CN102456480A

CN102456480A - 太阳电池结构

Info

Publication number: CN102456480A
Application number: CN2010105229381A
Authority: CN
Inventors: 李坤穆; 李佳桦; 邱伟豪; 洪诠雅
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2010-10-20
Filing date: 2010-10-20
Publication date: 2012-05-16

Abstract

本发明公开了一种太阳电池结构，包括导电基板、透光导电基板、容置空间、工作电极层及导光通道层，其中，该导电基板与透光导电基板间形成充填有电解质的该容置空间。该工作电极层位于该容置空间中并设置于该导电基板的承载面。该导光通道层设置于该工作电极层及该透光导电基板间，以作为经由该透光导电基板透射进入的光线的行进通道，以使该光线到达该工作电极层以产生工作电流。本发明的太阳电池结构避免了因部份光线先行被电解质吸收而导致光电转换效率偏低的问题。其次，由于本发明的导光通道层还可避免工作电极层及透光导电基板的对电极不慎发生接触，故还具有避免电池发生短路的功效。

Description

太阳电池结构

技术领域

本发明涉及一种太阳电池结构，尤其涉及一种用于染料敏化太阳电池中能有效增加入射光量及防止电池短路的太阳电池结构。

背景技术

近年来由于能源使用过度，各国政府纷纷提倡节能减碳的政策，而各种节能减碳的政策中，又以开发环保的太阳能最受到重视。因此，现今业界的技术研发重点也多集中在可利用太阳能产生电能的太阳电池结构上。

图1绘示一种利用染料敏化原理以背照的方式产生电能的太阳电池结构1，其主要的工作原理是利用由透光导电基板12透射入的光线来激发工作电极层11吸附的光敏染料分子以发出电子，而被激发出的电子则可形成工作电流并经由导电基板10传输至相关的外部组件上，借此达到将光能转换为电能的功效。

然而，如图1所示的太阳电池结构1多存有转换效率偏低的问题，其原因是因为光线在入射至工作电极层11前，必须先通过位于工作电极层11与透光导电基板12间的容置空间13，然而，充填于容置空间13中的电解质，会将部分的光线(例如波长介于400-500nm间的光线)予以吸收，因而减少了可入射至工作电极层11上的光线总量。由于光电转换的效率直接取决于可入射至工作电极层11上的光线总量，因此在部份的光线已被电解质吸收的前提下，太阳电池结构1的光电转换效率必然不甚理想。

除此之外，太阳电池结构1还存有容易发生短路的缺点，例如，当导电基板10与透光导电基板12以可弯折的软性材质制成时，工作电极层11则很容易因过度弯曲而不慎接触到镀于透光导电基板12上的导电层(未图示)，进而导致短路现象的产生。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种光线于入射的过程中能有效避免被电解质中的氧化/还原对吸收的太阳电池结构。

本发明的另一目的在于提供一种能防止两极接触造成电池发生短路的太阳电池结构。

为了达到上述目的及其它目的，本发明提供一种太阳电池结构，包括导电基板，具有承载面，该承载面的表面设置有工作电极层；透光导电基板，相对于该导电基板的该承载面设置，用以供光线透射与催化电解质中的氧化/还原对，该承载面及该透光导电基板间形成容置空间，该容置空间充填有电解质；以及导光通道层，设置于该容置空间中，且介于该工作电极层及该透光导电基板间，用以供由该透光导电基板透射进入的光线作为行进通道，进而以不经由该容置空间中的电解质的方式入射至该工作电极层，以令该工作电极层产生工作电流并将其传递至该导电基板。

其中，该导电基板为钛板、不锈钢板、镍板、或铝板，且形成为片状结构、具有孔洞的片状结构、或网状结构。

其中，该透光导电基板的表面镀有导电层，且该导电层为白金、碳、导电高分子，或前述材料的混合。

其中，该工作电极层为以二氧化钛、氧化锌、二氧化锡或前述材料的混合，且更包含光敏染料分子所制成者。

其中，该导光通道层的光线折射系数，趋近于或等于该电解质所包含的溶剂的光线折射系数。

其中，该导光通道层的材料包含二氧化硅颗粒、二氧化硅柱体、二氧化锆颗粒、二氧化锆柱体，或前述材料的混合。

其中，该透光导电基板、该导光通道层、该工作电极层及该导电基板形成为对应的管状结构，且该形成为管状结构的透光导电基板的管径大于该形成为管状结构的导电基板的管径。

其中，该透光导电基板、该导光通道层、该工作电极层及该导电基板形成为对应的管状结构，且该形成为管状结构的导电基板的管径大于该形成为管状结构的透光导电基板的管径。

此外，本发明还提供一种太阳电池结构，包括导电基板，其具有第一承载面及第二承载面，其中，该第一承载面的表面设置有第一工作电极层，该第二承载面的表面设置有第二工作电极层；第一透光导电基板，相对于该导电基板的第一承载面而设置，用以供光线透射，该第一承载面及该第一透光导电基板间形成第一容置空间，该第一容置空间充填有电解质；第二透光导电基板，相对于该导电基板的第二承载面而设置，用以供光线透射，而该第二承载面及该第二透光导电基板间形成第二容置空间，该第二容置空间充填有电解质；第一导光通道层，设置于该第一容置空间中，且介于该第一工作电极层及该第一透光导电基板间，用以供由该第一透光导电基板透射进入的光线作为行进通道，进而以不经由该第一容置空间中的电解质的方式入射至该第一工作电极层，以令该第一工作电极层产生工作电流并将其传递至该导电基板；以及第二导光通道层，设置于该第二容置空间中，且介于该第二工作电极层及该第二透光导电基板间，用以供由该第二透光导电基板透射进入的光线作为行进通道，进而以不经由该第二容置空间中的电解质的方式入射至该第二工作电极层，以令该第二工作电极层产生工作电流并将其传递至该导电基板。

其中，该第一及第二透光导电基板的表面镀有导电层，且该导电层为白金、碳、导电高分子，或前述材料的混合。

其中，该第一及第二工作电极层为以二氧化钛、氧化锌、二氧化锡或前述材料的混合，且更包含光敏染料分子所制成者。

其中，该第一及第二导光通道层的光线折射系数，分别趋近于或等于该第一及第二容置空间中的电解质所包含的溶剂的光线折射系数。

其中，该第一及第二导光通道层的材料包含二氧化硅颗粒、二氧化硅柱体、二氧化锆颗粒、二氧化锆柱体，或前述材料的混合。

其中，该第一及第二透光导电基板、该第一及第二导光通道层、该第一及第二工作电极层，以及该导电基板形成为对应的管状结构，且该形成为管状结构的第一透光导电基板的管径大于该形成为管状结构的导电基板的管径，该形成为管状结构的导电基板的管径大于该形成为管状结构的第二透光导电基板的管径。

据此，相较于现有技术，本发明的太阳电池结构由于具有设置于工作电极层及透光导电基板间的导光通道层，所以由透光导电基板透射入的光线可以该导光通道层作为行进通道，进而以不经由电解质的方式入射至工作电极层上，避免了因部份光线先行被电解质吸收而导致光电转换效率偏低的问题。其次，由于本发明的导光通道层还可避免工作电极层及透光导电基板的对电极不慎发生接触，故还具有避免电池发生短路的功效。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为现有技术的太阳电池结构的剖面结构图；

图2A为本发明太阳电池结构的第一实施例的剖面结构图；

图2B为图2A的太阳电池结构形成为管状结构的一立体示意图；

图2C为图2B的太阳电池结构的应用配置图；

图2D为图2A的太阳电池结构形成为管状结构的另一立体示意图；

图3A为本发明太阳电池结构的第二实施例的剖面结构图；

图3B为图3A的太阳电池结构形成为管状结构的立体示意图；以及

图4为本发明太阳电池结构与现有太阳电池结构的入射光光电转换效率及光线波长关系的实验结果图。

其中，附图标记：

1、2、2’、2”、3、3’：太阳电池结构

10、20、30：导电基板

20a：承载面

11、21：工作电极层

12、22：透光导电基板

13、23：容置空间

24：导光通道层

30a：第一承载面

30b：第二承载面

31a：第一工作电极层

31b：第二工作电极层

32a：第一透光导电基板

32b：第二透光导电基板

33a：第一容置空间

33b：第二容置空间

34a：第一导光通道层

34b：第二导光通道层

4：光线反射装置

40：反射材料层

5：光线散射层

L1、L2：曲线

具体实施方式

以下是通过特定的具体实施型态说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明也可通过其它不同的具体实施型态加以施行或应用。

请参阅图2A，为本发明的太阳电池结构2的剖面结构图。如图所示，太阳电池结构2形成平板状，且包括导电基板20、工作电极层21、透光导电基板22、容置空间23、及导光通道层24。

导电基板20具有承载面20a，该承载面20a的表面设置有工作电极层21，于本实施例中，导电基板20可为钛板、不锈钢板、镍板、或铝板，且选择性地形成片状结构、具有孔洞的片状结构、或网状结构。而工作电极层21可为二氧化钛(TiO₂)、氧化锌(ZnO)、二氧化锡(SnO₂)或前述材料的混合材料所制成的纳米结构，其结构除了可形成为如本图所示的纳米粒子状结构外，也可一部分或全部形成为纳米条状结构(未图标)。其次，工作电极层21更可吸附有用以提供激发电子的光敏染料分子，例如钌、锇、铁、鉯、铂或锌的金属错合物；或是不含金属的有机化合物，例如花青素或叶绿素。

透光导电基板22，相对于导电基板20的承载面20a而设置，也即，设置于导电基板20承载有工作电极层21的一侧，用以供光线从外部透射，而透光导电基板22面向工作电极层21的表面更可镀有以白金(Pt)、碳(carbon)、导电高分子，或白金、碳、与导电高分子的混合材料所制成的导电层(未图示)，且承载面20a及透光导电基板22间形成充填有电解质(未图示)的容置空间23，其中，该电解质包含了例如为I^-/I^3-、Br^-/Br^3-、Co²⁺/Co³⁺的氧化/还原对。

导光通道层24设置于容置空间23中，且介于工作电极层21及透光导电基板22间，用以供由透光导电基板22透射进入的光线作为行进通道，进而使该光线以不经由容置空间23中的电解质的方式直接入射至工作电极层21上，且大量减少光线与电解质的接触机会，以令工作电极层21有效率地产生工作电流并将其传递至导电基板20。该导光通道层的材料的光线折射系数，趋近于或等于该电解质所包含的溶剂的光线折射系数，例如当电解质的溶剂为乙腈(acetonitrile，光线折射率系数1.34)、3-甲氧基丙腈(3-methoxypropionitrile，光线折射率系数1.40)、γ-丁内酯(γ-butyrolactone，光线折射率系数为1.43)、或碳酸丙烯酯(propylene carbonate，光线折射率系数1.42)时，该导光通道层的材料可为光线折射率系数相近者，例如二氧化硅(SiO₂，光线折射率系数1.46)、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate，PMMA，光线折射率系数1.49)、或二氧化锆(ZrO₂，光线折射率系数1.93)，于本实施例中，导光通道层24的材料包含二氧化硅(SiO₂)、二氧化锆(ZrO₂)、或其混合材料所制成的纳米结构，且具有透明与绝缘的物理特性，而其结构除了可形成为如本图所示的纳米粒子状结构外，也可一部或全部形成为纳米条状结构(未图标)，也即，导光通道层24的材料可包含二氧化硅(SiO₂)颗粒、二氧化硅柱体、二氧化锆(ZrO₂)颗粒、二氧化锆柱体，或前述材料的混合。

具体而言，由于本实施例的太阳电池结构2较图1所示的太阳电池结构1增设了透明的导光通道层24，所以可提供由透光导电基板22透射进入容置空间23的光线作为行进通道，令该光线以不与容置空间23中的电解质接触的形式直接入射至工作电极层21上，避免了现有技术中部份光线会被电解质中的氧化/还原对吸收掉的缺失，进而有效地增加了入射至工作电极层21的光线总量，进一步提高光电转换的效率。值得一提的是，导光通道层24的光线折射系数，可设计为趋近于或等于容置空间23内的电解质中所包含的溶剂的光线折射系数，借此，可使光线能更顺利地入射至工作电极层21上，避免因光线折射系数差异过大而导致入射光线产生折射或散射。

再者，由于导光通道层24具有绝缘特性，所以可将导光通道层24视为介于工作电极层21与透光导电基板22上的对电极(未图示)间的电性隔离层，降低工作电极层21与透光导电基板22上的导电层(未图示)误触的机会，换言之，即便将太阳电池结构2设计成具可绕性的软性平板结构，也不会令电池的两极得以接触，进而避免了因两极接触而导致电池发生短路的缺失。

需补充的是，导电基板20、工作电极层21、透光导电基板22、容置空间23、及导光通道层24，可随着设计者的需求形成为圆柱形的管状结构，以构成如图2B所示的太阳电池结构2’。于图2B所示的太阳电池结构2’中，透光导电基板22的管径，依序大于导光通道层24、工作电极层21、导电基板20的管径。当然，太阳电池结构2’也可随着不同的使用需求而设计为三角形、方形或多角形的管状结构。

实际实施时，太阳电池结构2’的透光导电基板22外围，还可套设有光线反射装置4，如图2C所示，而光线反射装置4面对透光导电基板22的表面铺设有反射材料层40，借此，可将环境中的光线反射至透光导电基板22，以增加可透射过透光导电基板22的光线总量。于一实施态样中，光线反射装置4形成为中心角度例如为45度的圆锥体，而太阳电池结构2’则设置于光线反射装置4的内中心线(未图示)上，以达到较佳的反射效率。

另外，导电基板20、工作电极层21、透光导电基板22、容置空间23、及导光通道层24，也可随着设计者的需求，形成为如图2D所示的太阳电池结构2”。太阳电池结构2”与太阳电池结构2’的差别在于，太阳电池结构2”的透光导电基板22的管径，依序小于导光通道层24、工作电极层21、及导电基板20的管径，也即，太阳电池结构2”的管状结构内外部的设置顺序与太阳电池结构2’相反。其次，太阳电池结构2”的透光导电基板22的管芯区域中(即管状结构中间的空心区域)，复可设置有例如为光纤的光线散射层5，借此，光线可由光线散射层5来提供并透射过透光导电基板22。当然，太阳电池结构2”也可随着不同的需求设计为三角形、方形或多角形的管状结构。而光线散射层5也可随着设置环境的改变而予以调整，例如，若光线含量于太阳电池结构2”的设置环境中相当充足，则可一部或全部移除掉光线散射层5。

第一实施例：

步骤1.制备工作电极：配制二氧化钛浆料，以网印方式制备二氧化钛电极层(厚度18微米)、图案化银线及保护银线的玻璃胶至透明导电基板(FTO/glass)后，送入高温炉于500℃进行烧结30分钟。

步骤2.配制二氧化硅(SiO₂)浆料，以网印方式将二氧化硅制备于步骤1的二氧化钛电极层上，二氧化硅厚度约10微米，作为导光通道层。

步骤3.将步骤1与步骤2中所制备好的工作电极，放进入高温炉中以500oC进行烧结30分钟。

步骤4.制备对电极：以网印方式制备白金对电极、图案化银线及保护银线的玻璃胶至透明导电基板(FTO/glass)后，送入高温炉于500℃进行烧结30分钟。

步骤5.将步骤3中的电极浸泡于3×10^-4M的N719染料溶液中，于室温下浸泡24小时后，以丙酮清洗后静置风干。

步骤6.将步骤4中的对电极与步骤5已吸附染料且配置有导光通道层的工作电极以热塑型塑料进行对组粘合，并将含有I-/I^3-作为氧化/还原电子对且溶于乙腈(acetonitrile)的电解液注入两电极间并封装后，进行入射光光电转换效率(incident photon-to-electron conversion efficiency，IPCE)测试。

第二实施例：

请参阅图3A，其绘示本发明的太阳电池结构的另一实施例的剖面结构图。如图所示，太阳电池结构3包括导电基板30、设置于导电基板30的第一承载面30a上的第一工作电极层31a、设置于导电基板30的第二承载面30b上的第二工作电极层31b、设置于导电基板30承载有第一工作电极层31a的一侧的第一透光导电基板32a、设置于导电基板30承载有第二工作电极层31b的一侧的第二透光导电基板32b、形成于第一承载面30a及第一透光导电基板32a间且充填有电解质(未图示)的第一容置空间33a、形成于第二承载面30b及第二透光导电基板32b间且充填有电解质(未图示)的第二容置空间33b、设置于第一容置空间33a中且位于第一工作电极层31a及第一透光导电基板32a间的第一导光通道层34a、以及设置于第二容置空间33b中且位于第二工作电极层31b及第二透光导电基板32b间的第二导光通道层34b。

在此先提出说明的是，太阳电池结构3与前述第一实施例的太阳电池结构2的主要差别，在于太阳电池结构3于导电基板30的两侧都设置了工作电极层、导光通道层、容置空间、及透光导电基板，也即为双面电池结构，而太阳电池结构2则为单面电池结构。

于本实施例中，由于光线可同时从位于导电基板30两侧的第一透光导电基板32a及第二透光导电基板32b予以透射，故于理想的实施状态下，太阳电池结构3所产生的工作电流量，可至少为太阳电池结构2所产生的工作电流量的两倍。

值得注意的是，导电基板30、第一工作电极层31a、第二工作电极层31b、第一透光导电基板32a、第二透光导电基板32b、第一容置空间33a、第二容置空间33b、第一导光通道层34a、及第二导光通道层34b，也可形成为管状结构，以构成如图3B所示的太阳电池结构3’，其中，第一透光导电基板32a的管径可依序大于第一导光通道层34a、第一工作电极层31a、导电基板30、第二工作电极层31b、第二导光通道层34b、及第二透光导电基板32b的管径。当然，太阳电池结构3’的第二透光导电基板32b的管芯区域中，也可选择性地设置光线散射层5。再者，太阳电池结构3’也可选择性地设置于如前述实施例的光线反射装置4的内中心在线，以通过光线反射装置4的反射材料层40增加可透射过透光导电基板32a的光线总量。

最后，请参阅图4，其绘示本发明的太阳电池结构与现有的太阳电池结构的光电转换效率及光线波长关系的实验结果图，于本图式中，曲线L1是依据本发明的太阳电池结构的实验结果予以绘制，而曲线L2则依据现有不具有导光通道层的太阳电池结构的实验结果予以绘制。相较之下即可清楚地得知，于相同光线波长下，本发明的太阳电池结构的入射光光电转换效率(incidentphoton-to-electron conversion efficiency，IPCE)，明显地高于现有的太阳电池结构，故本发明确实提供了实质的技术增益。

综上所述，由于本发明的太阳电池结构具有设置于工作电极层及透光导电基板间的导光通道层，所以由透光导电基板透射入的光线可以该导光通道层作为行进通道，进而以不经由电解质的方式入射至工作电极层上，避免因部份光线先行被电解质吸收而降低光电转换效率的问题。另外，本发明具有的导光通道层更可进一步避免电池发生短路的情形。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims

1.一种太阳电池结构，其特征在于，包括：

导电基板，具有承载面，该承载面的表面设置有工作电极层；

透光导电基板，相对于该导电基板的该承载面而设置，用以供光线透射，其中，该承载面及该透光导电基板间形成容置空间，该容置空间充填有电解质；以及

导光通道层，设置于该容置空间中，且介于该工作电极层及该透光导电基板间，作为经由该透光导电基板透射进入的光线的行进通道，以令该光线到达该工作电极层而产生工作电流。

2.根据权利要求1所述的太阳电池结构，其特征在于，该导电基板为钛板、不锈钢板、镍板、或铝板，且形成为片状结构、具有孔洞的片状结构、或网状结构。

3.根据权利要求1所述的太阳电池结构，其特征在于，该透光导电基板的表面镀有导电层，且该导电层为白金、碳、导电高分子，或前述材料的混合。

4.根据权利要求1所述的太阳电池结构，其特征在于，该工作电极层为以二氧化钛、氧化锌、二氧化锡或前述材料的混合，且更包含光敏染料分子。

5.根据权利要求1所述的太阳电池结构，其特征在于，该导光通道层的光线折射系数，趋近于或等于该电解质所包含的溶剂的光线折射系数。

6.根据权利要求1所述的太阳电池结构，其特征在于，该导光通道层的材料包含二氧化硅颗粒、二氧化硅柱体、二氧化锆颗粒、二氧化锆柱体，或前述材料的混合。

7.根据权利要求1所述的太阳电池结构，其特征在于，该透光导电基板、该导光通道层、该工作电极层及该导电基板形成为对应的管状结构，且该形成为管状结构的透光导电基板的管径大于该形成为管状结构的导电基板的管径。

8.根据权利要求1所述的太阳电池结构，其特征在于，该透光导电基板、该导光通道层、该工作电极层及该导电基板形成为对应的管状结构，且该形成为管状结构的导电基板的管径大于该形成为管状结构的透光导电基板的管径。

9.一种太阳电池结构，其特征在于，包括：

导电基板，具有第一承载面及第二承载面，其中，该第一承载面的表面设置有第一工作电极层，该第二承载面的表面设置有第二工作电极层；

第一透光导电基板，相对于该导电基板的第一承载面设置，用以供光线透射，其中，该第一承载面及该第一透光导电基板间形成第一容置空间，该第一容置空间充填有电解质；

第二透光导电基板，相对于该导电基板的第二承载面而设置，用以供光线透射，其中，该第二承载面及该第二透光导电基板间形成第二容置空间，该第二容置空间充填有电解质；

第一导光通道层，设置于该第一容置空间中，且介于该第一工作电极层及该第一透光导电基板间，作为经由该第一透光导电基板透射进入的光线的行进通道，以使该光线到达该第一工作电极层而产生工作电流；以及

第二导光通道层，设置于该第二容置空间中，且介于该第二工作电极层及该第二透光导电基板间，作为经由该第二透光导电基板透射进入的光线的行进通道，以使该光线到达该第二工作电极层而产生工作电流。

10.根据权利要求9所述的太阳电池结构，其特征在于，该导电基板为钛板、不锈钢板、镍板、或铝板，且形成为片状结构、具有孔洞的片状结构、或网状结构。

11.根据权利要求9所述的太阳电池结构，其特征在于，该第一及第二透光导电基板的表面镀有导电层，且该导电层为白金、碳、导电高分子，或前述材料的混合。

12.根据权利要求9所述的太阳电池结构，其特征在于，该第一及第二工作电极层为以二氧化钛、氧化锌、二氧化锡或前述材料的混合，且更包含光敏染料分子。

13.根据权利要求9所述的太阳电池结构，其特征在于，该第一及第二导光通道层的光线折射系数，分别趋近于或等于该第一及第二容置空间中的电解质所包含的溶剂的光线折射系数。

14.根据权利要求9所述的太阳电池结构，其特征在于，该第一及第二导光通道层的材料包含二氧化硅颗粒、二氧化硅柱体、二氧化锆颗粒、二氧化锆柱体，或前述材料的混合。

15.根据权利要求9所述的太阳电池结构，其特征在于，该第一及第二透光导电基板、该第一及第二导光通道层、该第一及第二工作电极层，以及该导电基板形成为对应的管状结构，且该形成为管状结构的第一透光导电基板的管径大于该形成为管状结构的导电基板的管径，该形成为管状结构的导电基板的管径大于该形成为管状结构的第二透光导电基板的管径。