CN101728091B - 太阳能电池的电解液与染料敏化太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

一种太阳能电池的电解液,其含有至少一种发光物质的电解液,其中所述发光物质的发射波长大于400nm。由于太阳能电池的电解液中添加有发光物质,所以原本未被利用的光将被吸收,并利用发光物质的发光特性,继而发射波长较长的光,使太阳能电池再次利用放出来的光,提高光利用率,达到更高的效率。

Description

太阳能电池的电解液与染料敏化太阳能电池
【技术领域】
本发明涉及一种太阳能电池的电解液(electrolyte),且特别是涉及一种太阳能电池的电解液与染料敏化太阳能电池(Dye-Sensitized Solar Cell,DSSC)。
【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
Figure G2008101694476D0001163637QIETU
提出一种所谓的染料敏化太阳能电池(DSSC),其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。
尽管上述染料敏化太阳能电池的架构已具备部分商品化条件,但仍有许多问题需要克服。例如:一般染料敏化太阳能电池所用的电解液,不外乎利用碘与三碘离子(I3 -)作为氧化还原对来还原染料,然而当光通过二氧化钛工作电极时或是经由电解池时,都有部份不能被利用。因此,在光利用率上仍有改进空间。
【发明内容】
本发明提供一种太阳能电池的电解液,可再利用被浪费的光,以提供更高的光电转换率。
本发明另提供一种染料敏化太阳能电池(DSSC),可提高电池的稳定性,继而扩大染料敏化太阳能电池的可用性。
本发明提出一种太阳能电池的电解液,包括含有至少一种发光物质(luminescent material)的电解液,其中所述发光物质的发射波长大于400nm。
本发明另提出一种染料敏化太阳能电池(DSSC),包括工作电极、对电极以及电解液。其中,对电极相对工作电极配置,而电解液位于工作电极与对电极之间。而且,电解液含有至少一种发光物质,其中所述发光物质的发射波大于400nm。
在本发明的实施例中,上述发光物质的发射波长在大于400nm且小于600nm。
在本发明的实施例中,上述发光物质例如是选自8-羟基喹啉铝(AlQ3)及其衍生物以及Ir(bpy)3所组成的族群中的一种发光材料。
在本发明的实施例中,上述发光物质包括有机无机混成的发光材料。
在本发明的实施例中,上述发光物质占所述电解液的总量的1%~10%。
在本发明的实施例中,上述电解液包括液态电解液、胶态电解液或固态电解液。
在本发明的实施例中,上述电解液所含的发光物质包括有机化合物或无机化合物。
在本发明的实施例中,上述对电极包括镀有铂的透明导电基板。
在本发明的实施例中,上述工作电极包括透明导电基板以及形成于透明导电基板表面的金属氧化物薄膜,其中金属氧化物薄膜载有染料。
在本发明的实施例中,上述染料包括钌、锇、铁、钷(illinium)、铂或锌的金属络合物。
在本发明的实施例中,上述染料包括不含金属的有机化合物。
在本发明的实施例中,上述金属氧化物薄膜的材料包括TiO2、ZnO、Al2O3、SiO2或TixAlyOz(x=1~3,y=1~3,z=1~6)。
在本发明的实施例中,上述透明导电基板包括透明导电玻璃、塑料基材或金属基材。
本发明因为在太阳能电池的电解液中添加发光物质,所以可将被浪费的光再次利用,如此使染料可以再次吸收到更多的光,而提高光电转换率。另外,本发明的发光物质可以抑制电解液中因光而造成的部分副反应,因此可以提高电池的稳定性,继而扩大染料敏化太阳能电池的可用性。
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2是依照本发明的一实施例的一种染料敏化太阳能电池的剖面示意图。
图3是依照本发明的实验例一与对照例一的电性分析曲线图。
图4是依照本发明的实验例二与对照例二的电性分析曲线图。
图5是依照本发明的实验例三与对照例三的电性分析曲线图。
【主要附图标记说明】
100a、100b:透明导电基板
102:二氧化钛(TiO2)层
104:Pt对电极
106:电解液
200:染料敏化太阳能电池
202:工作电极
204:对电极
206:电解液
208:发光物质
210:铂
212、214:透明导电基板
216:金属氧化物薄膜
218:间隔件
220:入射光
222:光照射区域
224:区域
【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2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)的剖面示意图。
请参照图2,本实施例的染料敏化太阳能电池200包括工作电极202、对电极204以及电解液206。其中,对电极204相对工作电极202配置,而电解液206是位于工作电极202与对电极204之间。而且,电解液206含有至少一种发光物质(luminescent material)208,其发射波长大于400nm;举例来说,发光物质208的发射波长可以在440~460nm之间、在520~550nm之间或在580~600nm之间。至于电解液206例如是液态电解液、胶态电解液或固态电解液。而发光物质208则可以是有机化合物或无机化合物。在本实施例中,发光物质208占所述电解液206的总量的1%~10%。
请继续参照图2,在本实施例中的对电极204例如是镀有铂210的透明导电基板212;工作电极202例如是一个透明导电基板214以及一层形成于透明导电基板214表面的金属氧化物薄膜216,其中金属氧化物薄膜216载有染料。上述染料例如为钌、锇、铁、钷、铂或锌的金属络合物;或是不含金属的有机化合物。至于上述金属氧化物薄膜216的材料例如TiO2、ZnO、Al2O3、SiO2或TixAlyOz(x=1~3,y=1~3,z=1~6)。透明导电基板212与214则可以是透明导电玻璃、塑料基材或金属基材。而在对电极204和工作电极202之间设有间隔件(spacer)218,以便封住电解液206。
当入射光220向工作电极202入射时,光照射区域222势必大于金属氧化物薄膜218所涵盖的范围,因此在其中会有未被利用的入射光(以实心箭号代表)从区域224直接入射至电解液206中。此时,电解液206所含的发光物质208会吸收这些未被利用的入射光,而发射波长大于400nm的光(以空心箭号代表)。此外,入射光220就算经过金属氧化物薄膜216也未必会被完全吸收,如UV光。因此,电解液206中的发光物质208同样会吸收这些未被金属氧化物薄膜216吸收的光(以实心箭号代表),而发射波长大于400nm的光(以空心箭号代表)。此外,虽然在图2中是以圆形小粒状表示发光物质208,但是实际上发光物质208是溶解在电解液206中,并因此分布在工作电极202的金属氧化物薄膜216内。
另外,由于金属氧化物薄膜216上吸附的染料可以不同,所以本发明尚可配合不同的染料、使用发射波长不同的发光物质,因此可以更有效地调配其光的利用率,并利用此特性抑制光对电解液206造成的副反应,达到高效与稳定的染料敏化太阳能电池。
以下特举实例并针对本发明的含有至少一种发光物质的电解液与未添加发光物质的电解液所作的电性分析进行比较。
【实验例一】
首先,准备一个透明导电基板,再在其上形成一层二氧化钛(TiO2)层。然后,二氧化钛层在室温吸附N719染料约16~18小时,所述N719染料为([RuL2(NCS)2]:2TBA,其中L是2,2′-联吡啶-4,4′-二羧酸(2,2′-bipyridyl-4,4′-dicarboxylic acid)、TBA是四丁基铵(tetra-n-butylammonium)。然后以乙腈(AN)清洗完毕。接着,将二氧化钛层(亦即,工作电极)与镀有铂(Pt)的对电极组成一个电池,再注入含有发光物质的电解液。其中发光物质是用8-羟基喹啉铝(Aluminum tris(8-hydroxyquinoline),又称AlQ3),实验例一中的电解液是由溶解于乙腈中的0.6M1-甲基-3-丙基咪唑鎓碘化物(1-methyl-3-propylimidazolium iodide,即PMII)/0.05M I2/0.1M LiI/0.5M TBP所构成,且在10毫升电解液中含有1毫克的发光物质。最后封住电解液注入孔,完成染料敏化太阳能电池的制作。
【对照例一】
除了电解液不含发光物质之外,依照【实验例一】的步骤完成对照组的染料敏化太阳能电池。
图3是依照上述实验例(染料敏化太阳能电池中的是内含发光物质的电解液)与对照例(染料敏化太阳能电池中的是现有技术不含发光物质的电解液)的电性分析曲线图。下表一则为图3显示的效率提高数据。
表一
 
Jsc(mA/cm2) Voc(V) FF η(%)
实验例一 16.9 0.769 0.679 8.8
对照例一 14.8 0.8 0.703 8.3
表一中的JSC是指短路电流(short circuit current)、Voc是指开路电压(open circuit voltage)、FF是填充因子(fill-factor)、η是指能量转换效率(conversion efficiency)。
从图3和表一可知,根据本发明的内含发光物质的电解液,能提高太阳能电池效率。
【实验例二】
与【实验例一】制作电池步骤相同,但注入含有不同浓度8-羟基喹啉铝(Aluminum tris(8-hydroxyquinoline),又称AlQ3电解液;讨论发光物质浓度对于电池特性影响。
【对照例二】
除了电解液不含发光物质之外,依照【实验例一】的步骤完成对照组的染料敏化太阳能电池。
图4是依照本发明的多重吸附的工作电极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4显示的效率提高数据。
表二
 
AlQ3浓度(mg/10ml) JSC(mA/cm2) VOC(V) FF η(%)
实验例二-1 1 14.00 0.707 0.650 6.41
实验例二-2 10 12.70 0.711 0.676 6.11
对照例一 12.50 0.693 0.679 5.90
从图4和表二可知,加入浓度1mg/10ml或10mg/10ml的发光物质,都能提升太阳能电池效率。
【实验例三】
二氧化钛层涂布方式与【实验例一】步骤相同,但染料选择Z907,同样注入含有不同浓度8-羟基喹啉铝(Aluminum tris(8-hydroxyquinoline),又称AlQ3电解液;讨论发光物质浓度对于电池特性影响。
【对照例三】
除了电解液不含发光物质之外,依照【实验例一】的步骤完成对照组的染料敏化太阳能电池。
图5是依照本发明的多重吸附的工作电极与现有技术单一吸附的工作电极的电性分析曲线图。下表三则为图5显示的效率提高数据。
表三
 
AlQ3浓度(mg/10ml) JSC(mA/cm2) VOC(V) FF η(%)
实验例三-1 1 13.30 0.699 0.673 6.26
实验例三-2 5 13.10 0.689 0.651 5.86
实验例三-3 10 12.10 0.686 0.639 5.29
对照例三 11.60 0.670 0.670 5.23
从图5和表三可知,加入浓度不同的发光物质作为Z907染料的电解液,一样能提升太阳能电池效率。
综上所述,本发明因为在电解液中添加发光物质,用来吸收未被利用的光,并利用发光物质的发光特性,继而发射波长较长的光,因此可使吸附在二氧化钛上的染料再次利用发光物质放出来的光,获得更高的光利用率,达到更高的效率。此外,由于不同染料可以配合不同波长的发光物质,因此可以更有效地调配其光的利用率,并利用此特性抑制光对电解液造成的副反应,达到高效与稳定的染料敏化太阳能电池。
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 (12)

1.一种太阳能电池的电解液,包括:
含有至少一种发光物质的电解液,其中所述发光物质的发射波长大于400nm且小于600nm,其中所述发光物质是选自8-羟基喹啉铝及其衍生物所组成的族群中的一种发光材料。
2.如权利要求1所述的太阳能电池的电解液,其中所述发光物质占所述电解液的总量的1%~10%。
3.如权利要求1所述的太阳能电池的电解液,其中所述电解液包括液态电解液、胶态电解质或固态电解质。
4.一种染料敏化太阳能电池,包括:
工作电极;
对电极,相对该工作电极配置;以及
电解液,位于该工作电极与该对电极之间,其中该电解液含有至少一种发光物质,其中所述发光物质的发射波长大于400nm且小于600nm,其中所述发光物质是选自8-羟基喹啉铝及其衍生物所组成的族群中的一种发光材料。
5.如权利要求4所述的染料敏化太阳能电池,其中该电解液包括液态电解液、胶态电解质或固态电解质。
6.如权利要求4所述的染料敏化太阳能电池,其中该发光物质占所述电解液的总量的1%~10%
7.如权利要求4所述的染料敏化太阳能电池,其中该对电极包 括镀有铂的透明导电基板。
8.如权利要求4所述的染料敏化太阳能电池,其中该工作电极,包括:
透明导电基板;以及
金属氧化物薄膜,形成于该透明导电基板表面,该金属氧化物薄膜载有染料。
9.如权利要求8所述的染料敏化太阳能电池,其中所述染料包括钌、锇、铁、钷、铂或锌的金属络合物。
10.如权利要求8所述的染料敏化太阳能电池,其中所述染料包括不含金属的有机化合物。
11.如权利要求8所述的染料敏化太阳能电池,其中金属氧化物薄膜的材料包括TiO2、ZnO、Al2O3、SiO2或TixAlyOz,其中x=1~3、y=1~3及z=1~6。
12.如权利要求8所述的染料敏化太阳能电池,其中该透明导电基板包括透明导电玻璃、塑料基材或金属基材。 
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