CN103208368A - 染料敏化太阳能电池的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明系为一种染料敏化太阳能电池的制造方法，其系包含下列步骤：(a)提供负电极板；(b)提供导电基板，以喷印装置将水溶性半导体溶剂喷印于导电基板的表面上，以于表面上形成多孔性结构的半导体膜；(c)以喷印装置喷印染料溶剂，使该染料溶剂覆盖于多孔性结构的半导体膜上；(d)将导电基板进行烘烤烧结作业，以形成主电极板；(e)将主电极板与负电极板进行封装处理，且使主电极板与负电极板之间形成封闭的容置空间；(f)进行蚀刻作业，以形成开孔，且开孔系与容置空间相连通；(g)将电荷输送媒介透过开孔注入于容置空间中；以及(h)封闭开孔。

Description

染料敏化太阳能电池的制造方法
技术领域
本发明系关于一种太阳能电池的制造方法，尤指一种染料敏化太阳能电池的制造方法。
背景技术
为解决全球能源危机及降低环境污染，可将太阳辐射能直接转换为电能的太阳能电池为近年来积极创新研发的新课题，其中，染料敏化太阳电池(Dye SensitizedSolar Cell，简称DSSC)是属于第三代的有机太阳电池，具有低成本与硅薄膜太阳电池能源转换效率相近的特性。相较于传统的单(多)晶硅或非晶硅太阳能电池，染料敏化太阳能电池所选用的原料成本低、加上制程容易与简单的制程设备，可有效的降低太阳能电池发电成本，对于商业化推展有相当大的助益，且因其不受日照角度的影响，加上吸收光线时间长，因此在相同时间的发电量更可优于传统的硅晶太阳能电池。简言之，染料敏化太阳电池具有大面积、可透光、成本低、效率高、制作简易以及可塑性高等优点，因而具有极大的发展潜力，可成为未来新一代太阳能电池技术发展的主流。
太阳能电池的基本作动原理是某些物质被光照射时其电子的运动加剧；若引导这些电子流经一电路中的电位，即可得到电能。而染料敏化太阳能电池的基本设计是用奈米尺寸的金属氧化物半导体的颗粒，以化学方法使其表面吸附染料分子，再将这种颗粒涂布在电池电路的阳极上做为感光层；并在感光层和阴极之间加上一层电解质帮助导电。
已知的染料敏化太阳电池1的结构系如图1所示，主要由阳极10、阴极11及两电极之间的电解层15所组成，其中，阳极10包括导电基板12，例如可为玻璃或是薄膜基板等透明导电基板、设置于导电基板12上的半导体膜13以及染料层14，其中半导体膜13通常由二氧化钛(TiO2)奈米粒子所构成，且具有电子传导功能；阴极11同样具有透明的导电基板12’，且在导电基板12’下设置有透明导电膜16，该透明导电膜16系由铂触媒的导电材质所形成，至于设置在两电极之间的电解层15则可由氧化还原电解液所形成。
已知染料敏化太阳电池1中的染料层14主要采用高效率、高稳定性的光敏化剂，例如：钌错合物染料(N3、N719或其相关衍生物)，一般来说，其阳极10的制程主要是先将含有二氧化钛(TiO2)奈米粒子的浆料以涂布的方式形成于导电基板12上，并透过干燥处理，以使其形成半导体膜13，其后，再将该具有半导体膜13的导电基板12浸于钌错合物染料溶液中，使其中的二氧化钛(TiO2)奈米粒子表面吸附染料，进而于半导体膜13上形成染料层14。
在此染料敏化太阳电池1的制程中，大面积阳极涂布制程对于染料敏化太阳电池商品化助益颇大，且已成为现今发展染料敏化太阳电池所不可或缺的技术。惟，目前阳极涂布制程一般均采用例如刮刀涂布、旋转式涂布或是网版印刷等涂布制程，然而前述无论何种涂布制程，均无法精准控制其涂布的涂膜厚度，且若采用网版印刷的方式，更需针对不同图版而重新制版，不易进行少量多样的生产。
有鉴于此，如何发展一种可大面积喷印半导体膜及染料，且可精准控制其喷印厚度的染料敏化太阳能电池的制造方法，以改善上述习用技术缺失，实为目前迫切需要解决的问题。
发明内容
本发明的主要目的，在于提供一种染料敏化太阳能电池的制造方法，俾解决已知染料敏化太阳能电池于制造二氧化钛电极时采用的涂布制程具有无法精准控制其涂布的涂膜厚度、且若依产品需求不同，则需另行重新制版，不利于少量多样的产品生产等缺点。
本发明的另一目的，在于提供一种染料敏化太阳能电池的制造方法，其透过一喷印装置，于导电基板上进行含二氧化钛奈米粒子的水溶性半导体溶剂的喷印，借此以形成多孔性结构的半导体膜，再透过喷印装置于该多孔性结构的半导体膜上喷印染料溶剂，借此以大面积地进行二氧化钛电极的喷印作业，除可精准地控制水溶性半导体溶剂及染料溶剂的喷印液滴体积之外，更可依照不同产品的需求而弹性调整其喷印出的图样，进而更富应用性，且利于少量多样的产品生产。
为达上述目的，本发明的一较广义实施态样为提供一种染料敏化太阳能电池的制造方法，其系包含下列步骤：(a)提供负电极板；(b)提供导电基板，以喷印装置将水溶性半导体溶剂喷印于导电基板的表面上，以于表面上形成多孔性结构的半导体膜；(c)以喷印装置喷印染料溶剂，使该染料溶剂覆盖于多孔性结构的半导体膜上；(d)将导电基板进行烘烤烧结作业，以形成主电极板；(e)将主电极板与负电极板进行封装处理，且使主电极板与负电极板之间形成封闭的容置空间；(f)进行蚀刻作业，以形成开孔，且开孔系与容置空间相连通；(g)将电荷输送媒介透过开孔注入于容置空间中；以及(h)封闭开孔。
附图说明
图1：其系为已知的染料敏化太阳电池的结构示意图。
图2：其系为本发明较佳实施例的染料敏化太阳电池的结构示意图。
图3：其系为本发明较佳实施例的染料敏化太阳电池的制造流程图。
图4：其系为制造本发明较佳实施例的染料敏化太阳电池的喷印装置的
结构示意图。
【主要元件符号说明】
染料敏化太阳能电池：1、2
阳极：10
阴极：11
导电基板：12、12’、22、22’
半导体膜：13、23
染料层：14
电解层：15、25
透明导电膜：16、26
主电极板：20
负电极板：21
表面：220
染料：24
容置空间：250
喷印装置：4
平台机构：40
喷印头组件：41
承载座：410
喷印单元：411
底部：411a
供液单元：412
供液管：413
S30～S37：染料敏化太阳能电池的制造流程
具体实施方式
体现本发明特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的态样上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上系当作说明之用，而非用以限制本发明。
请参阅图2，其系为本发明较佳实施例的染料敏化太阳电池的结构示意图，如图所示，本发明的染料敏化太阳电池2主要由主电极板20、负电极板21以及设置于主电极板20及负电极板21之间的电解层25所组成，其中主电极板20系由导电基板22、半导体膜23及染料24所构成，负电极板21则由导电基板22’及透明导电膜26所构成。于本实施例中，主电极板20的导电基板22系可为但不限为高分子导电板，负电极板21的导电基板22’则可为玻璃或薄膜基板，但不以此为限，且于另一些实施例中，主电极板20的导电基板22与负电极板21的导电基板22’亦可为相同材质所形成的透明导电基板。
以本实施例为例，形成于导电基板22’上的透明导电膜26，其材质系可由铂触媒或氧化铟锡等导电材质所形成，但不以此为限，借由将该透明导电膜26电镀于导电基板22’上以形成负电极板21。至于电解层25，则可由一电荷输送媒介所形成，例如可为但不限为含碘离子(I-)或三碘根离子(I3 -)的有机类电解液。
以及，半导体膜23系为由二氧化钛(TiO2)奈米粒子所构成的多孔性结构，且其系覆盖设置于导电基板22的表面220上，其后，染料24再覆盖于由二氧化钛(TiO2)奈米粒子所构成的多孔性半导体膜23之上，使二氧化钛(TiO2)奈米粒子的表面上吸附染料24，该染料24系为钌错合物染料，例如：N3、N719或其相关衍生物、纯有机染料，例如：JK-46、或绿色有机染料等光敏染料，且不以此为限。
请同时参阅图2及图3，其中图3系为本发明较佳实施例的染料敏化太阳电池的制造流程图。如图3所示，当欲制造出本发明的染料敏化太阳能电池2，首先，则如步骤S30所示，先提供一负电极板21，且该负电极板21系由导电基板22’覆盖透明导电膜26所构成；接着，再如步骤S31所示，提供一导电基板22，以一喷印装置4将水溶性半导体溶剂喷印于导电基板22的表面220上，以于该表面220上形成一多孔性结构的半导体膜23，其中，该水溶性半导体溶剂即为含有二氧化钛(TiO2)奈米粒子的水溶性半导体溶剂，借由该喷印装置4将此含有二氧化钛(TiO2)奈米粒子的水溶性半导体溶剂喷印于导电基板22上，以形成大面积及厚度均匀的多孔性结构；然后，则如步骤S32所示，以该喷印装置4再次喷印一染料溶剂，并使该染料溶剂均匀地覆盖在导电基板22的多孔性半导体膜23之上，如此以使染料24吸附于二氧化钛(TiO2)奈米粒子的表面上；接着，再如步骤S33所示，对该表面220上喷印有多孔性半导体膜23及染料溶剂的导电基板22进行烘烤烧结作业，以400度C的温度进行烘烤，借此以使该导电基板22上的电极(即多孔性半导体膜23及染料24)固化，而形成主电极板20；其后，如步骤S34所示，将该主电极板20与该负电极板21进行干膜(Epoxy Dry Film)封装处理，亦即将该表面220上喷印有多孔性半导体膜23及染料溶剂的导电基板22与覆盖于透明导电膜26的导电基板22’彼此相对设置，再以干膜(Epoxy Dry Film)封装处理，借此以将导电基板22与导电基板22’共同形成一板体结构，且于该主电极板20与该负电极板21之间具有一封闭的容置空间250；然后，再如步骤S35所示，对前述主电极板20与该负电极板21之间的干膜(Epoxy Dry Film)封装部分进行蚀刻作业，以形成一开孔(未图式)，且该开孔系与容置空间250相连通；最后，如步骤S36所示，将电荷输送媒介透过该开孔注入于容置空间250中，使该电荷输送媒介可流通储置于该容置空间250内；以及，如步骤S37所示，封闭该开孔，借此使该容置空间250内的电荷输送媒介形成电解层25，并利用电解层25中的电荷输送媒介作为氧化还原的媒介，同时更完成如图2所示的电极-混合物-电极转换的染料敏化太阳能电池2。
透过本发明的染料敏化太阳能电池的制造方法，以结合喷印技术将含有二氧化钛(TiO2)奈米粒子的水溶性半导体溶剂及染料溶剂大面积地喷印于导电基板22上，并以干膜封装后注入液态电荷输送媒介完成制程，可大面积且简易地实施电极覆印制程，且可依据不同的需求而调整喷印形成的孔径大小或图样，以达到少量多样的产品生产。相较于传统采用刮刀涂布、旋转式涂布或是网版印刷等涂布制程，本发明采用的喷印技术除可有效率地进行大面积喷印之外，更可精准控制半导体膜23及染料24的厚度，且无需针对不同产品需求而另行重新制版，更具应用性。
请参阅图4，其系为制造本发明较佳实施例的染料敏化太阳电池的喷印装置的结构示意图。如图4所示，实施前述喷印水溶性半导体溶剂及染料溶剂的喷印装置4系为一喷液装置，但不以此为限，且其系具有一平台机构40及至少两组喷印头组件41。其中，该平台机构40系可为一单向位移平台或是一双向位移平台，主要供该至少两组喷印头组件41架构于其上，并进行相对位移，以进一步实施喷印作业。举例来说，当被喷印物(即导电基板22)承载于平台机构40上时，该至少两组喷印头组件41系固定架构于该平台机构40上的一轴，例如：垂直方向的Y轴，则借由该平台机构40于另一轴上的移动，例如：水平方向的X轴，以带动导电基板22于X轴上产生位移，以进行喷印，当然，若平台机构40系为双向位移平台，则该平台机构40相对于该至少两组喷印头组件41，除可在X轴上位移之外，亦可于Y轴进行位移，如此以形成页宽(Page Width)喷印系统，并可加快喷印速度。
请续参阅图4，如图所示，喷印装置4中的该每一喷印头组件41系具有承载座410、喷印单元411以及供液单元412，其中，该供液单元412连接至喷印单元411，且该喷印单元411系设置于承载座410上，该承载座410可以架构定位于平台机构40上，使喷印头组件41与该平台机构40彼此连动作位移。于本实施例中，喷印单元411可为热汽泡式喷墨头或为压电式喷墨头，该热汽泡式喷墨头或压电式喷墨头，均更包含有多组喷嘴孔(未图示)及多组喷液致动器(未图示)，该多组喷嘴孔系设置于喷印单元411的底部411a，且每一组喷嘴孔均对应一组喷液致动器，当供液单元412供输液体给喷印单元411时，则可透过控制喷液致动器以进一步驱动喷印单元411内的液体由喷嘴孔喷出。于一些实施例中，喷液致动器系可为但不限为热汽泡式加热元件或压电式致动元件。
以及，以本实施例为例，供液单元412系为一独立的储液机构，且其系透过一供液管413连接至该喷印单元411(或承载座410)，以将该独立的供液单元412中储有的液体传输至喷印单元411以进行喷印作业，进而形成一连续供液系统，并可达成大容量的连续喷印作业。然而，于另一些实施例中，供液单元412亦可为一与该承载座410一体成形的储存容器，其实施态样系可依实际施作情形而任施变化，并不以此为限。
当然，于本实施例中，该至少两组喷印头组件41的喷印单元411中容设的液体系分别为前述的含二氧化钛(TiO2)奈米粒子的水溶性半导体溶剂及染料溶剂，借此，当该导电基板22相对于其中一喷液头组件41进行位移时，则可先喷印该水溶性半导体溶剂，借此以在导电基板22的表面220上形成大面积及厚度均匀的多孔性结构的半导体膜23，其后，再使该喷有多孔性结构的半导体膜23的导电基板22相对于另一喷印头组件41位移，以将染料溶剂精准喷印于前述的多孔性结构的半导体膜23上；其中，该含有二氧化钛(TiO2)奈米粒子的水溶性半导体溶剂及染料溶剂喷印于导电基板22的表面220上的厚度系介于0.1um至100um之间，且不以此为限。
除此之外，本发明的喷印装置4更可透过其喷印头组件41的喷印单元411上的喷嘴孔位置布设或是不同的孔径大小，以达成对导电基板22进行不同解析度的喷印作业。举例来说，本实施例的喷印装置4系可分别采用300dpi、600dpi及1200dpi等不同解析度的喷印单元411，进而可实施不同液滴体积喷印，其中，若采用300dpi的喷印单元411，则可达成喷出36～84pl(Pico Liter)的液滴体积喷印作业，若采用600dpi的喷印单元411，则可达成喷出15～35pl的液滴体积喷印作业，或是若采用1200dpi的喷印单元411，则可达成喷出15pl以下的液滴体积喷印作业。借由此喷印装置4除可将含有二氧化钛(TiO2)奈米粒子的水溶性半导体溶剂及染料溶剂大面积喷印于导电基板22上外，更可借由采用不同解析度喷印单元411，以实施不同液滴体积喷印作业，进而达成不同需求的喷印密度及维持其喷印的优良品质。
综上所述，本发明的染料敏化太阳能电池的制造方法系结合喷印技术，于导电基板上进行含二氧化钛(TiO2)奈米粒子的水溶性半导体溶剂的喷印，借此以形成多孔性结构的半导体膜，再透过喷印装置于该多孔性结构的半导体膜上喷印染料溶剂，进而大面积地进行主电极板的喷印作业，并以干膜封装主电极板及负电极板后，再以蚀刻形成开孔，以注入电荷输送媒介，进而完成染料敏化太阳能电池的制程。是以，透过此染料敏化太阳能电池的制造方法，除可精准地控制水溶性半导体溶剂及染料溶剂的喷印液滴体积之外，更可依照不同产品的需求而弹性调整其喷印出的图样，进而更富应用性，且利于少量多样的产品生产。
本发明得由熟知此技术的人士任施匠思而为诸般修饰，然皆不脱如附申请专利范围所欲保护者。

Claims (10)

1.一种染料敏化太阳能电池的制造方法，其系包含下列步骤：
(a)提供一负电极板；
(b)提供一导电基板，以一喷印装置将一水溶性半导体溶剂喷印于该导电基板的一表面上，以于该表面上形成一多孔性结构的半导体膜；
(c)以该喷印装置喷印一染料溶剂，使该染料溶剂覆盖于该多孔性结构的半导体膜上；
(d)将该导电基板进行烘烤烧结作业，以形成一主电极板；
(e)将该主电极板与该负电极板进行封装处理，且使该主电极板与该负电极板之间形成一封闭的容置空间；
(f)进行蚀刻作业，以形成一开孔，且该开孔系与该容置空间相连通；
(g)将一电荷输送媒介透过该开孔注入于该容置空间中；以及
(h)封闭该开孔。
2.如权利要求1所述的染料敏化太阳能电池的制造方法，其特征在于该负电极板系由一导电基板覆盖一透明导电膜所构成，且该透明导电膜系由一导电材质所构成，该导电材质系为铂触媒及氧化铟锡至少其中之一。
3.如权利要求2所述的染料敏化太阳能电池的制造方法，其特征在于该导电基板系为一玻璃及一薄膜基板至少其中之一。
4.如权利要求1所述的染料敏化太阳能电池的制造方法，其特征在于该喷印装置系为一喷液装置，该喷液装置具有一平台机构及至少二组喷印头组件。
5.如权利要求4所述的染料敏化太阳能电池的制造方法，其中该喷印头组件具有喷印单元，其特征在于喷印单元系为热汽泡式喷墨头。
6.如权利要求4所述的染料敏化太阳能电池的制造方法，其中该喷印头组件具有喷印单元，其特征在于喷印单元系为压电式喷墨头。
7.如权利要求4所述的染料敏化太阳能电池的制造方法，其特征在于该导电基板系承载于该平台机构上，承载该导电基板的平台机构系相对于该至少二组喷印头组件进行单向或双向位移，借此以进行喷印作业。
8.如权利要求4所述的染料敏化太阳能电池的制造方法，其特征在于该至少二组喷印头组件系分别容设该水溶性半导体溶剂及该染料溶剂。
9.如权利要求1所述的染料敏化太阳能电池的制造方法，其特征在于该水溶性半导体溶剂系为含有二氧化钛奈米粒子的水溶性半导体溶剂，且该含有二氧化钛奈米粒子的水溶性半导体溶剂及该染料溶剂喷印于该导电基板的该表面上的厚度系介于0.1um至100um之间。
10.如权利要求1所述的染料敏化太阳能电池的制造方法，其特征在于于该步骤(d)中，该烘烤烧结的温度系为400度，且于该步骤(e)中，该封装处理系为一干膜封装处理作业。
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