CN101667495B

CN101667495B - 染料敏化太阳能电池的工作电极的制作方法

Info

Publication number: CN101667495B
Application number: CN 200810214883
Authority: CN
Inventors: 童永梁; 蓝崇文; 蔡松雨; 欧铠麟; 吴春桂; 陈家原
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2008-09-03
Filing date: 2008-09-03
Publication date: 2012-01-11
Anticipated expiration: 2028-09-03
Also published as: CN101667495A

Abstract

一种染料敏化太阳能电池的工作电极的制作方法，包括在透明导电基板上形成金属氧化物层，再使用金属络合物染料对所述金属氧化物层进行第一染料吸附阶段。接着，使用有机染料对所述金属氧化物层进行第二染料吸附阶段，以填补金属氧化物层中的空隙。因为所述方法采用分段多重吸附染料的技术，因此能增加染料敏化太阳能电池的工作电极的染料吸附量，进而提高光电转换效率。

Description

染料敏化太阳能电池的工作电极的制作方法

【技术领域】

本发明涉及一种染料敏化太阳能电池(Dye-Sensitized Solar Cell，DSSC)的技术，且特别是涉及一种染料敏化太阳能电池的工作电极层的制作方法。

【背景技术】

太阳能电池是一种非常有希望的干净能源，其可直接从阳光产生电(electricity)。不过，必须要有效地降低太阳能电池的生产成本以便使其被广泛接受而变成主要电源。

近年，由

提出一种所谓的染料敏化太阳能电池(DSSC)，可以更有效地利用太阳能源，而成为继硅晶太阳能电池后被视为最有潜力的第三代太阳电池之一。一般而言，染料敏化太阳能电池的结构如图1所示，包括分别位于透明导电基板100a和100b上、提供电流流动通路的二氧化钛(TiO₂)工作电极102和Pt对电极104以及传输空穴的电解液106，其中透明导电基板100a和100b表面涂布有透明导电氧化物(Transparent ConductiveOxide，TCO)108。

上述染料敏化太阳能电池尽管已具备商品化条件，但仍有许多问题需要克服，包括：染料吸附有限(造成光电转换效率不够高)、液态电解液封装困难、容易渗漏、耐久性欠佳...等，因此仍有许多改进空间。

对于一般染料敏化太阳能电池，吸附染料的方法多为浸置(immerse)在～10^-4M的溶液里，或是利用两种以上染料以鸡尾酒方式配置成溶液，再一起吸附到二氧化钛上，然而这样的吸附方式并不能有效地填满所有二氧化钛。尤其是鸡尾酒方式的染料吸附技术，因为不同染料之间在吸附上有竞争性，因此往往无法确定染料的用量、比例等较佳吸附条件。

【发明内容】

本发明提供一种染料敏化太阳能电池(DSSC)的工作电极的制作方法，可使工作电极层吸附更多的染料，以提高光电转换效率。

本发明另提供一种染料敏化太阳能电池的工作电极的制作方法，可增加工作电极的吸收光的范围，以提高染料敏化太阳能电池效能。

本发明提出一种染料敏化太阳能电池的工作电极的制作方法，包括在透明导电基板上形成金属氧化物层，再使用金属络合物染料对所述金属氧化物层进行第一染料吸附阶段(absorption stage)。接着，使用有机染料对所述金属氧化物层进行第二染料吸附阶段，以填补金属氧化物层中的空隙。

在本发明的一实施例中，在第二染料吸附阶段之后还可再进行至少一段有机染料吸附阶段，其中所述有机染料吸附阶段与第二染料吸附阶段可以使用相同或者不同的有机染料。而且，有机染料吸附阶段与第二染料吸附阶段使用的有机染料可以具有不同的吸收波长范围。

在本发明的一实施例中，上述有机染料的分子呈现长链型，且有机染料的一端为COOH官能团或其盐类。

在本发明的一实施例中，上述有机染料的分子量(FW)在200～700之间。

在本发明的一实施例中，上述透明导电基板表面涂布有一层透明导电氧化物(Transparent Conductive Oxide，TCO)，其包括掺杂F的二氧化锡(SnO₂:F，FTO)、掺杂Al的氧化锌(ZnO:Al)或其它适合的透明导电氧化物。

在本发明的一实施例中，上述金属氧化物层的材料包括TiO₂、SiO₂、ZnO、ZrO₂或Al₂O₃。

在本发明的一实施例中，上述金属络合物染料包括钌、锇、铁、钷(illinium)、铂或锌的金属络合物染料。

本发明另提出一种染料敏化太阳能电池的工作电极的制作方法，包括在透明导电基板上形成二氧化钛(TiO₂)层，再使用钌金属络合物染料对所述二氧化钛层进行第一染料吸附阶段。然后，清洗上述基板，以去除残留的钌金属络合物染料。之后，使用有机染料对所述二氧化钛层进行第二染料吸附阶段，其中所述有机染料的分子呈现长链型，且所述有机染料的一端为COOH官能团或其盐类。

在本发明的另一实施例中，上述有机染料的分子量(FW)在200～700之间。

在本发明的另一实施例中，上述清洗基板的方法包括使用乙腈(acetonitrile，AN)或是丙酮进行清洗。

在本发明的另一实施例中，上述第一染料吸附阶段的温度约控制在50℃～70℃之间。

在本发明的另一实施例中，上述第二染料吸附阶段的温度约控制在20℃～70℃之间。

在本发明的另一实施例中，在第二染料吸附阶段之后还可再进行至少一段有机染料吸附阶段，其中所述有机染料吸附阶段与第二染料吸附阶段可以使用相同或者不同的有机染料。而且，有机染料吸附阶段与第二染料吸附阶段使用的有机染料可以具有不同的吸收波长范围。

在本发明的另一实施例中，上述透明导电基板表面涂布有一层透明导电氧化物(TCO)，如：掺杂F的二氧化锡(SnO₂:F，FTO)、掺杂Al的氧化锌(ZnO:Al)或其它适合的透明导电氧化物。

本发明因为采用分段多重吸附(multi-step absorption)染料的技术，来形成染料敏化太阳能电池(DSSC)的工作电极。因此，能增加工作电极的染料吸附量，进而提高光电转换效率。此外，本发明也可利用分段多重吸附染料的技术，将不同吸收波长的染料依序吸附于工作电极，由此增加工作电极的吸收光的范围，或是对工作电极进行修饰，进而提高染料敏化太阳能电池效能。

为了使本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合附图，作详细说明如下。

【附图说明】

图1是现有技术的一种染料敏化太阳能电池的剖面示意图。

图2A至图2C是依照本发明的一实施例的一种染料敏化太阳能电池的工作电极的制作流程剖面示意图。

图3是依照本发明的另一实施例的一种染料敏化太阳能电池的工作电极的制作流程步骤图。

图4是实验一的多重吸附(本发明)与现有技术单一吸附的工作电极的电性分析曲线图。

图5是实验二的多重吸附(本发明)与现有技术单一吸附的工作电极的电性分析曲线图。

【主要附图标记说明】

100a、100b、200：透明导电基板

102：二氧化钛(TiO2)工作电极

104：Pt对电极

106：电解液

108、202：透明导电氧化物

204：金属氧化物层

206：容器

208：金属络合物染料溶液

210：金属络合物染料

212：有机染料溶液

214：有机染料

300～306：步骤

【具体实施方式】

下文中请参阅附图来更充分地了解本发明，其中附图显示本发明的各实施例。不过，本发明还可用多种不同形式来实践，且不应将其解释为限于下文所陈述的实施例。实际上，提供这些实施例只是为了使本发明被披露得更详尽且完整，同时借此将本发明的范畴完全传达至所属技术领域的技术人员。在附图中，为明确起见可能将各层的尺寸以及相对尺寸作夸张的描绘。

图2A至图2C是依照本发明的一实施例的一种染料敏化太阳能电池(Dye-Sensitized Solar Cell，DSSC)的工作电极的制作流程剖面示意图。

请参照图2A，本实施例的制作方法是先提供透明导电基板200，且在其表面可涂布一层透明导电氧化物(Transparent Conductive Oxide，TCO)202，其中透明导电氧化物202例如为掺杂F的二氧化锡(SnO₂:F，FTO)、掺杂Al的氧化锌(ZnO:Al)或其它适合的透明导电氧化物。随后，在透明导电基板200上形成一层金属氧化物层204，其材料例如TiO₂、SiO₂、ZnO、ZrO₂或Al₂O₃。

然后，请参照图2B，使用一种金属络合物染料对金属氧化物层204进行第一染料吸附阶段，其中金属络合物染料譬如为钌、锇、铁、钷、铂或锌的金属络合物染料。本实施例的第一染料吸附阶段如图所示，在容器206中配有金属络合物染料溶液208，再将透明导电基板200连同金属氧化物层204一起浸泡在其中。如此一来，金属络合物染料210会吸附在金属氧化物层204上。

接着，请参照图2C，使用一种有机染料对金属氧化物层204进行第二染料吸附阶段，以填补金属氧化物层204中的空隙，其中有机染料的分子呈现长链型，且有机染料的一端为COOH官能团或其盐类。有机染料的分子量(FW)譬如是在200～700之间。在本实施例的第二染料吸附阶段如图所示，是将透明导电基板200浸泡在有机染料溶液212中，而使有机染料214吸附在金属氧化物层204上，并通过长链型的有机染料214向金属氧化物层204内部渗入并吸附于金属氧化物层204表面，而形成染料敏化太阳能电池(DSSC)的工作电极。

除此之外，在第二染料吸附阶段(即，图2C)之后，还可依照染料敏化太阳能电池的需求，选择再进行至少一段次级有机染料吸附阶段。而该另增加的有机染料吸附阶段与前述第二染料吸附阶段可以使用相同或者不同的有机染料。举例来说，第二染料吸附阶段之后进行的有机染料吸附阶段，可以使用吸收波长范围不同于第二染料吸附阶段使用的有机染料，因此可以更有效地利用太阳光；换句话说，组合两种以上的染料(吸收波长不同)就可以达到利用全光谱的太阳光，以大幅提高染料敏化太阳能电池的效能。

图3则是依照本发明的另一实施例的一种染料敏化太阳能电池的工作电极的制作流程步骤图。

请参照图3，在步骤300中，在透明导电基板上形成一层二氧化钛(TiO₂)层，而上述透明导电基板表面可先涂布一层透明导电氧化物(TCO)，如：掺杂F的二氧化锡(FTO)、掺杂Al的氧化锌(ZnO:Al)或其它适合的透明导电氧化物。

接着，在步骤302中，使用一种钌金属络合物染料对所述二氧化钛层进行第一染料吸附阶段，其中第一染料吸附阶段的温度例如在50℃～70℃之间。然后，在步骤304中，清洗上述基板，以去除残留的钌金属络合物染料。其中清洗基板的方法包括使用溶剂进行清洗，例如乙腈(acetonitrile，AN)或是丙酮。

之后，在步骤306中，使用一种有机染料，对所述二氧化钛层进行第二染料吸附阶段，其中第二染料吸附阶段的温度例如在20℃～70℃之间。此外，所述有机染料的分子呈现长链型，且其一端为COOH官能团或其盐类，其中有机染料的分子量(FW)例如在200～700之间。由于第二染料吸附阶段可填补二氧化钛层中的空隙，所以不但可以增加光电转换效率，还可以避免因为过多的二氧化钛层的空隙直接接触到电解液，造成暗电流也跟着加大，继而可以扩大染料敏化太阳能电池的可用性。此外，在步骤306之后还可进行步骤304与步骤306至少一步，其中每一有机染料吸附阶段可使用相同或者不同的有机染料，尤其是当各个有机染料吸附阶段使用的有机染料具有不同的吸收波长范围时，还能使染料敏化太阳能电池的吸收光的范围变大。

以下实验是针对本发明的多重吸附技术与现有技术单一吸附技术在光电转换效率上的差异作比较。

【实验一】

首先，准备两个在表面涂布有一层透明导电氧化物(TCO)的透明导电基板，然后分别在其上形成一层二氧化钛(TiO₂)层。其中一片透明导电基板(后称“比较基板”)使用N719染料在50oC～70℃之间进行染料吸附；另一片透明导电基板(后称“实例基板”)则使用N719染料在50℃～70℃之间进行第一染料吸附阶段1.5小时。然后，以乙睛(AN)清洗实例基板，以去除残留的染料。接着，再将实例基板置于有机染料F-1(C₃₇H₂₈N₂O₂，FW＝532)中，在50℃～70℃之间吸附0.5小时，而得到本发明的工作电极。

图4是实验一的多重吸附的工作电极(本发明)与现有技术单一吸附的工作电极的电性分析曲线图。下表一则为图4显示的效率提高数据。

表一

	V_oc(V)	J_sc(mA/cm²)	FF	η(％)
					本发明(多重吸附)	0.748	14.00	0.623	6.52
现有技术(单一吸附)	0.727	12.74	0.670	6.20

从图4和表一可知，根据本发明的多重吸附的技术所制作的工作电极能提高染料敏化太阳能电池的效能。

【实验二】

二氧化钛(TiO₂)层涂布方式与【实验一】相同，制作出四片相同条件的二氧化钛层在导电基板，一片为比较基板，三片为实例基板。比较基板浸泡染料条件与【实验一】相同，实例基板则使用N719染料在50℃～70℃之间进行第一染料吸附阶段1.5小时。然后，以乙睛(AN)清洗实例基板。去除残留的染料后，分别浸染至三种不同有机染料F-1(C₃₇H₂₈N₂O₂，Fw＝532)、F-T1(C₄₁H₃₀N₂O₂S，FW＝614)以及F-C1(C₆₂H₆₄N₂O₂S₂，FW＝933)，在20℃～40℃之间进行第二染料吸附阶段，持续时间1.5小时。

图5是实验二的多重吸附的工作电极(本发明)与现有技术单一吸附的工作电极的电性分析曲线图。下表二则为图5显示的效率提高数据。

表二

	V_oc(V)	J_sc(mA/cm²)	FF	η(％)
					F-T1 C₄₁H₃₀N₂O₂S(多重吸附)	0.785	12.50	0.694	6.81
F-1 C₃₇H₂₈N₂O₂(多重吸附)	0.787	12.34	0.703	6.83
					F-C1 C₆₂H₆₄N₂O₂S₂(多重吸附)	0.620	6.34	0.728	2.86
现有技术(单一吸附)	0.798	12.05	0.698	6.71

从图5和表二可知对二氧化钛层而言，分子量(FW)在200～700之间的有机染料有利于提升染料敏化太阳能电池效能。

综上所述，本发明将不同染料依照分段吸附的方法，一起吸附在染料敏化太阳能电池的工作电极的金属氧化物层，故可增加染料吸附含量，进而提高光电转换率；或是对工作电极进行修饰。此外，本发明还可利用分段吸附技术，使染料敏化太阳能电池具有宽范围波长吸收特性的效果。

虽然本发明已以优选实施例披露如上，然其并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域中的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，应可作任意更动与润饰，因此，本发明的保护范围应以所附权利要求书所限定的范围为准。

Claims

1.一种染料敏化太阳能电池的工作电极的制作方法，其特征在于：所述制作方法包括：

在透明导电基板上形成金属氧化物层；

使用金属络合物染料，对该金属氧化物层进行第一染料吸附阶段；以及

使用有机染料，对该金属氧化物层进行第二染料吸附阶段。

2.如权利要求1所述的染料敏化太阳能电池的工作电极的制作方法，其中在该第二染料吸附阶段之后，还包括进行至少一段有机染料吸附阶段。

3.如权利要求2所述的染料敏化太阳能电池的工作电极的制作方法，其中该有机染料吸附阶段与该第二染料吸附阶段使用相同的有机染料。

4.如权利要求2所述的染料敏化太阳能电池的工作电极的制作方法，其中该有机染料吸附阶段与该第二染料吸附阶段使用不同的有机染料。

5.如权利要求4所述的染料敏化太阳能电池的工作电极的制作方法，其中该有机染料吸附阶段与该第二染料吸附阶段所使用的有机染料具有不同的吸收波长范围。

6.如权利要求1所述的染料敏化太阳能电池的工作电极的制作方法，其中该有机染料的分子呈现长链型，且该有机染料的一端为COOH官能团或其盐类。

7.如权利要求6所述的染料敏化太阳能电池的工作电极的制作方法，其中该有机染料的分子量在200～700之间。

8.如权利要求1所述的染料敏化太阳能电池的工作电极的制作方法，其中该透明导电基板表面涂布有透明导电氧化物。

9.如权利要求8所述的染料敏化太阳能电池的工作电极的制作方法，其中该透明导电氧化物包括掺杂F的二氧化锡或掺杂Al的氧化锌。

10.如权利要求1所述的染料敏化太阳能电池的工作电极的制作方法，其中该金属氧化物层的材料包括TiO₂、SiO₂、ZnO、ZrO₂或Al₂O₃。

11.如权利要求1所述的染料敏化太阳能电池的工作电极的制作方法，其中该金属络合物染料包括钌、锇、铁、钷、铂或锌的金属络合物染料。

12.一种染料敏化太阳能电池的工作电极的制作方法，包括：

在透明导电基板上形成二氧化钛层；

使用钌金属络合物染料对该二氧化钛层进行第一染料吸附阶段；

清洗该基板，以去除残留的该钌金属络合物染料；以及

使用有机染料对该二氧化钛层进行第二染料吸附阶段，其中该有机染料的分子呈现长链型，且该有机染料的一端为COOH官能团或其盐类。

13.如权利要求12所述的染料敏化太阳能电池的工作电极的制作方法，其中清洗该基板的方法包括使用乙腈或是丙酮进行清洗。

14.如权利要求12所述的染料敏化太阳能电池的工作电极的制作方法，其中该第一染料吸附阶段的温度为50℃～70℃。

15.如权利要求12所述的染料敏化太阳能电池的工作电极的制作方法，其中该第二染料吸附阶段的温度为20℃～70℃。

16.如权利要求12所述的染料敏化太阳能电池的工作电极的制作方法，其中该有机染料的分子量在200～700之间。

17.如权利要求12所述的染料敏化太阳能电池的工作电极的制作方法，其中在该第二染料吸附阶段之后，还包括进行至少一段有机染料吸附阶段。

18.如权利要求17所述的染料敏化太阳能电池的工作电极的制作方法，其中该有机染料吸附阶段与该第二染料吸附阶段使用相同的有机染料。

19.如权利要求17所述的染料敏化太阳能电池的工作电极的制作方法，其中该有机染料吸附阶段与该第二染料吸附阶段使用不同的有机染料。

20.如权利要求19所述的染料敏化太阳能电池的工作电极的制作方法，其中该有机染料吸附阶段与该第二染料吸附阶段所使用的有机染料具有不同的吸收波长范围。

21.如权利要求12所述的染料敏化太阳能电池的工作电极的制作方法，其中该透明导电基板表面涂布有透明导电氧化物。

22.如权利要求21所述的染料敏化太阳能电池的工作电极的制作方法，其中该透明导电氧化物包括掺杂F的二氧化锡或掺杂Al的氧化锌。