CN102456481A - 太阳能电池及其电极层结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种太阳能电池及其电极层结构，电极层包含n型层、p型层、以及位于n型层与p型层之间的p-n接面。上述n型层包含改质之n型导电高分子及金属氧化物，两者之间具有化学键结。上述电极层结构可应用于太阳能电池中，特别是多重接面的太阳能电池。另一方面，上述电极层中的层状结构之形成方法均为低温工艺如涂布或印刷法，可降低生产成本。

Description

太阳能电池及其电极层结构
【技术领域】
本发明涉及一种电极层及太阳能电池，特别涉及一种多重电极层及具有该多重电极层的太阳能电池。
【背景技术】
太阳能电池是一种利用太阳光将光能转换为电能的光电半导体元件，通过光照，瞬间就可输出电压及电流。太阳能电池发电是一种可再生的绿色发电方式，发电过程中不会产生二氧化碳等有害气体，可减少对于环境所造成污染。按照其制作材料的不同可分为硅基半导体电池、光敏染料电池、有机材料电池等。
其中，光敏染料太阳能电池(dye sensitized solar cell，简称DSSC)和一般光伏特电池不同的是，DSSC之上基板通常是玻璃或透明可弯曲的聚合箔(polymerfoil)。玻璃上有一层透明导电的氧化物如掺杂氟之氧化锡(SnO2:F，简称FTO)或铟锡氧化物(ITO)。在透明导电物上具有一层约10微米厚的孔洞材料，一般为TiO2粒子(约10～20nm)组成之奈米孔洞薄膜。接着在奈米孔洞薄膜上涂上一层染料如聚吡啶基之钌错合物(ruthenium polypyridyl complex)，即形成所谓的上基板。下基板通常亦是玻璃或透明可弯曲的聚合箔，玻璃上有一层透明导电的氧化物如FTO外，一般为镀上一层铂作为电解质反应的催化物(platinum catalyst)。上下基板之间，则注入含有碘化物之电解质(electrolyte)。虽然目前DSSC的最高转换效率约12％左右，但是制造过程简单，所以一般认为DSSC的问市将大幅降低太阳电池的生产成本，同时伴随的效益亦能降低每度电的电费。
在美国公告之第US 7,094,441号专利中，以溶胶-凝胶法(sol-gel)制备TiO2电极。上述作法极易残留烷氧基(alkoxy)于TiO2电极层中，造成电子不易传输。
另一种现有方法先以无机酸根改质TiO2粒子表面，接着以静电斥力将改质之TiO2粒子吸附于基板上。然而上述作法会有多余的无机酸根残留造成电子不易传输，且吸附之TiO2层与基板之间并无化学键结，极易因外力碰撞造成分层、龟裂、甚至剥落的问题。
在美国公开第US2006/0107994号申请案中，以粘着剂(binder)搭配TiO2粒子，形成浆料后涂布于基板上。接着以高压去除浆料中的粘着剂。但，此高压工艺无法应用于大面积之基板。
另一种去除浆料中粘着剂的方法为高温烧结，但高温烧结无法应用于热稳定性较差的软式基板上。
上述工艺都面临到一个问题，即无法形成一个能兼具于低温、常压工艺、且能制作出大面积、产能好、传输效能佳的电极层，特别是作为电化学式太阳能电池之阳极。综上所述，目前极需新的方法及结构用以形成太阳电池电极，俾利降低工艺时间及成本。
【发明内容】
本发明提供一种电极层结构，包括第一基板；以及第一n型层位于第一基板上，第一n型层包含多个第一金属氧化物与多个第一n型导电高分子交联；其中至少部分第一n型导电高分子与第一金属氧化物之表面之间具有化学键结，至少部分第一n型导电高分子与第一基板表面之间具有化学键结。
本发明亦提供一种太阳能电池，包括第一基板；第一n型层，第一n型层包含多个第一金属氧化物与多个第一n型导电高分子交联，至少部分第一n型导电高分子与第一金属氧化物之表面之间具有化学键结，至少部分第一n型导电高分子与第一基板表面之间具有化学键结；第二基板，相对配置于第一基板；以及第一电解质层，电解质层填充于第一基板与第二基板之间。
本发明亦提供另一种太阳能电池，包括第一基板；至少一电极层，电极层包含：第一n型层，第一n型层包含多个第一金属氧化物与多个第一n型导电高分子交联，至少部分第一n型导电高分子与第一金属氧化物之表面之间具有化学键结，至少部分第一n型导电高分子与第一基板表面之间具有化学键结；第一电解质层位于第一n型层上，且第一电解质层与第一n型层之间具有p-n接面；第一触媒层，位于第一电解质层上；第二n型层位于第一触媒层上，第二n型层包含多个第二金属氧化物与多个第二n型导电高分子交联，至少部分第二n型导电高分子与第二金属氧化物之表面之间具有化学键结，至少部分第二n型导电高分子与第一触媒层表面之间具有化学键结；第二电解质层位于第二n型层上，且第二电解质层与第二n型层之间具有p-n接面；第二触媒层，配置于第二电解质层之上；以及第二基板，相对配置于第一基板。
【附图说明】
图1是本发明一实施例之太阳能电池之电极层结构示意图；
图2A是本发明一实施例之第一n型层之结构示意图；
图2B是本发明一实施例之第二n型层之结构示意图；
图3A是本发明一实施例中第一n型导电高分子与第一金属氧化物之键结示意图；
图3B是本发明一实施例中第二n型导电高分子与第二金属氧化物之键结示意图；
图4A是本发明另一实施例中第一n型导电高分子与第一金属氧化物之键结示意图；
图4B是本发明另一实施例中第二n型导电高分子与第二金属氧化物之键结示意图；
图5是本发明一实施例之太阳能电池之多重电极层结构示意图；以及
图6是本发明一实施例之染料敏化太阳能电池示意图。
【具体实施方式】
本发明提供可应用于太阳能电池之电极层结构，以及对应之制备方法。首先如图1所示，提供一第一基板10，该第一基板10可为透明材质如玻璃或高分子，亦可为反射材质如金属，端视阳光入射方向而定。在本发明一实施例中，第一基板10亦可为可挠性基板，以符合软性元件的需求。
请参考图1至图3B，形成第一n型层11A于第一基板10上。第一n型层11A之厚度较佳介于1μm至50μm之间。第一n型层11A为本发明之关键特征，其组成成分为第一金属氧化物23与第一n型导电高分子21的复合材料，为第一金属氧化物23与第一n型导电高分子21交联而成。在本发明一实施例中，第一金属氧化物23与第一n型导电高分子21之重量比较佳约500∶50000。本发明以化学法或等离子体处理等工艺修饰第一n型导电高分子21之侧链，再进一步接枝适当的功能基，以与第一金属氧化物23表面产制生化学键结。
在本发明一实施例中，将改质后之第一n型导电高分子21及第一金属氧化物23粒子加入一般有机溶剂混合后，即可涂布或印刷于第一基板10上形成第一n型层11A，再将该第一n型层11A浸置于一具有第一染料25之溶液，使该第一染料25吸附于该第一金属氧化物23粒子及填充于部分之第一n型层11A之中。在本发明另一实施例中，将第一金属氧化物23、第一染料25、改质之第一n型导电高分子21单体、及起始剂加入有机溶剂(图未视)后，以光起始或热起始进行聚合反应，形成第一n型导电高分子21与吸附第一染料25之第一金属氧化物23的混合物。接着将上述混合物涂布或印刷于第一基板10上形成第一n型层11A。不论采用何种作法，第一n型导电高分子21侧链改质之酸根或功能基与第一金属氧化物23之表面之间具有化学键结，与第一基板10接触之第一n型导电高分子21其侧链改质之酸根或功能基与第一基板10表面具有化学键结。
第一金属氧化物23与第一n型导电高分子21之间的相对关系如图2A所示，吸附第一染料25之第一金属氧化物23均匀地分散在第一n型导电高分子21组成之网状结构中，且第一金属氧化物23与第一n型导电高分子21之间具有化学键结。如图3A所示，在本发明一实施例中，第一n型导电高分子21的两端分别与两个第一金属氧化物23之表面之间具有化学键结，且每一第一金属氧化物23之表面与多个第一n型导电高分子21之间具有化学键结。如图4A所示，在本发明另一实施例中，多个第一金属氧化物23之表面只与某一第一n型导电高分子具有化学键结。可以理解的是，本发明中第一金属氧化物与第一n型导电高分子之间的型态可为图3A、图4A、其他可能的型态、或上述之组合，取决于第一金属氧化物23与第一n型导电高分子21之间的比例、两者的混合条件、两者的种类、两者的大小、及/或其他可能的参数。宏观来看，不论如何变化第一金属氧化物23与第一n型导电高分子21之间的参数，第一金属氧化物23都可视作均匀的分散于第一n型导电高分子21之中，甚至有部分的第一金属氧化物23会露出复合材料的表面。此外，第一金属氧化物23与第一n型导电高分子21两者之间必然含有化学键结。
上述第一金属氧化物23可包含二氧化钛(TiO2)、二氧化锡(SnO2)、氧化锌(ZnO)、三氧化钨(WO3)、氧化铁(Fe2O3)、五氧化二铌(Nb2O5)、氧化铟锡(ITO)、三氧化二铟(In2O3)、钛酸锶(SrTio3)、一氧化镍(NiO)或上述金属氧化物之组合。第一金属氧化物23之粒径约介于1μm至100μm之间。
上述第一n型导电高分子21之重均分子量较佳介于500至50000间。适用于本发明之第一n型导电高分子21主要分为三种，其结构特征为主链含有共轭之双键与芳香环，上述n型导电高分子之最高占有电子轨域(HOMO)介于-4.5eV至-7.0eV之间，其最低未占有电子轨域(LUMO)介于-3.5eV至-5.0eV之间。
上述第一染料25可为顺-二(硫氰酸酯基)双(2，2’-联吡啶基-4，4’-二羧酸酯基)钌(II)(cis-di(thiocyanato)bis(2，2′-bipyridyl-4，4′-dicarboxylate)ruthenium(II)，简称N3)、顺-双(异硫氰酯基)双(2，2’-联吡啶基-4，4’-二羧酸酯基)钌(II)双四丁基铵盐(cis-bis(isothiocyanato)bis(2，2′-bipyridyl-4，4′-dicarboxylato)-ruthenium(II)bis-tetrabutylammonium，简称N719)、或无金属之有机染料(请参考Angew.Chem.Int.Ed.2009，48，2474-2499)。
接着形成第一电解质层13A于上述之第一n型层11A上，其形成方法可为涂布法。在本发明一实施例中，第一电解质层13A可为胶态电解质如或固态电解质。不论第一电解质层13A属于何种组成，均为电化学电位介于+2.5eV至-0.5eV之间的p型材料。如此一来，第一n型层11A与第一电解质层13A之间将形成p-n接面。上述第一电解质层13A之厚度介于约20nm至10μm之间。
请参照图5，是本发明之另一实施例太阳能电池之多重电极层结构，其接续第一实施例后接着形成第一触媒层15A于第一电解质层13A上，其形成方法可为涂布法。第一触媒层15A之材质可为铂、石墨、碳奈米管、或上述材质之组合，其厚度较佳约介于0.3nm至10nm之间。若第一触媒层15A之厚度过薄，将有工艺上的困难。若第一触媒层15A之厚度过厚，其材质均为反光或吸光材质，可能造成阳光不易穿透。
接着形成一第二n型层11B于第一触媒层15A上，形成方法可为涂布法或印刷法。一般而言，第二n型层11B之组成及尺寸与前述之第一n型层11A大致相同，其差异在于第一n型层11A中的第一金属氧化物23(如第2A至4A图所示)粒径，可不同于第二n型层11B中的第二金属氧化物23’(如第2B至4B图所示)粒径。若阳光之入射方向为图6所示之100时，第一n型层11A中的第一金属氧化物23粒径小于第二n型层11B中的第二金属氧化物23’粒径。相反地，若阳光之入射方向为图6所示之100’时，第一n型层11A中的第一金属氧化物23粒径大于第二n型层11B中的第二金属氧化物23’粒径。这是为了使光在穿过透明基板后，先接触较小粒径之金属氧化物，再接触较大粒径之金属氧化物。经过较大粒子的光散射后能更有效的应用长波长段的光线。全光谱的光波如太阳光，其较短波长的光如蓝光在入射至电池后的穿透距离较短，而较长波长的光如红光在入射电池后的穿透距离较长。如此一来，较短波长且能量较强的光经较小粒径之金属氧化物将会较易被染料吸收。另一方面，较长波长且能量较弱的光经较大粒径之金属氧化物散射后，将增加光线于电极中的光路径，以增加长波长波段的吸收。若先接触光之金属氧化物其粒径大于后接触光之金属氧化物层之粒径，则短波长的光无法搭配距基板较远之粒径较小的金属氧化物，而长波长的光无法搭配距基板较近之粒径较大的金属氧化物。如此一来，将无法达到增加可利用光波长范围的效果。
在本发明一实施例中，第一n型层11A与第二n型层11B内所含的金属氧化物为相同材质。在本发明另一实施例中，第一n型层11A与第二n型层11B内所含的金属氧化物为不同材质。
除了调整金属氧化物粒径以外，亦可采用相同粒径之金属氧化物于第一n型层11A与第二n型层11B中，但两者分别吸附不同吸收波长之染料。如上所述，吸收波长较短之染料应吸附于先接触光的n型层之金属氧化物上，而吸收波长较长之染料应吸附于后接触光的n型层之金属氧化物上。
接着依序形成第二电解质层13B与第二触媒层15B于上述结构上，其形成方法及材料选择如上述，在此不赘述。第二电解质层13B与第二n型层11B之间亦具有p-n接面。
请参阅图6，该图是本发明之一实施例多重接面之太阳能电池，形成另一第二基板17于第二触媒层15B上，并以封装材料封装上述结构后，即形成多重接面之太阳能电池。
上述之第二基板17之材质可为环氧树脂、硅胶、或聚丙烯酸酯等透明材料。若图6之太阳能电池其光入射方向为100，则第一基板10需为透明材质，且可在第二基板17与第二触媒层15B之间夹射反光层状材料，以提高光转换效率。另一方面，若图6之太阳能电池其光入射方向为100’，则第一基板10可采用金属材质之反射基板，第二基板17可为透明材质之材料。此外，若太阳能电池架设于需要采光的位置，则第一基板10及第二基板17均采用透明材质。
值得注意的是，虽然图6中包含两个各自具有p-n接面之子电池，但其仅为说明本发明之一实施态样，可以推知的是子电池数目并不限于两个，可依需求配置多重电极之太阳能能电池。且由于本发明采用低温工艺形成上述多层结构，可依前述之n型层、电解质层、触媒层的循环形成多重接面之太阳能电池，其子电池数目(即p-n接面数目)端视需要而定。
另一实施例中，本发明之太阳能电池亦可只包含单一接面，比如只具有第一基板10、第一n型层11A、第一基板17并将第一电解质层13A填充于第一基板10及第二基板17之间。
因此，不论太阳能电池有多少个子电池，均可采用外部电路分别连接子电池之触媒层(阴极)与n型层(阳极)，使太阳能电池产生之电流驱动连接外部电路之元件。
在上述实施例中，仅对本发明进行了示范性描述，但是本领域技术人员在阅读本专利申请后可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明进行各种修改。

Claims (18)

1.一种电极层结构，其特征在于，包括：
一第一基板；以及
一第一n型层位于该第一基板上，该第一n型层包含多个第一金属氧化物与多个第一n型导电高分子交联；
其中至少部分该多个第一n型导电高分子与该多个第一金属氧化物之表面之间具有化学键结，至少部分该多个第一n型导电高分子与该第一基板表面之间具有化学键结。
2.根据权利要求1所述的电极层结构，其特征在于，该多个第一金属氧化物表面吸附一第一染料。
3.根据权利要求1所述的电极层结构，其特征在于，部分该多个第一n型导电高分子的两端分别与两个第一金属氧化物之表面之间具有化学键结，且部分该多个第一金属氧化物之表面与多个第一n型导电高分子之间具有化学键结。
4.根据权利要求1所述的电极层结构，其特征在于，还包括：
一第一电解质层，其位于该第一n型层上，且该第一电解质层与该第一n型层之间具有p-n接面；及
一第一触媒层，形成于该第一电解质层之上。
5.根据权利要求4所述的电极层结构，其特征在于，还包含：
一第二n型层位于该第一触媒层上，该第二n型层包含多个第二金属氧化物与多个第二n型导电高分子交联，其中至少部分该多个第二n型导电高分子与该多个第二金属氧化物表面之间具有化学键结，至少部分该多个第二n型导电高分子与该第一触媒层表面之间具有化学键结；
一第二电解质层，且该第二电解质层与该第二n型层之间具有p-n接面；及
一第二触媒层，形成配置于该第二电解质层之上。
6.根据权利要求5所述的电极层结构，其特征在于，该多个第一金属氧化物表面吸附一第一染料，且该多个第二金属氧化物表面吸附一第二染料。
7.根据权利要求6所述的电极层结构，其特征在于，该第二染料之吸收波长小于该第一染料之吸收波长。
8.根据权利要求6所述的电极层结构，其特征在于，该第二染料之吸收波长大于该第一染料之吸收波长。
9.根据权利要求5所述的电极层结构，其特征在于，部分该多个第二n型导电高分子的两端分别与两个第二金属氧化物之表面之间具有化学键结，且部分该多个第二金属氧化物之表面与多个第二n型导电高分子之间具有化学键结。
10.一种太阳能电池，其特征在于，包括：
一第一基板；
一第一n型层，该第一n型层包含多个第一金属氧化物与多个第一n型导电高分子交联，至少部分该多个第一n型导电高分子与该多个第一金属氧化物之表面之间具有化学键结，至少部分该多个第一n型导电高分子与该第一基板表面之间具有化学键结；
一第二基板，相对配置于该第一基板；以及
一第一电解质层，该第一电解质层填充于该第一基板与该第二基板之间。
11.根据权利要求10所述的太阳能电池，其特征在于，该多个第一金属氧化物表面吸附一第一染料。
12.根据权利要求10所述的太阳能电池，其特征在于，部分该多个第一n型导电高分子的两端分别与两个第一金属氧化物之表面之间具有化学键结，且部分该多个第一金属氧化物之表面与多个第一n型导电高分子之间具有化学键结。
13.一种太阳能电池，其特征在于，包括：
一第一基板；
至少一电极层，该电极层包含：
一第一n型层，该第一n型层包含多个第一金属氧化物与多个第一n型导电高分子交联，至少部分该多个第一n型导电高分子与该多个第一金属氧化物之表面之间具有化学键结，至少部分该多个第一n型导电高分子与该第一基板表面之间具有化学键结；
一第一电解质层位于该第一n型层上，且该第一电解质层与该第一n型层之间具有p-n接面；
一第一触媒层，位于该第一电解质层上；
一第二n型层位于该第一触媒层上，该第二n型层包含多个第二金属氧化物与多个第二n型导电高分子交联，至少部分该多个第二n型导电高分子与该多个第二金属氧化物之表面之间具有化学键结，至少部分该多个第二n型导电高分子与该第一触媒层表面之间具有化学键结；
一第二电解质层位于该第二n型层上，且该第二电解质层与该第二n型层之间具有p-n接面；
一第二触媒层，配置于该第二电解质层之上；以及
一第二基板，相对配置于该第一基板。
14.根据权利要求13所述的太阳能电池，其特征在于，该多个第一金属氧化物表面吸附一第一染料，且该多个第二金属氧化物表面吸附一第二染料。
15.根据权利要求13所述的太阳能电池，其特征在于，部分该多个第一n型导电高分子的两端分别与两个第一金属氧化物之表面之间具有化学键结，且部分该多个第一金属氧化物之表面与多个第一n型导电高分子之间具有化学键结。
16.根据权利要求13所述的太阳能电池，其特征在于：部分该多个第二n型导电高分子的两端分别与两个第二金属氧化物之表面之间具有化学键结，且部分该多个第二金属氧化物之表面与多个第二n型导电高分子之间具有化学键结。
17.根据权利要求14所述的太阳能电池，其特征在于，该第二染料之吸收波长小于该第一染料之吸收波长。
18.根据权利要求14所述的太阳能电池，其特征在于，该第二染料之吸收波长大于该第一染料之吸收波长。
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