第一透明導電基板及該第二透明導電基板間；以及該光敏化層係位於該二氧化鈦層所形成之工作電極上。
    根據本發明之光化學太陽能電池之一特徵，其中該第一奈米金屬層與該第二奈米金屬層之厚度係介於2奈米至30奈米。
    根據本發明之目的，再提出一種具有隔熱功能之光化學太陽能電池，其至少包含：一第一奈米金屬層；一二氧化鈦層；一第一透明導電薄膜；一第二奈米金屬層；一金屬層；一第二透明導電薄膜；一電解液層以及一光敏化層。該第一奈米金屬層係披覆於一第一基板上，以形成一第一透明導電基板；該二氧化鈦層與該第一透明導電基板形成於一工作電極；該第一透明導電薄膜係配置於該第一透明導電基板與該二氧化鈦層之間；該第二奈米金屬層係披覆於一第二基板上，以形成一第二透明導電基板；該金屬層與該第二透明導電基板形成於一相對電極；該第二透明導電薄膜係配置於該第二透明導電基板與該金屬層之間；其中，該第一奈米金屬層與該第二奈米金屬層對可見光之吸收度係介於5%至35%之間，對紅外光之吸收度係介於50%至95%之間，且其結晶顆粒係介於5奈米至60奈米之間，而其平均粗糙度係介於2奈米至20奈米之間，用以阻隔太陽的熱輻射；該電解液層係位於該第一透明導電基板及該第二透明導電基板間；以及該光敏化層係位於該二氧化鈦層所形成之工作電極上。
    根據本發明之光化學太陽能電池之一特徵，其中該透明導電薄膜係為含雜質的氧化鋅，且雜質的莫耳比例係介於5%至30%。
    本發明之功效：
    1.　利用奈米金屬層以及透明導電薄膜之材料特徵如：不同的厚度、結晶顆粒、載子濃度以及電阻率，使其對特定光譜具有不同的吸收以及反射能力。
    2.　利用奈米金屬層之光學反應，將紅外光侷限於光化學太陽能電池之中，提高光電轉換效率。
    3.　藉由結合奈米金屬層與透明導電薄膜，以形成具有隔熱功能之光化學太陽能電池。
    本發明可利用簡單的鍍膜方式，將隔熱結構結合於光化學太陽能電池之中，除了可反射紅外光之外，更可將紅外光作一有效的運用。此外，本發明所提出之隔熱結構並不影響光化學太陽能電池對可見光之吸收以及利用。
    為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉數個較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
    雖然本發明可表現為不同形式之實施例，但附圖所示者及於下文中說明者係為本發明可之較佳實施例，並請了解本文所揭示者係考量為本發明之一範例，且並非意圖用以將本發明限制於圖示及/或所描述之特定實施例中。
    本發明將揭示一種具有隔熱功能之光化學太陽能電池之結構。請參照第1圖，其顯示為本發明之具有隔熱功能之光化學太陽能電池之一實施例100，其至少包含：一第一透明導電基板113；一二氧化鈦層104；一工作電極111；一第一奈米金屬層103；一第二透明導電基板114；一金屬層107；一相對電極112；一第二奈米金屬層108；一電解液層106以及一光敏化層105。
    其中，該第一透明導電基板113與該二氧化鈦層104係用以形成於該工作電極111，而該第二透明導電基板114與該金屬層107係用以形成於該相對電極112。其中該多二氧化鈦層104可以使用刮刀成膜法、溶膠-凝膠法、水熱法、沈澱法、噴霧熱解法、化學氣相沈積法之一所製得。該電解液層106係位於該第一透明導電基板113及該第二透明導電基板114間，而該光敏化層105係位於該二氧化鈦層104所形成之工作電極111上。其中該光敏化層105可為方酸類染料、部花菁類染料、羅丹明類染料、偶氮苯類染料、半菁類染料或金屬錯合物中一種或其組合，而其金屬錯合物可以為釕錯合物。
    當一第一透明導電薄膜102披覆於一第一基板101，即可形成該第一透明導電基板113；同理，當一第二透明導電薄膜109披覆於一第二基板110，即可形成該第二透明導電基板114。該第一基板101與該第二基板110可以是玻璃與可撓性軟板之一，可撓性軟板包含：聚對苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene Terephthalate，PET)、聚亞醯氨(Polyimide，PI)、聚氯乙烯(Polyvinylchlorid，PVC)等。
    該透明導電薄膜可選用銦錫氧化物、二氧化錫、氧化鋅、含雜質的二氧化錫、含雜質的氧化鋅、鎳、金、銀、鈦、銅、鈀、及鋁。較佳地，該透明導電薄膜102、109之材料係選用含雜質的氧化鋅，其具有85%以上之透光度，且其片電阻值係介於5Ω/sq至10Ω/sq之間，而其厚度係介於100奈米至800奈米之間。此外，該透明導電薄膜102、109之雜質的莫耳比例係介於5%至30%，電阻率係介於10-4Ωcm至10-5Ωcm。於本實例中，該第一透明導電基板113之折射率係介於1至3之間。
    該第一奈米金屬層103係配置於該第一透明導電基板113與該二氧化鈦層104之間，而該第二奈米金屬層108係配置於該第二透明導電基板114與該金屬層107之間。該第一奈米金屬層103與該第二奈米金屬層108對可見光之吸收度係介於5%至35%之間，對紅外光之吸收度係介於50%至95%之間，且其結晶顆粒係介於5奈米至60奈米之間，而其平均粗糙度係介於2奈米至20奈米之間，用以阻隔太陽的熱輻射。需注意，該第一奈米金屬層103與該第二奈米金屬層108之載子濃度係介於1022 cm-3至1023 cm-3，而厚度皆係介於2奈米至30奈米。表一所示為不同奈米金屬層103、108材料對可見光吸收波段之影響。奈米金屬層103、108之奈米粒子是介於原子、分子與巨觀塊材(bulk materials)之間的過渡產物。在這個尺寸範圍裡，許多物理、化學性質都會與尺寸有關，尺寸大小成為在奈米材料科學與應用上重要的控制因素。其中包括奈米粒子的熱力學特徵，例如：熔點、比熱等，還有電子結構、電學性質、光學特性、磁性、化學反應性，以及奈米顆粒的自組裝(self-assembly)都會因為尺寸不同而改變。
    由表一可知，不同奈米金屬層103、108材料對可見光的吸收度不同，且其厚度亦會影響對光波段的吸收程度。同理，在不同的結晶顆粒下，奈米金屬層103、108材料對光譜的影響亦有所不同。舉例來說，當奈米金屬層103、108材料的表面存在有許多鬆散及柱狀的結構時(結晶顆粒小於10奈米，造成表面呈現不連續)，將使可見光在通過奈米金屬層103、108時產生較大的散射，進而使穿透度下降；意即，不連續層狀的奈米金屬層103、108結構對電子傳輸造成嚴重的阻礙。反之，當奈米金屬層103、108材料的表面係為連續層狀的截面時(結晶顆粒大於10奈米，呈現平整的表面型態)，減少了可見光的散射與電子傳輸的障礙，進而使穿透度上升。較佳地，該第一奈米金屬層103與該第二奈米金屬層108係使用銀作為鍍膜材料，因其對可見光的吸收度為最低，且在紅外光波段亦有相當的反射功效，可達到隔熱的效果。
    其中，該第一奈米金屬層103與該第二奈米金屬層108之製作方式可分為：物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition，PVD)和化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition，CVD)兩種。
    物理氣相沉積：物理氣相沉積是一種不包含化學反應的薄膜沉積過程，表示料源經由中間傳送過程乃至形成薄膜材料，其組成成分之化學式並未發生改變，傳送過程可以藉由蒸鍍(Evaporation，包括熱電阻式、電子束等)、濺鍍(Sputtering)、分子束磊晶(Molecular Beam Epitaxy)、雷射(Laser)等方式將料源由固相或液相轉變為氣態或離子態，而後蒸氣原子由蒸發源直線前進抵達基板表面沉積，逐漸成膜。
    化學氣相沉積：化學氣相沉積是將反應源以氣體形式通入反應腔中，經由氧化，還原或與基板反應之方式進行化學反應，其生成物藉內擴散作用而沈積基板表面上，CVD可在常壓或低壓進行，經常使用的CVD技術有：(1)常壓化學氣相沈積(Atmospheric Pressure CVD，APCVD)、(2)低壓化學氣相沈積(Low Pressure CVD，LPCVD)、(3)電漿輔助化學氣相沈積(Plasma Enhanced CVD，PECVD)。
    需注意，該第一奈米金屬層103與該第二奈米金屬層108亦可使用濕式製程法、共沉法、直接還原法、電化學法、光化學法以及超聲波法。表二所示為結合奈米金屬層103、108與透明導電薄膜102、109時，對光波段之影響情形。由表二可知，在不同的材料組成下，光學與電性會因材料的厚度與成分的不同而有所變化。其中，透明導電薄膜的雜質摻雜比例、製程方式與製程溫度等，皆會影響所得之光學與電性變化。
    第二實施例200與第一實施例100不同之處僅在於透明導電薄膜102、109與奈米金屬材料103、108之配置順序相反，意即該第一奈米金屬層103係披覆於該第一基板101，以形成該第一透明導電基板113，而該第一透明導電薄膜102係配置於該第一透明導電基板113與該二氧化鈦層104之間；同理，該第二奈米金屬層108係披覆於該第二基板110，以形成該第二透明導電基板114，而該第二透明導電薄膜109係配置於該第二透明導電基板114與該金屬層107之間。以實施例二之方式亦可達成具有隔熱功能之光化學太陽能電池。需注意，本發明之另一特點在於當光從該第一透明導電基板113照入時，反射不完全之紅外光可經由該第二奈米金屬層108將其局限於光化學太陽能電池之中，以提高光電流，進而提升光電轉換效率，達到對紅外光的有效利用。同理，當光從該第二透明導電基板114照入時，該第一奈米金屬層103亦可將反射不完全之紅外光侷限於光化學太陽能電池之中。
    <實施例1>
    該第一透明導電基板113與該第二透明導電基板114皆係為氧化鋅摻鋁之透明導電基板113、114，其折射率係為1.98。需注意，該氧化鋅摻鋁之透明導電基板113、114係將氧化鋅摻鋁透明薄膜102、109藉由濺鍍方式將其沈積於玻璃之上。在本實施例中，氧化鋅摻鋁透明薄膜102、109厚度為200奈米，其具有90%以上之透光度，且其片電阻值係介於8Ω/sq，而鋁的莫耳比例係為8%。此外，該第一奈米金屬層103與該第二奈米金屬層108之材料係為金屬銀103、108，其結晶顆粒係為10奈米，載子濃度係為1.5x1022 cm-3，厚度係為10奈米。將氧化鋅摻鋁之透明導電基板113、114與該奈米金屬銀103、108應用於光化學太陽能電池時，可達到6%之光電轉換效率，且在可見光區具有86%的穿透度，在紅外光區具有83%的反射度。
    <實施例2>
    該第一透明導電基板113與該第二透明導電基板114皆係為氧化鋅摻鋁之透明導電基板113、114，其折射率係為1.98。需注意，該氧化鋅摻鋁之透明導電基板113、114係將氧化鋅摻鋁透明薄膜102、109藉由濺鍍方式將其沈積於玻璃之上。在本實施例中，氧化鋅摻鋁透明薄膜102、109厚度為120奈米，其具有92%以上之透光度，且其片電阻值係介於9Ω/sq，而鋁的莫耳比例係為5%。此外，該第一奈米金屬層103與該第二奈米金屬層108之材料係為金屬鋁103、108，其結晶顆粒係為10奈米，載子濃度係為8x1022 cm-3，厚度係為10奈米。將氧化鋅摻鋁之透明導電基板113、114與該奈米金屬鋁103、108應用於光化學太陽能電池時，可達到5.7%之光電轉換效率，且在可見光區具有72%的穿透度，在紅外光區具有78%的反射度。
    <實施例3>
    該第一透明導電基板113與該第二透明導電基板114皆係為氧化銦摻錫之透明導電基板113、114，其折射率係為2.06。需注意，該氧化銦摻錫之透明導電基板113、114係將氧化銦摻錫透明薄膜102、109藉由濺鍍方式將其沈積於玻璃之上。在本實施例中，氧化銦摻錫透明薄膜102、109厚度為300奈米，其具有90%以上之透光度，且其片電阻值係介於6Ω/sq，而錫的莫耳比例係為5%。此外，該第一奈米金屬層103與該第二奈米金屬層108之材料係為金屬銀103、108，其結晶顆粒係為10奈米，載子濃度係為2.6x1022 cm-3，厚度係為5奈米。將氧化銦摻錫之透明導電基板113、114與該奈米金屬銀103、108應用於光化學太陽能電池時，可達到7%之光電轉換效率，且在可見光區具有88%的穿透度，在紅外光區具有79%的反射度。
    綜上所述，本發明之功效：
    1.　可於簡單的製程條件下，結合奈米金屬層107與透明導電薄膜，以形成具有隔熱功能之光化學太陽能電池。
    2.　可經由奈米金屬層107之光學反應，將紅外光侷限於光化學太陽能電池之中，提高光電轉換效率。
    3.　奈米金屬層107以及透明導電薄膜在不同的厚度、結晶顆粒、載子濃度以及電阻率的情況下，對特定光譜具有不同的吸收能力。
    雖然本發明已以前述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與修改。如上述的解釋，都可以作各型式的修正與變化，而不會破壞此發明的精神。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．．．具有隔熱功能之光化學太陽能電池
    101．．．第一基板
    102．．．第一透明導電薄膜
    103．．．第一奈米金屬層
    105．．．光敏化層
    104．．．二氧化鈦層
    107．．．金屬層
    106．．．電解液層
    109．．．第二透明導電薄膜
    108．．．第二奈米金屬層
    111．．．工作電極
    110．．．第二基板
    112．．．相對電極
    113．．．第一透明導電基板
    114．．．第二透明導電基板
    為了讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯，下文特舉本發明較佳實施例，並配合所附圖示，作詳細說明如下：
    圖1顯示為本發明之具有隔熱功能之光化學太陽能電池第一實施例；以及
    圖2顯示為本發明之具有隔熱功能之光化學太陽能電池第二實施例。
    100．．．具有隔熱功能之光化學太陽能電池
    101．．．第一基板
    102．．．第一透明導電薄膜
    103．．．第一奈米金屬層
    105．．．光敏化層
    104．．．二氧化鈦層
    107．．．金屬層
    106．．．電解液層
    109．．．第二透明導電薄膜
    108．．．第二奈米金屬層
    111．．．工作電極
    110．．．第二基板
    112．．．相對電極
    113．．．第一透明導電基板
    114．．．第二透明導電基板
    权利要求:
    Claims (10)
    [1] 一種具有隔熱功能之光化學太陽能電池，其至少包含：一第一透明導電基板，其與一二氧化鈦層形成於一工作電極，該第一透明導電基板之折射率係介於1至3之間；一第一奈米金屬層，係配置於該第一透明導電基板與該二氧化鈦層之間；一第二透明導電基板，其與一金屬層形成於一相對電極；一第二奈米金屬層，係配置於該第二透明導電基板與該金屬層之間；一電解液層，係位於該第一透明導電基板及該第二透明導電基板間；以及一光敏化層係位於該二氧化鈦層所形成之工作電極上；其中，該第一奈米金屬層與該第二奈米金屬層對可見光之吸收度係介於5%至35%之間，對紅外光之吸收度係介於50%至95%之間，且其結晶顆粒係介於5奈米至60奈米之間，而其平均粗糙度係介於2奈米至20奈米之間，用以阻隔太陽的熱輻射。
    [2] 如申請專利範圍第1項所述之光化學太陽能電池，其中該第一奈米金屬層與該第二奈米金屬層之載子濃度係介於1022 cm-3至1023 cm-3。
    [3] 如申請專利範圍第1項所述之光化學太陽能電池，其中該第一奈米金屬層與該第二奈米金屬層之厚度係介於2奈米至30奈米。
    [4] 如申請專利範圍第1項所述之光化學太陽能電池，其中該第一透明導電基板及該第二透明導電基板係為一表面塗佈透明導電薄膜之玻璃與可撓性軟板之一。
    [5] 如申請專利範圍第4項所述之光化學太陽能電池，其中該透明導電薄膜係為含雜質的氧化鋅，且雜質的莫耳比例係介於5%至30%。
    [6] 如申請專利範圍第4項所述之光化學太陽能電池，其中該透明導電薄膜之電阻率係介於10-4Ωcm至10-5Ωcm。
    [7] 一種具有隔熱功能之光化學太陽能電池，其至少包含：一第一奈米金屬層，係披覆於一第一基板上，以形成一第一透明導電基板；一二氧化鈦層，與該第一透明導電基板形成於一工作電極；一第一透明導電薄膜，係配置於該第一透明導電基板與該二氧化鈦層之間；一第二奈米金屬層，係披覆於一第二基板上，以形成一第二透明導電基板；一金屬層，與該第二透明導電基板形成於一相對電極；一第二透明導電薄膜，係配置於該第二透明導電基板與該金屬層之間；其中，該第一奈米金屬層與該第二奈米金屬層對可見光之吸收度係介於5%至35%之間，對紅外光之吸收度係介於50%至95%之間，且其結晶顆粒係介於5奈米至60奈米之間，用以阻隔太陽的熱輻射；一電解液層，係位於該第一透明導電基板及該第二透明導電基板間；以及一光敏化層係位於該二氧化鈦層所形成之工作電極上。
    [8] 如申請專利範圍第7項所述之光化學太陽能電池，其中該第一奈米金屬層與該第二奈米金屬層之載子濃度係介於1022 cm-3至1023 cm-3。
    [9] 如申請專利範圍第7項所述之光化學太陽能電池，其中該第一奈米金屬層與該第二奈米金屬層之厚度係介於2奈米至30奈米。
    [10] 如申請專利範圍第7項所述之光化學太陽能電池，其中該透明導電薄膜係為含雜質的氧化鋅，且雜質的莫耳比例係介於5%至30%。
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    TWI430460B|2014-03-11|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2019-12-11| MM4A| Annulment or lapse of patent due to non-payment of fees|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    TW100145358A|TWI430460B|2011-12-08|2011-12-08|具有隔熱功能之光化學太陽能電池|TW100145358A| TWI430460B|2011-12-08|2011-12-08|具有隔熱功能之光化學太陽能電池|
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