TW201310763A - 光敏性電化學電池元件及模組 - Google Patents

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Abstract

本發明提出一種光敏性電化學電池元件，包括一透明基材、位於透明基材上的一薄膜太陽電池、一電化學元件以及一負載。其中，薄膜太陽電池具有一正極層、一負極層與位在正、負極層之間的一光電轉換層。電化學元件也位於透明基材上，且至少包括一正極材料、一負極材料和一電解質層。上述正極材料經由一第一開關電性連接至正極層，負極材料則覆蓋負極層，而電解質層就覆蓋正、負極材料與薄膜太陽電池。至於上述負載之一端經由一第二開關電性連接至負極層，另一端則電性連接至正極層。

Description

光敏性電化學電池元件及模組
本發明是有關於一種太陽電池驅動的電化學元件，且特別是有關於一種可調變光敏性電化學電池元件(tunable photosensitive electrochemical device)及模組。
目前國際上正在研發之太陽電池與電化學電池整合之技術，主要是以氫氣燃料電池與太陽電池結合的技術，譬如以下專利。
美國專利US 7,052,587提出一種光電化學(PEC，Photo Electro Chemical Cell)元件結構來進行水光電解並產出氫氣。美國專利US 7,750,234則提出一種光電化學電池元件結構，當此元件受到陽光照射，將驅動水光電解產生氫氣與氧氣，並透過隔離層將產出的氫氣與氧氣隔離並收集在不同的容器內。另外，在美國專利US 4,634,641中是以超晶格結構(superlattice)或多重量子阱(multiple quantum well)做為光電化學電池的光電極。
然而，目前在整合太陽電池與電化學電池之技術中，太陽電池只扮演供電力的功能，使電化學電池具自給電力(self-powered)以驅動電化學元件之氧化還原反應。
本發明提供一種光敏性電化學電池元件，能將照光所產生之電子/電洞對提供電能並驅動電化學元件之氧化還原反應。
本發明再提供一種光敏性電化學電池模組，具備元件大面積與多應用的優點。
本發明提出一種光敏性電化學電池元件，至少包括一透明基材、一薄膜太陽電池、一電化學元件以及一負載。其中，薄膜太陽電池位於透明基材上並具有一正極層、一負極層與位在正、負極層之間的一光電轉換層。電化學元件也位於透明基材上，且至少包括一正極材料、一負極材料和一電解質層。上述正極材料經由一第一開關電性連接至正極層，負極材料則覆蓋負極層，而電解質層就覆蓋正、負極材料與薄膜太陽電池。至於上述負載之一端經由一第二開關電性連接至負極層，另一端則電性連接至正極層。
在本發明之一實施例中，上述光敏性電化學電池元件還包括位於正極層和正極材料之間的一絕緣層、位於絕緣層和正極材料之間的一導電層，其中所述正極材料透過第一開關電性連接至導電層，且前述導電層透過第二開關連接至該負載。
在本發明之一實施例中，上述光敏性電化學電池元件還包括位於負極層和負極材料之間的另一絕緣層，以及位於絕緣層和負極材料之間的另一導電層，且負極材料透過一個第三開關性連接至上述導電層。
本發明再提出一種光敏性電化學電池模組，至少包括一透明基材、透明基材上的多個薄膜太陽電池、多個第一導電層、多個第一絕緣層、多個第二導電層、多個第二絕緣層、多個電化學元件、多個第一開關與一負載。其中，每個薄膜太陽電池至少具有一正極層、一負極層與位在正、負極層之間的一光電轉換層，其中正極層具有一暴露表面自薄膜太陽電池之間暴露出來。第一導電層分別位於正極層的暴露表面上，而第一絕緣層分別位於每個正極層與每個第一導電層之間。第二導電層分別位於負極層的表面上，而第二絕緣層分別位於每個負極層與每個第二導電層之間。電化學元件位於透明基材上，且每個電化學元件至少包括覆蓋第一導電層的一正極材料、覆蓋第二導電層的一負極材料以及覆蓋所述正、負極材料與每一薄膜太陽電池之電解質層。至於第一開關則分別電性連接每一正極層與其上的導電層，而負載的一端經由一第二開關電性連接至薄膜太陽電池模組負極端的負極層，負載的另一端則電性連接至薄膜太陽電池模組正極端的正極層。
在本發明之另一個實施例中，上述光敏性電化學電池模組還包括多個第三開關分別電性連接各負極層與其上的第二導電層。
在本發明之另一實施例中，上述多個薄膜太陽電池是以串聯方式連接。
在本發明之另一實施例中，上述電化學元件可透過一外接電路進行串聯或並聯獨立組合運用。
在本發明之各實施例中，上述電化學元件包括儲蓄電池(storage battery)、電化學電容(electrochemical capacitor)、薄膜電池(thin film battery)或電致變色材料。
在本發明之各實施例中，上述薄膜太陽電池包括矽薄膜太陽電池、銅銦鎵硒薄膜太陽電池或碲化鎘薄膜太陽電池。
基於上述，本發明的結構因為將薄膜太陽電池與電化學元件並聯接觸(in parallel)，使薄膜太陽電池的正、負極同時扮演電化學元件的正、負極，因此上述光敏性電化學電池元件能藉由照光同時提供電能並驅動電化學元件之氧化還原反應。當薄膜太陽電池相互串聯成模組後，還能應用於大面積的產品，形成創新應用之雙功能一體型光敏性電化學電池。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖1A及圖1B是依照一第一實施例之一種光敏性電化學電池元件的剖面示意圖。
請參照圖1A，第一實施例的光敏性電化學電池元件包括一透明基材100、一薄膜太陽電池102、一電化學元件104以及一負載106，其中透明基材100例如是玻璃、塑膠或可撓性基材。而薄膜太陽電池102是位於透明基材100上，其中薄膜太陽電池102至少具有一正極層108、一負極層110與位在正、負極層108與110之間的一光電轉換層112。在第一實施例中，薄膜太陽電池102例如矽薄膜太陽電池、銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽電池、碲化鎘(CdTe)薄膜太陽電池或其他適合的太陽電池。電化學元件104也位於透明基材100上，且至少包括一正極材料114、一負極材料116和一電解質層118。上述正極材料114經由一第一開關SW1電性連接至薄膜太陽電池102的正極層108，負極材料116則覆蓋負極層110，而電解質層118就覆蓋正極材料、負極材料與薄膜太陽電池102。至於負載106之一端是經由一第二開關SW2電性連接至薄膜太陽電池102的負極層110，另一端則電性連接至薄膜太陽電池102的正極層108。
上述電化學元件104例如儲蓄電池(storage battery)、電化學電容(electrochemical capacitor)、薄膜電池(thin film battery)或電致變色材料(electrochromic)等。而且，因為種類不同的電化學元件104有不同的結構，所以在圖中並未詳細繪製其各構件，而是採用概略示意的方式顯示基本的正極材料114、負極材料116和電解質層118，譬如正極材料114並未與薄膜太陽電池102的正極層108接觸，其間可另設一絕緣結構或者乾脆將薄膜太陽電池正極層剝除成兩塊108a以及108b電性不連續區域(如圖1B)，使薄膜太陽電池負極層110底下的正極層108a與正極材料114底下的正極層108b分成兩塊電性不連續面積，並可透過開關(未繪示)控制電性聯接108a以及108b。當然電化學領域中具有通常知識者應可從現有技術知悉各種類電化學元件之差異與細部結構。
第一實施例之光敏性電化學電池元件除了圖1A與圖1B所示的例子外，只要能符合圖2之電路圖，均可使用本文之光敏性電化學電池元件。另外，在圖2中之第一開關SW1與第二開關SW2可透過開關控制訊號(未繪示)進行各種控制模式。
上述實施例之元件是利用光驅動電化學反應(photo-induced electrochemical reaction)機制，將薄膜太陽電池102所產生的電能部分轉換成化學能，以達到更有效的能源再利用。
以儲蓄電池為例，可將薄膜太陽電池102的電能轉換成化學能儲存起來，請見圖3A與圖3B。
在圖3A中，除圖1所示的透明基材100、薄膜太陽電池102與負載106之外，電化學元件是儲蓄電池300，其包括正極材料302、負極材料304和電解質層306，且於正極層108和正極材料302之間的一絕緣層308以及位於絕緣層308和正極材料302之間的一導電層310。另外，在圖3B中，負極層110和負極材料304之間的一絕緣層312以及位於絕緣層312和負極材料304之間的一導電層314。如此一來，正極材料302的電極(導電層310)將透過第一開關SW1電性連接至正極層108，而正極層108直接電性連接負載106。另外，負極材料304的電極(導電層314)將透過第三開關SW3電性連接至負極層110，而負極層110直接電性連接負載106。
當圖3B之元件照光時，薄膜太陽電池102所產生的電能以化學能的方式儲存起來，並透過開關設計(SW1、SW2以及SW3)來控制充電及放電功能。而元件充電量之多寡還受儲蓄電池之電極面積、儲蓄電池的電位、薄膜太陽電池的電位以及照光強弱等影響。
相同的原理可應用於薄膜電池(thin film battery)、電化學電容(electrochemical capacitor)或稱超級電容(super capacitor)。另外，也可將薄膜太陽電池所產生的電能提供水解反應(hydrolysis)，也就是氫氣燃料電池(hydrogen fuel cell)的應用。
如果將並排結構薄膜太陽電池串聯成模組並以電化學元件接觸，便可形成一體型的光敏性電化學電池模組，請見圖4。
圖4是依照一第二實施例之一種光敏性電化學電池模組的剖面示意圖。
請參照圖4，第二實施例之模組包括一透明基材400、透明基材400上的多個薄膜太陽電池402a~c、多個第一導電層404a~c、多個第一絕緣層406a~c、多個電化學元件408a~c、多個第一開關SW1、第二開關SW2、第三開關SW3與一負載410。每個薄膜太陽電池402a~c至少具有一正極層412、一負極層414與一光電轉換層416，其中正極層412具有一暴露表面412a自薄膜太陽電池402a~c之間暴露出來。而且，在本實施例中，薄膜太陽電池402a~c是以串聯方式連接，其中薄膜太陽電池402a~c例如矽薄膜太陽電池、銅銦鎵硒薄膜太陽電池或碲化鎘薄膜太陽電池。而第一導電層404a~c分別位於正極層412的暴露表面412a上，第一絕緣層406a~c則分別位於每個正極層412與每個第一導電層404a~c之間。
在圖4中，每個電化學元件408a~c包括覆蓋第一導電層404a~c的一正極材料418、一負極材料420以及覆蓋正、負極材料418和420與薄膜太陽電池402a~c的電解質層422。在負極層414的表面上還有一層第二絕緣層424，在第二絕緣層424與負極材料420之間還有一層第二導電層426。至於第一開關SW1則分別電性連接正極層412與其上的第一導電層404c。而負載410的一端經由第二開關SW2電性連接至本實施例之模組的負極端的負極層414。負載410的另一端則電性連接至本實施例之模組的正極端的正極層412。至於第三開關SW3則分別電性連接每一負極層414與其上的第二導電層426。
本實施例之薄膜太陽電池402a~c以並排的方式分佈(planarly distributed)在透明基材400上；電化學元件408a~c之負極材料420可透過第二導電層426和第三開關SW3電性聯接負極層414、正極材料418可透過第一導電層404a~c和第一開關SW1與正極層412電性連接，因此薄膜太陽電池402a~c的正、負極同時扮演電化學元件408a~c之正、負極。當受到陽光照射，須將SW1及SW3接通薄膜太陽電池402a~c之負極層414以及正極層412到第一導電層404c與第二導電層426上，如此便可以將薄膜太陽電池402a~c與電化學元件408a~c並聯接觸，將薄膜太陽電池402a~c所產生的電子電洞對儲存到電化學元件408a~c。此時如果將SW2設定到與薄膜太陽電池402a的負極層414以及薄膜太陽電池402c的正極層412接觸，則電能同時間可以儲存到負載410。
此外，本實施例也可應用製成大面積的模組，譬如在基板橫向上製作多組串聯的薄膜太陽電池與電化學元件，然後在基板縱向上將上述元件作並聯，因此可依據薄膜太陽電池模組的串、並聯設計，來提高如儲蓄電池之類的電化學元件之儲存電位及電量。
圖5是圖4之電路圖，其中顯示3組光敏性電化學電池元件，而且串聯結構之薄膜太陽電池402a~c可提供更高的電壓，以供應至負載410。而獨立的電化學元件408a~c還可提供另一種能源轉換的應用，例如將電能儲存在儲蓄電池或轉換成氫氣燃料電池以產生其它能源。上述電化學元件408a~c可以串聯方式連接以提高儲電電壓。因此，第二實施例之模組不但可利用並排結構之薄膜太陽電池產生電能且同時可以驅動電化學元件，形成創新應用之雙功能光敏性電化學電池。
以下列舉幾個實驗來證實以上實施例之功效，且於下列實驗是以矽薄膜太陽電池為範例。
實驗一
實驗一中，驗證普魯士藍(Prussian Blue，PB)薄膜能達到充電的效果。
利用電鍍方法將普魯士藍以及WO3薄膜沉積在ITO玻璃上，並利用0.1M LiClO4/PC/PMMA電解液組合成具充放電功能的電化學電池元件。圖6說明上述元件的CV(cyclic voltammetry)圖，結果顯示該電化學電池元件的充放電電量各為：26.95mC以及-26.90 mC。圖7則顯示時間對充放電的影響。
實驗二
實驗二中，驗證光敏性電化學電池元件能達到充電的效果之on/off開關電路設計。
準備一片1 cm×4 cm之第一透明玻璃基材，並在其上製作一單一組矽薄膜太陽電池(cell)，其中該矽薄膜太陽電池之正、負極之面積各為0.5 cm×4cm。該矽薄膜太陽電池之IV curve如圖8，其中Voc=1.33 volt、Jsc=11.52 mA/cm2、F.F%=61.94%、PwrMax=22.65mW以及發電效率=9.44%。
接著，利用355nm波長之雷射在矽薄膜太陽電池正極所曝露出之部分面積進行剝除，以隔離大部分之正極面積並形成如圖1B之導電層，並在隔離後之導電層的表面上形成一層普魯士藍(Prussian Blue)薄膜。然後在一塊電路板上製作出如圖1B之切換裝置的電路，再將矽薄膜太陽電池的正極層以及負極層與導電層分別連接到上述電路板上。由以上之電路設計，可透過切換裝置控制該導電層表面上之普魯士藍薄膜的照光儲電以及放電。請注意，實驗二中並未設置負載。
將以上之矽薄膜太陽電池與0.1M LiClO4/PC/PMMA接觸，並透過開關設計(SW1)來控制充電及放電功能。如圖1B所示，當陽光照射上述元件並設定SW1電性連接至薄膜太陽電池的正極層，將產生充電效果。當SW1設定成開路時，普魯士藍(Prussian Blue)薄膜所儲存的電量將逐漸被釋放出來。由於薄膜太陽電池與電化學元件成並聯接觸，因此，電化學元件放電後的電位受薄膜太陽電池的Voc之影響，如圖9所示。
實驗三
將2g的LiCoO2陰極材料粉末與0.22g PVDF高分子混合溶於5cc的NMP溶劑，以及1g碳-石墨(graphite)陽極材料粉末與0.11g PVDF高分子混合溶於3cc NMP溶劑。將以上陰、陽電極材料粉末攪拌成糊狀漿料並塗佈在鋁箔上。將製好之極片，以110℃烘箱中烘乾以去除殘留之NMP溶劑。接著將已做好的陰、陽電極片裁成直徑12 mm圓形極片並組裝成硬幣型電池，其中電解質組成為0.1M LiClO4/PC/PMMA。
實驗四
在3 cm×4 cm之透明玻璃基材上製作彼此串聯的兩組矽薄膜太陽電池(cell)，其中單一矽薄膜太陽電池之IV曲線和實驗二相近。
接著，在每一矽薄膜太陽電池之正、負極層表面分別覆蓋儲蓄電池陽電極與陰電極材料以及覆蓋電解質，得到如圖10的模組，其中使用與圖4相同的元件符號代表同功能的構件。
當太陽光照射上述模組時，其電路如圖11A所示，其中薄膜太陽電池與電化學元件成並聯電性連接。充電完成後，將SW1及SW3形成斷路，其電路如圖11B所示，其中電化學元件408可以獨立組合運用，例如可透過外接電路進行串聯或並聯的應用。
而充放電與時間的關係圖顯示於圖12。由圖12可證明光敏性電化學電池模組能達到充電的效果。
綜上所述，本發明利用薄膜太陽電池與電化學元件接觸，使薄膜太陽電池的正、負極同時扮演電化學元件的正、負極，因此本發明之光敏性電化學電池元件將藉由照光同時提供電能並驅動電化學元件之氧化還原反應。而且，當上述薄膜太陽電池相互串聯成模組後，薄膜太陽電池不但可產生電能(electrical energy)且同時可以驅動電化學元件，形成創新應用之雙功能一體型光敏性電化學電池。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100、400．．．透明基材
102、402a~c．．．薄膜太陽電池
104、408a~c．．．電化學元件
106、410．．．負載
108、108a、108b、412．．．正極層
110、414．．．負極層
112、416．．．光電轉換層
114、302、418．．．正極材料
116、304、420．．．負極材料
118、306、422．．．電解質層
300．．．儲蓄電池
308、312、406a~c、424．．．絕緣層
310、404a~c、426．．．導電層
412a．．．暴露表面
SW1．．．第一開關
SW2．．．第二開關
SW3．．．第三開關
圖1A及圖1B是依照本發明之一第一實施例之一種光敏性電化學電池元件的剖面示意圖。
圖2是圖1的元件之電路圖。
圖3A與圖3B是當圖1之元件中的電化學元件是儲蓄電池時之剖面示意圖。
圖4是依照一第二實施例之一種光敏性電化學電池模組的剖面示意圖。
圖5是圖4的模組之電路圖。
圖6是實驗一的電化學電池元件之充放電曲線圖。
圖7是實驗一的電化學電池元件之充放電曲線圖。
圖8是實驗一之矽薄膜太陽電池之光電轉換特性之IV曲線圖。
圖9是實驗二的光敏性電化學電池元件之充放電曲線圖。
圖10是實驗四的電化學電池模組之剖面示意圖。
圖11A是圖10的模組在照光充電時的電路圖。
圖11B是圖1-的模組在充電完畢後的電路圖。
圖12是實驗四的光敏性電化學電池元件之充放電曲線圖。
100．．．透明基材
102．．．薄膜太陽電池
104．．．電化學元件
106．．．負載
108．．．正極層
110．．．負極層
112．．．光電轉換層
114．．．正極材料
116．．．負極材料
118．．．電解質層
SW1．．．第一開關
SW2．．．第二開關

Claims (11)

  1. 一種光敏性電化學電池元件，至少包括：一透明基材；一薄膜太陽電池，位於該透明基材上，其中該薄膜太陽電池至少具有一正極層、一負極層與位在該正極層和該負極層之間的一光電轉換層；一電化學元件，位於該透明基材上，該電化學元件至少包括：一正極材料，經由一第一開關電性連接至該正極層；一負極材料，覆蓋該薄膜太陽電池的該負極層；以及一電解質層，覆蓋該正極材料、該負極材料與該薄膜太陽電池；以及一負載，其一端經由一第二開關電性連接至該負極層，另一端電性連接至該正極層。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之光敏性電化學電池元件，其中該電化學元件包括儲蓄電池(storage battery)、電化學電容(electrochemical capacitor)、薄膜電池(thin film battery)或電致變色材料。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之光敏性電化學電池元件，更包括：一絕緣層，位於該正極層和該正極材料之間；以及一導電層，位於該絕緣層和該正極材料之間，且該正極材料透過該第一開關電性連接至該導電層，且該導電層透過該第二開關連接至該負載。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之光敏性電化學電池元件，更包括：一絕緣層，位於該負極層和該負極材料之間；以及一導電層，位於該絕緣層和該負極材料之間，且該負極材料透過一第三開關性連接至該導電層。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之光敏性電化學電池元件，其中該薄膜太陽電池包括矽薄膜太陽電池、銅銦鎵硒薄膜太陽電池或碲化鎘薄膜太陽電池。
  6. 一種光敏性電化學電池模組，至少包括：一透明基材；多個薄膜太陽電池，位於該透明基材上，其中各該薄膜太陽電池至少具有一正極層、一負極層與位在該正極層和該負極層之間的一光電轉換層，其中該正極層具有一暴露表面自該些薄膜太陽電池之間暴露出來；多個第一導電層，分別位於該正極層的該暴露表面上；多個第一絕緣層，分別位於該正極層與各該第一導電層之間；多個第二導電層，分別位於該負極層的表面上；多個第二絕緣層，分別位於該負極層與各該第二導電層之間；多個電化學元件，位於該透明基材上，各該電化學元件至少包括：一正極材料，覆蓋該第一導電層；一負極材料，覆蓋該第二導電層；以及一電解質層，覆蓋該正極材料、該負極材料與各該薄膜太陽電池；多個第一開關，分別電性連接各該正極層與其上的該導電層；一負載，其一端經由一第二開關電性連接至所述光敏性電化學電池模組的一負極端的該負極層，另一端電性連接至所述光敏性電化學電池模組的一正極端的該正極層。
  7. 如申請專利範圍第6項之光敏性電化學電池模組，更包括：多個第三開關，分別電性連接各該負極層與各該第二導電層。
  8. 如申請專利範圍第6或7項之光敏性電化學電池模組，其中該些電化學元件包括儲蓄電池、電化學電容、薄膜電池(thin film battery)或電致變色材料。
  9. 如申請專利範圍第6或7項之光敏性電化學電池模組，其中該些薄膜太陽電池是以串聯方式連接。
  10. 如申請專利範圍第6或7項之光敏性電化學電池模組，其中該電化學元件透過一外接電路進行串聯或並聯獨立組合運用。
  11. 如申請專利範圍第6或7項之光敏性電化學電池模組，其中該些薄膜太陽電池包括矽薄膜太陽電池、銅銦鎵硒薄膜太陽電池或碲化鎘薄膜太陽電池。
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