CN206726965U - 染料敏化太阳能电池 - Google Patents

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    • Y02E10/542—Dye sensitized solar cells

Abstract

本实用新型提供一种染料敏化太阳能电池。本实用新型之染料敏化太阳能电池包含一复合对电极、一工作电极及一电解质，其中该复合对电极包含一铂金层以及设置在该铂金层之多孔隙石墨烯层。由于该多孔隙石墨烯层具有多孔隙，因此可增加电子传递，以提高染料敏化太阳能电池之转换效率。

Description

染料敏化太阳能电池
技术领域
本实用新型提供一种染料敏化太阳能电池，包含具有高传导性之复合对电极，其具有多孔隙石墨烯层设置在铂金层之上，以增加电子传递用之孔隙。
背景技术
染料敏化太阳能电池具有环保、制造成本低、不受高温环境影响、具有透明性及能作为可挠性电池之优势，已被广泛应用且系产业上积极发展的一项技术。
染料敏化太阳能电池主要结构包含工作电极、电解质及对电极依序设置在二透明导电基板之间。其中，光敏化剂(或称光染料)系吸附于工作电极上，以吸收光能并转变为电能。而如何能有效增加染料敏化太阳能电池的光电转换效率及稳定性，基板、工作电极、电解质及对电极之材质及结构特性则为决定性的因素。
基本上，工作电极为半导体奈米材料，常见如二氧化钛(TiO2)、氧化锌(ZnO) 及氧化锡(SnO2)。由于光敏化剂分布于该半导体奈米材料之中，因此若该半导体奈米材料之表面积若越高，则吸附光的光敏化剂则越多；而若透明导电基板之穿透度越高，入射的光线越多，则可转换的电能则越高。另外，常见对电极之材料包含有碳黑、铂(Pt)及导电高分子，例如PEDOT等材料可选择。
目前，已有将石墨烯用于太阳能电池之技术领域。由于石墨烯为二维的碳材料，原子间相互链接形成蜂巢似的结构，并富含有电子，具有电子特性，可让电子于层内自由迁移，因此具有良好的导电性。而将石墨烯用于染料敏化太阳能电池，便可有效提升光电转换效率。
【实用新型内容】
本实用新型者发现，石墨烯虽已被用于太阳能电池之领域，但石墨烯通常系以直接涂覆于太阳能电池之层间，形成一薄膜层，藉由其本身的孔洞进行电子传输。
然而，本实用新型者发现，若进一步将石墨烯以交迭方式形成于太阳能电池之层间，则不仅能藉由石墨烯本身的孔洞提供更高的反应表面积，提高光电流，更能藉由石墨烯交迭之间的接触点形成完整电子通路，可加速电子传输，进而有效提升光电转换效率。
即，本实用新型提供一种染料敏化太阳能电池，包含：一复合对电极，包含一铂金层以及设置于该铂金层上之多孔隙石墨烯层；一工作电极，其中该多孔隙石墨烯层位于该铂金层与该工作电极之间；以及一电解质，位于该工作电极与该复合对电极之间。
于较佳实施例中，该多孔隙石墨烯层内之孔隙大小为25～500nm。
于较佳实施例中，该复数个石墨烯之中空孔洞大小为之孔洞为1nm～10μm。
于较佳实施例中，其中该工作电极为TiO2工作电极，或为SnO2工作电极，或为ZnO工作电极。
于较佳实施例中，其中该多孔隙石墨烯层之厚度为1～50μm。
本实用新型技术方案中，将石墨烯以交迭方式形成于太阳能电池之层间，不仅能藉由石墨烯本身的孔洞提供更高的反应表面积，提高光电流，更能藉由石墨烯交迭之间的接触点形成完整电子通路，可加速电子传输，进而有效提升光电转换效率。
附图说明
图1为本实用新型之染料敏化太阳能电池。
图2为本实用新型之复合对电极。
图3为制备本实用新型所述染料敏化太阳能电池用之复合对电极之方法。
图中：1 复合对电极
3 多孔隙石墨烯层
5 铂金层
7 石墨烯
9 孔隙
11 黏着剂
13 石墨烯浆液
15 导电基板
17 工作电极
19 电解质
具体实施方式
本实用新型提供一种染料敏化太阳能电池，包含：一复合对电极，包含一铂金层以及设置于该铂金层上之多孔隙石墨烯层；一工作电极，其中该多孔隙石墨烯层位于该铂金层与该工作电极之间；以及一电解质，位于该工作电极与该复合对电极之间。如图1所示，二导电基板15之间设有本实用新型之染料敏化太阳能电池，其包含复合对电极1、电解质19及工作电极17；其中，复合对电极 1包含石墨烯层3及铂金层5，且该石墨烯层3系具有多孔隙之特性。
上述之多孔隙石墨烯层3系透过黏着剂将复数个石墨烯彼此交迭黏附于该铂金层5上。如图2所示，复数个石墨烯7系彼此交迭黏附于该铂金层5上，由黏着剂11所固定，复数个石墨烯7彼此之间有孔隙9，该孔隙9大小为25～500nm，例如25nm、30nm、50nm、80nm、100nm、150nm、200nm、250nm、300nm、 350nm、400nm、450nm、或500nm；若该孔隙大小过小，则石墨烯7露出的催化活性中心过少而不佳；若石墨烯7孔隙果大，反而造成导电性低，因此石墨烯 7之孔隙应以上述范围为佳，才能提供较大的电解质吸附面积，并增加电子的传递效率，有效提升光电转换效率。
上述之黏着剂为聚偏二氟乙烯(PVDF)与纤维素之混合物黏着剂。。由于聚偏二氟乙烯(PVDF)及纤维素为用于制备多孔膜之材料，利于形成多孔隙的材质。此外，经实用新型人实验发现，相较于使用其他聚合物，使用聚偏二氟乙烯 (PVDF)及纤维素与石墨烯混合时，可制备出如上所定义孔隙大小之石墨烯层，以利于电子传递。聚偏二氟乙烯(PVDF)及纤维素可混合搭配其他溶剂使用，例如水、N-甲基-2-吡咯啶酮(NMP)、二甲基亚砜、N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)、N,N- 二甲基甲酰胺(DMF)、甲基乙基酮、丙酮、四氢呋喃、四甲基脲、磷酸三甲酯、己烷、戊烷、苯、甲苯、甲醇、乙醇、四氯化碳、邻-二氯苯、三氯乙烯、低分子量的聚乙二醇等脂肪族碳化氢、芳香族碳化氢、氯化碳化氢、或其他氯化有机液体等。
上述之复数个石墨烯之长度及宽度0.02～10μm，厚度约2～10nm，孔洞 1nm～10μm及比表面积10m2/g～1000m2/g。该石墨烯之长度及宽度可例如0.02μ m、1μm、3μm、5μm、7μm、或10μm。该石墨烯之厚度可例如2nm、3nm、 4nm、5nm、6nm、7nm、8nm、9nm或10nm。该石墨烯上之孔洞可例如1nm、 5nm、10nm、50nm、100nm、200nm、300nm、400nm、500nm、600nm、700 nm、800nm、900nm、1000nm、1.5μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm或10μm；比表面积可例如10m2/g、20m2/g、50m2/g、70m2/g、 100m2/g、150m2/g、200m2/g、250m2/g、300m2/g、350m2/g、400m2/g、450m2/g、 500m2/g、550m2/g、600m2/g、650m2/g、700m2/g、750m2/g、800m2/g、850m2/g、 900m2/g、950m2/g或1000m2/g。
上述之工作电极可为TiO2、ZnO、SnO2、Nb2O5、In2O3、CdS、ZnS、CdSe、 GaP、CdTe、MoSe2、WO3、KTaO3、ZrO2、SrTiO3、WSe2、SiO2、CdS或其之组合，并以工作电极为TiO2工作电极，或为SnO2工作电极，或为ZnO工作电极。为佳。此外，该工作电极添加有光敏化剂，其包含有机金属错合物，例如有机钌金属系列或紫质系列，或吲哚系列、香豆素系列、花青系列或罗丹明的有机染料。
上述之电解质可为通用的电解质，其包含液态电解质、胶态电解质或固态电解质。其中，电解质系使用氧化还原电解质，例如碘、铁、锡、溴、铬、蒽醌等氧化还原离子对霍奇等之组合，较佳为碘系及溴系电解质，例如碘化钾、碘化二甲基丙基咪唑鎓、碘化锂等或碘之混合物。本实用新型之电解液包含腈类、酰胺类、醚类、碳酸酯内酯、或其等之组合，例如乙腈、甲氧基乙腈、丙腈、3-甲氧基丙腈、苯甲腈、二乙醚、1,2-二甲氧基乙烷、四氢呋喃、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、碳酸乙二酯、碳酸丙二酯、γ-丁内酯、或γ- 戊内酯。另外，凝胶状电解质系利用电解液中可添加凝胶化剂、聚合物等，呈现凝胶状电解质；而固体电解质系使用氧化还原性的电解液搭配聚环氧乙烷衍生物等聚合物。
上述之该多孔隙石墨烯层之厚度为1～50μm，例如1μm、5μm、10μm、 15μm、20μm、25μm、30μm、35μm、40μm、45μm或50μm。当该多孔隙石墨烯层之厚度低于10nm，无法有效产生孔隙，无法帮助电子传输，而高于 200nm，由于石墨烯层过厚，则会降低电子传输，二者都会降低转换效率。
进一步，制备本实用新型所述之染料敏化太阳能电池用之复合对电极之方法，其包含：(a)提供一铂金层；(b)将复数个石墨烯与一黏着剂混合得到石墨烯浆液；以及(c)将该石墨烯浆液涂覆至该铂金层上后，烘干该石墨烯浆液得到一多孔隙石墨烯层形成于该铂金层上，形成该复合对电极。如图3所示，复数个石墨烯7置入于黏着剂11混合形成石墨烯浆液13，该石墨烯浆液13经涂覆至铂金层 5，烘干形成石墨烯层3。
上述之步骤(b)中，该石墨烯浆液之混合方式可使用超音波混合或搅拌机，以超音波混合为较佳。
上述之步骤(c)中，该石墨烯浆液之涂覆方式包含旋转涂覆法、棒状涂覆法或刮刀涂覆法等方法，以旋转涂覆法为佳。而烘干该石墨烯浆液之温度为 100～500℃及时间10～60分钟，例如100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃、 400℃、450℃、500℃；10分、20分、30分、40分、50分或60分。
上述之石墨烯浆液中，该复数个石墨烯之浓度为0.01～10wt％，例如 0.01wt％、1wt％、2wt％、3wt％、4wt％、5wt％、6wt％、7wt％、8wt％、9wt％、或10wt％。当石墨烯浆液中，石墨烯浓度低于0.01wt％，由于缺少石墨烯，石墨烯之密度过低，因此难以产生交迭，进而难以产生孔隙；而当高于10wt％，石墨烯彼此交迭的密度过高，则可能会使石墨烯产生堆栈现象，亦难以产生孔隙，此二种情况都会降低染料敏化太阳能电池之转换效率。
一种染料敏化太阳能电池的制造方法，包含：(a)以上述之制备方法制备一复合对电极；(b)提供一工作电极，其中该多孔隙石墨烯层位于该铂金层与该工作电极之间；以及(c)提供一电解质于该工作电极与该复合对电极之间。其中，该制造方法中之工作电极及电解质之种类同上所述之工作电极及电解质。
本实用新型之染料敏化太阳能电池由于具有多孔隙石墨烯之复合对电极，因此可加速电子传递，提升光电转换效率。
[具体实施例]
在下文中，将利用具体实施例特别描写本实用新型所揭示之内容。然而，本实用新型所揭示之内容不限制于下列范例。
实施例1-制备复合对电极1
将复数个石墨烯(长度及宽度约5μm；厚度约2～10nm；比表面积20～40m2/g) 置入聚偏二氟乙烯(PVDF)中，形成石墨烯浆液，使石墨烯之浓度为0.05wt％。利用超音波震荡均匀混合60分钟后，利用旋转涂覆机将该石墨烯浆液涂覆至厚度约100μm铂金层之上，形成厚度约10μm石墨烯层，于温度100℃60分钟下烘干，形成复合对电极1。
实施例2-制备复合对电极2
制备复合对电极2，其制造方法同实施利1，差异在于所配置之石墨烯浆液中，石墨烯之浓度为1.00wt％。
实施例3-制备复合对电极3
制备复合对电极3，其制造方法同实施利1，差异在于所配置之石墨烯浆液中，石墨烯之浓度为5.00wt％。
实施例4-制备复合对电极4
制备复合对电极4，其制造方法同实施利1，差异在于所配置之石墨烯浆液中，石墨烯之浓度为7.00wt％。
实施例5-制备复合对电极5
制备复合对电极5，其制造方法同实施利1，差异在于所配置之石墨烯浆液中，石墨烯之浓度为10.00wt％。
比较制备例1-制备复合对电极6
制备复合对电极6，其制造方法同实施利1，差异在于所配置之石墨烯浆液中，石墨烯之浓度为0.005wt％。
比较制备例2-制备复合对电极7
制备复合对电极7，其制造方法同实施利1，差异在于所配置之石墨烯浆液中，石墨烯之浓度为20wt％。
比较制备例3-制备复合对电极8
将复数个石墨烯(长度及宽度约5μm；厚度约2～10nm；比表面积20～40m2/g) 置入异丙醇中，形成石墨烯浆液，其石墨烯之浓度为0.05wt％。利用超音波震荡均匀混合60分钟后，利用旋转涂覆机将该石墨烯浆液涂覆至厚度约100μm铂金层之上，形成厚度约25μm石墨烯层，于温度100℃60分钟烘干，形成复合对电极6。
比较制备例4-制备复合对电极9
制备复合对电极9，其制造方法同比较制备例1，差异在于所配置之石墨烯浆液中，石墨烯之浓度为5wt％。
实施例6至10-制备染料敏化太阳能电池1至5
分别使用实施例6至10之对电极与工作电极(健鼎科技Tripod tech)之间设置封装膜，经过热压封装后，将电解液(永光化学，胶态电解液EL-300)注入，形成染料敏化太阳能电池1至5，其等之效能测试结果分别如表1所示。
比较例1至5-制备染料敏化太阳能电池6至10
分别将比较制备例1至4之对电极、铂金层与一工作电极(健鼎科技Tripod tech)之间设置封装膜，经过热压封装后，将电解液(永光化学，胶态电解液 EL-300)注入，形成染料敏化太阳能电池6至10，其等之效能测试结果分别如表 1所示。
表1
如表1所示，比较例1及2与实施例1至5比较可得知，当石墨烯浓度为 0.05～10wt％之间时，染料敏化太阳能电池之转换效率较佳。比较例3及4与实施例1至5比较可得知，当使用异丙醇做为黏着剂时，石墨烯层之孔隙则无法达到 10～500nm之间，致使染料敏化太阳能电池之转换效率不佳。比较例10与实施例1 至5比较可得知，当铂金层不具有石墨烯层之时，染料敏化太阳能电池之转换效率则较低。

Claims (5)

1.一种染料敏化太阳能电池，其特征在于：包含：
一复合对电极，包含一铂金层以及设置于该铂金层上之多孔隙石墨烯层；
一工作电极，其中该多孔隙石墨烯层位于该铂金层与该工作电极之间；以及
一电解质，位于该工作电极与该复合对电极之间。
2.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池，其特征在于：该多孔隙石墨烯层系由复数个石墨烯彼此交迭而成，并具有孔隙大小为25～500nm。
3.根据权利要求2所述的染料敏化太阳能电池，其特征在于：该复数个石墨烯之中空孔洞大小为1nm～10μm。
4.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池，其特征在于：该工作电极为TiO2工作电极，或为SnO2工作电极，或为ZnO工作电极。
5.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池，其特征在于：该多孔隙石墨烯层之厚度为1～50μm。
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