TW201324795A - 染料敏化太陽能工作電極結構及其製作方法 - Google Patents

染料敏化太陽能工作電極結構及其製作方法 Download PDF

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Abstract

一種染料敏化太陽能工作電極結構及其製作方法，其係將二氧化鈦等多孔性奈米結晶性之半導體材料製作成三種不同粒徑之材料薄膜後，再將該等薄膜層疊並與染料分子結合而形成太陽能工作電極用之導電單元。其中第一層材料薄膜是半導體材料粒徑小於10nm，而以噴霧裂解方式形成於導電基板上，第二層材料薄膜係半導體材料粒徑介於10～50nm之間，以浸泡提拉法配合高溫燒結製作成薄膜結構，而第三層材料薄膜係半導體材料粒徑介於50～100nm之間，以網版印刷塗佈成多孔狀之薄膜。藉以利用該導電單元製成之工作電極應用於太陽能電池時，能增進電子的傳輸，提昇染料敏化太陽能電池之光電轉換效率。

Description

染料敏化太陽能工作電極結構及其製作方法
本創作係隸屬一種太陽能電池之領域，具體而言係針對染料敏化太陽能電池其導電薄膜之製作方法加以改良之發明。
按，由於能源危機及地球暖化的問題，需要一種符合永續生產及低污染的能源。太陽能電池是一種具有低污染性及產品壽命長的能源，因此，可以符合上述的要求。一般太陽電池分為兩種：1.半導體太陽能電池，例如矽太陽電池(silicon solar cell)；2.光電化學(photoelectrochem istry)太陽能電池，例如染料敏化太陽能電池(dye-sensitized solar cell；DSSC)。請參照第六圖，係為習知之染料敏化太陽能電池之立體結構示意圖，如圖所示，其最外層為透明之第一導電玻璃(陽極)(11)，該導電玻璃(11)上鍍有一多孔性奈米結晶性半導體材料層(12)，一般多為二氧化鈦(TiO2)，而染料分子(13)則吸附於半導體材料層(12)上，接著其上再設一含有I-/I3 -氧化還原對的電解質層(14)，以及一鍍有觸媒層(15)之第二導電玻璃(陰極)(16)，當在外接負載的情況下，整個電池形成連通回路而產生電壓、電流。
然而，由於二氧化鈦之半導體材料層與第一導電玻璃之間，可能會因接觸不完全而產生空隙之存在，當電解質注入敏化二氧化鈦與對電極白金之間隙時，電解質會流動至二氧化鈦與導電玻璃間之空隙，使得傳遞至導電玻璃之電荷會與電解質產生復合效應，形成漏電流(如第七圖所示)，降低太陽能電池之短路電流及轉換效率。因此如何設計出改善上述習用缺失之半導體材料薄膜結構，並將其製作完成，便成為本案創作人思及之方向。
有鑑於此，本發明人乃針對前述習用創作問題深入探討，並藉由多年從事相關產業之研發與製造經驗，積極尋求解決之道，經過長期努力之研究與發展，終於成功的開發出本發明『染料敏化太陽能工作電極結構及其製作方法』，以改善習用創作之問題。
本發明之主要目的，在於解決上述的問題而提供一種『染料敏化太陽能工作電極結構及其製作方法』，其係利用一系列之製程方法作出不同粒徑之半導體材料，再利用該等不同粒徑之半導體材料製作可應用於工作電極之薄膜，據以增進電子傳輸之效用，並提昇太陽能電池之光電轉換效率。
緣以達成上述之功效目的，本發明『染料敏化太陽能工作電極結構及其製作方法』其係由一導電基板及設於其上之導電單元構成染料敏化太陽能之工作電極，再利用該工作電極應用於太陽能之電池。其中該導電單元係由如二氧化鈦等多孔性奈米結晶性之半導體材料及染料分子結合而成，且並由若干不同粒徑之半導體材料薄膜分層疊置構；將該等不同粒徑之半導體材料薄膜獨立分層疊設，分別為：一第一材料薄膜，係設於該導電基板上，由若干粒徑小於10nm之第一半導體材料所構成；一第二材料薄膜，係設於該第一材料薄膜上，由若干粒徑介於10～50nm之第二半導體材料所構成；一第三材料薄膜，係設於該第二材料薄膜上，由若干粒徑介於50～100nm之第三半導體材料所構成。
上述該等材料薄膜之製作方法分別為：
A.以噴霧裂解法製作第一材料薄膜，將導電基板置於加熱器上，噴槍固定於腳架上，再將製作完成之半導體材料溶液(TiO2溶液)以噴霧披覆(Spray Coating)方法製作於導電基板上，使定量的溶液噴在加熱之導電基板上，高溫的電導基板會使溶液蒸發，附著在導電基板上的溶液迅速凝膠化，於導電基板上形成薄膜。B.以浸泡提拉法(Dip coating)製作第二材料薄膜，首先採用鈦酸四正丁酯為前驅體，無水乙醇為溶劑，為了控制溶液的過程，採用乙醯丙酮為融合劑。具體操作步驟如下，首先將3mL鈦酸四正丁酯和1mL乙醯丙酮及12mL無水乙醇混合，利用磁力攪拌器充分攪拌1h，使其均勻混合均勻，繼續攪拌得到得到均勻、透明的溶膠。接著在拉膜機上完成薄膜的製備。首先將基板在溶膠中停留1min後再提拉，速度為10μm/s。提拉後將基板放入100℃烘箱中乾燥10min，分別以300℃、400℃和500℃燒結，重複上述過程4次，之後分別在重複提拉次數8次、12次、16次、24次。C.以網版印刷法製作第三材料薄膜，製程方法為先調整軟質刮刀之高低、水平位置，再將洗淨的基板置於平台之樣品位置處，並利用膠帶將基板固定，且留下電極位置，接著將網板下降，並在網版上滴加適量半導體材料漿料(二氧化鈦漿料)，再以軟質刮刀刮進行網印動作，烤乾漿料後，即可得到一第三材料薄膜。最後再分別將該第一、第二及第三材料薄膜疊層置於導電基板上，即可完成電池所需之工作電極；進而利用不同粒徑之半導體材料之組合搭配，而能增進電子的傳輸，提昇染料敏化太陽能電池之光電轉換效率。
有關本發明所採用之技術、手段及其功效，茲舉一較佳實施例並配合圖式詳細說明於後，相信本發明上述之目的、構造及特徵，當可由之得一深入而具體的瞭解。
請參閱第一～五圖所示，本創作『染料敏化太陽能工作電極結構及其製作方法』其構成包含染料敏化太陽能電池用之二導電基板(20、20‘)、一導電單元(30)、電解質層(40)，以及觸媒層(50)，其中：該導電基板(20)係透明玻璃上披覆一層導電氧化物(TCD)而構成具導電之基板，其上再設一層導電單元(30)便構成陽極之工作電極。而另一導電基板(20‘)亦係透明玻璃上披覆一層導電氧化物(TCD)(圖中未顯示)而構成具導電之基板，其上再設一層該觸媒層(50)便構成陰極之工作電極。
該導電單元(30)係由如二氧化鈦等多孔性奈米結晶性之半導體材料(31)及染料分子(32)結合而成，本創作主要係令若干不同粒徑之第一、第二、第三半導體材料(31A、31B、31C)與染料分子(32)結合，以提昇染料敏化太陽能電池之光電轉換效率。而該等不同粒徑之半導體材料(31A、31B、31C)之結構特點為：第一半導體材料(31A)，其粒徑小於10nm、第二半導體材料(31B)，其粒徑係介於10～50nm、第三半導體材料(31C)，其粒徑係介於50～100nm。實務的製作上，係可將該等不同粒徑之半導體材料(31A、31B、31C)分別製作薄膜後，再分層疊設為一體，茲再說明於后：如第二圖所示，分層疊設時，由若干粒徑小於10nm之第一半導體材料(31A)所構成之第一材料薄膜(33)，係設於該導電基板(20)上、由若干粒徑介於10～50nm之第二半導體材料(31B)所構成第二材料薄膜(34)，係設於該第一材料薄膜(33)上，而由若干粒徑介於50～100nm之第三半導體材料所構成由若干粒徑介於50～100nm之第三半導體材料(31C)所構成之第三材料薄膜(35)，則設於該第二材料薄膜(34)上，藉此利用該等不同粒徑之半導體材料(31A、31B、31C)獨立的分層疊設之薄膜結構，據以染料敏化太陽能電池時，能增進電子的傳輸，提昇染料敏化太陽能電池之光電轉換效率。
上述第一、第二、第三材料薄膜(33、34、35)之製作方法如下：
A.以噴霧裂解法製作第一材料薄膜(33)，如第三圖所示，將該導電基板(20)置於加熱器(61)上，噴槍(62)固定於腳架(圖中未顯示)上，再將製作完成之半導體材料溶液(TiO2溶液)以噴霧披覆(Spray Coating)方法製作於導電基板(20)上，使定量的溶液噴在加熱之導電基板(20)上，高溫的導電基板(20)會使溶液蒸發，令附著在導電基板(20)上的溶液迅速凝膠化，而於導電基板(20)上形成薄膜。進一步說明的是，噴霧之氣體壓力及噴嘴孔徑大小，可將致密薄膜之致密性及厚度做有效控制，加熱基板溫度為300℃，噴嘴與加熱版之距離為25 cm。
B.以浸泡提拉法(Dip coating)製作第二材料薄膜(34)，如第四圖所示，首先採用鈦酸四正丁酯為前驅體，無水乙醇為溶劑，為了控制溶液的過程，採用乙醯丙酮為融合劑。具體操作步驟如下，首先將3mL鈦酸四正丁酯和1mL乙醯丙酮及12mL無水乙醇混合，利用磁力攪拌器充分攪拌1h，使其均勻混合均勻，繼續攪拌得到得到均勻、透明的溶膠。接著在拉膜機上完成薄膜的製備。首先將己設有第一材料薄膜(33)之導電基板(20)在溶膠中停留1min後再提拉，速度為10μm/s。提拉後將導電基板(20)放入100℃烘箱中乾燥10min，分別以300℃、400℃和500℃燒結，重複上述過程4次，之後分別在重複提拉次數8次、12次、16次、24次。
C.以網版印刷法製作第三材料薄膜(35)，網版印刷是一種通過預設的網版將所需要的太陽能電池圖形印刷到導電基板表面，由於製程簡單、重複性好，在電化學電極、氣體敏感器電極、燃料電池電極等很多領域中都的到了應用。
如第五圖所示，製程方法為先調整軟質刮刀(64)之高低、水平位置，再將導電基板(20)置於平台(65)之樣品位置處，並利用膠帶將導電基板(20)固定，且留下電極位置，接著將網板(66)下降，並在網版(66)上滴加適量半導體材料漿料(二氧化鈦漿料)，再以軟質刮刀(64)刮進行網印動作，烤乾漿料後，即可於基板上形成一第三材料薄膜(35)。
進一步說明的是，網版印刷之網版厚度與目數、漿料濃度與粘度會影響材料薄膜之厚度。網版越厚，則印刷出的膜也越厚，同時網版的目數越高，透過的漿料越少，所得到的膜也就越薄。漿料的濃度越高，得到的膜也越厚。但濃度同時又影響到漿料的粘度，粘度太大，則流動性較差，不易透入絲網與基片之間，網版的紋路痕跡很重，並且會形成針眼等缺陷，粘度太小，則易在刮板時隨之滲出，使薄膜不均勻。粘度的選擇很大程度上取決於網版性能，可以在漿料中加入適量高聚物調節至較合適的粘度。
當第一、第二、第三材料薄膜(33、34、35)完成後，係令該第一材料薄膜(33)設於該導電基板(20)表面後，再將該第二材料薄膜(34)成形疊設於該第一材料薄膜(33)，接著再將第三材料薄膜(35)成形疊設於該第二材料薄膜(34)上。藉此，利用不同粒徑之半導體材料之組合搭配，而能增進電子的傳輸，提昇染料敏化太陽能電池之光電轉換效率。
綜上所述，本發明在同類產品中實有其極佳之進步實用性，同時遍查國內外關於此類結構之技術資料、文獻中亦未發現有相同的構造存在在先，是以，本發明實已具備發明專利要件，爰依法提出申請。
上述實施例，僅用以舉例說明本發明，據以在不離本發明精神之範圍，熟習此項技藝者憑之而作之各種變形、修飾與應用，均應包括於本發明之範疇者。
(20、20‘)．．．導電基板
(30)．．．導電單元
(31)．．．半導體材料
(31A)．．．第一半導體材料
(31B)．．．第二半導體材料
(31C)．．．第三半導體材料
(32)．．．染料分子
(33)．．．第一材料薄膜
(34)．．．第二材料薄膜
(35)．．．第三材料薄膜
(40)．．．電解質層
(50)．．．觸媒層
(61)．．．加熱器
(62)．．．噴槍
(64)．．．軟質刮刀
(65)．．．平台
(66)．．．網板
第一圖：係本發明之太陽能電池組合剖面示意圖。
第二圖：係本發明之太陽能工作電極之平面示意圖。
第三圖：係本發明以噴霧裂解法製作第一材料薄膜示意圖。
第四圖：係本發明以浸泡提拉法製作第二材料薄膜示意圖。
第五圖：係本發明以網版印刷法製作第三材料薄膜示意圖。
第六圖：係習用太陽能電池之示意圖。
第七圖：係習用導電玻璃之電荷與電解質產生復合效應示意圖。
(20、20‘)．．．導電基板
(30)．．．導電單元
(31)．．．半導體材料
(31A)．．．第一半導體材料
(31B)．．．第二半導體材料
(31C)．．．第三半導體材料
(32)．．．染料分子
(33)．．．第一材料薄膜
(34)．．．第二材料薄膜
(35)．．．第三材料薄膜
(40)．．．電解質層
(50)．．．觸媒層

Claims (6)

  1. 一種染料敏化太陽能工作電極製作方法，其係於導電基板上設有由多孔性奈米結晶性之半導體材料及染料分子結合而成之導電單元，且該導電單元包含若干粒徑小於10nm之第一半導體材料、若干粒徑介於10～50nm之第二半導體材料、若干粒徑介於50～100nm之第三半導體材料，該等不同粒徑之半導體材料之製程分別為：A.以噴霧裂解法製作第一材料薄膜，將製作完成之半導體材料溶液(TiO2溶液)以噴霧披覆(Spray Coating)方法製作於導電基板上，再利用高溫使導電基板上之溶液蒸發、凝膠化，而於導電基板上形成第一材料薄膜；B.以浸泡提拉法(Dip coating)製作第二材料薄膜，首先採用鈦酸四正丁酯為前驅體，無水乙醇為溶劑，為了控制溶液的過程，採用乙醯丙酮為融合劑，再利用磁力攪拌器充分攪拌使其混合均勻，接著再利用拉膜機完成以下步驟：B1.將導電基板在溶膠中停留約1min後再提拉，速度為約10μm/s；B2.將導電基板放入約100℃烘箱中乾燥約10min；B3.將提拉後之導電基板進行高溫燒結；B4.重複B2-B3步驟至少1次；B5.將導電基板置於溶膠中提拉至少1次；C.以網版印刷法製作第三材料薄膜，將洗淨的導電基板置於平台上，在網版上滴加適量半導體材料漿料(二氧化鈦漿料)，再以軟質刮刀刮進行網印動作，烤乾漿料後，可得到第三材料薄膜。
  2. 依據申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能工作電極製作方法，其中步驟B具體操作步驟係先將3mL鈦酸四正丁酯和1mL乙醯丙酮及12mL無水乙醇混合，利用磁力攪拌器充分攪拌1h，使其均勻混合。
  3. 依據申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能工作電極製作方法，其中步驟B3，係可分別以300℃、,400℃和500℃高溫燒結。
  4. 依據申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能工作電極製作方法，其中步驟B5係可分別重複提拉次數8次、12次、16次、24次。
  5. 一種染料敏化太陽能工作電極結構，其構成包含一導電基板，該導電基板上設有由多孔性奈米結晶性之半導體材料及染料分子結合而成之導電單元，其特徵在於：該導電單元包含若干不同粒徑之半導體材料之材料薄膜，分別為：一第一材料薄膜，係設於該導電基板上，由若干粒徑小於10nm之第一半導體材料所構成；一第二材料薄膜，係設於該第一材料薄膜上，由若干粒徑介於10～50nm之第二半導體材料所構成；一第三材料薄膜，係設於該第二材料薄膜上，由若干粒徑介於50～100nm之第三半導體材料所構成；據以該工作電極應用於太陽能電池時，能增進電子的傳輸，提昇染料敏化太陽能電池之光電轉換效率者。
  6. 依據申請專利範圍第5項所述之染料敏化太陽能工作電極結構，其中該半導體材料可為二氧化鈦。
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