TW201332123A - 染料敏化太陽能電池之製造方法 - Google Patents

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Abstract

本案係為一種染料敏化太陽能電池之製造方法，其係包含下列步驟：(a) 提供負電極板；(b) 提供導電基板，以噴印裝置將水溶性半導體溶劑噴印於導電基板之表面上，以於表面上形成多孔性結構之半導體膜；(c) 以噴印裝置噴印染料溶劑，使該染料溶劑覆蓋於多孔性結構之半導體膜上；(d) 將導電基板進行烘烤燒結作業，以形成主電極板；(e) 將主電極板與負電極板進行封裝處理，且使主電極板與負電極板之間形成封閉之容置空間；(f)進行蝕刻作業，以形成開孔，且開孔係與容置空間相連通；(g)將電荷輸送媒介透過開孔注入於容置空間中；以及(h) 封閉開孔。

Description

染料敏化太陽能電池之製造方法
本案係關於一種太陽能電池之製造方法，尤指一種染料敏化太陽能電池之製造方法。
為解決全球能源危機及降低環境汙染，可將太陽輻射能直接轉換為電能之太陽能電池為近年來積極創新研發之新課題，其中，染料敏化太陽電池（Dye Sensitized Solar Cell，簡稱DSSC）是屬於第三代的有機太陽電池，具有低成本與矽薄膜太陽電池能源轉換效率相近的特性。相較於傳統的單(多)晶矽或非晶矽太陽能電池，染料敏化太陽能電池所選用的原料成本低、加上製程容易與簡單的製程設備，可有效的降低太陽能電池發電成本，對於商業化推展有相當大的助益，且因其不受日照角度的影響，加上吸收光線時間長，因此在相同時間的發電量更可優於傳統的矽晶太陽能電池。簡言之，染料敏化太陽電池具有大面積、可透光、成本低、效率高、製作簡易以及可塑性高等優點，因而具有極大的發展潛力，可成為未來新一代太陽能電池技術發展之主流。
太陽能電池的基本作動原理是某些物質被光照射時其電子的運動加劇；若引導這些電子流經一電路中的電位，即可得到電能。而染料敏化太陽能電池之基本設計是用奈米尺寸的金屬氧化物半導體的顆粒，以化學方法使其表面吸附染料分子，再將這種顆粒塗佈在電池電路的陽極上做為感光層；並在感光層和陰極之間加上一層電解質幫助導電。
習知之染料敏化太陽電池1的結構係如第1圖所示，主要由陽極10、陰極11及兩電極之間的電解層15所組成，其中，陽極10包括導電基板12，例如可為玻璃或是薄膜基板等透明導電基板、設置於導電基板12上之半導體膜13以及染料層14，其中半導體膜13通常由二氧化鈦(TiO2)奈米粒子所構成，且具有電子傳導功能；陰極11同樣具有透明的導電基板12’，且在導電基板12’下設置有透明導電膜16，該透明導電膜16係由鉑觸媒之導電材質所形成，至於設置在兩電極之間的電解層15則可由氧化還原電解液所形成。
習知染料敏化太陽電池1中的染料層14主要採用高效率、高穩定性的光敏化劑，例如：釕錯合物染料(N3、N719或其相關衍生物)，一般來說，其陽極10之製程主要是先將含有二氧化鈦(TiO2)奈米粒子之漿料以塗佈的方式形成於導電基板12上，並透過乾燥處理，以使其形成半導體膜13，其後，再將該具有半導體膜13之導電基板12浸於釕錯合物染料溶液中，使其中的二氧化鈦(TiO2)奈米粒子表面吸附染料，進而於半導體膜13上形成染料層14。
在此染料敏化太陽電池1的製程中，大面積陽極塗佈製程對於染料敏化太陽電池商品化助益頗大，且已成為現今發展染料敏化太陽電池所不可或缺的技術。惟，目前陽極塗佈製程一般均採用例如刮刀塗佈、旋轉式塗佈或是網版印刷等塗佈製程，然而前述無論何種塗佈製程，均無法精準控制其塗佈的塗膜厚度，且若採用網版印刷之方式，更需針對不同圖版而重新製版，不易進行少量多樣的生產。
有鑒於此，如何發展一種可大面積噴印半導體膜及染料，且可精準控制其噴印厚度之染料敏化太陽能電池之製造方法，以改善上述習用技術缺失，實為目前迫切需要解決之問題。
本案之主要目的，在於提供一種染料敏化太陽能電池之製造方法，俾解決習知染料敏化太陽能電池於製造二氧化鈦電極時採用之塗佈製程具有無法精準控制其塗佈的塗膜厚度、且若依產品需求不同，則需另行重新製版，不利於少量多樣的產品生產等缺點。
本案之另一目的，在於提供一種染料敏化太陽能電池之製造方法，其透過一噴印裝置，於導電基板上進行含二氧化鈦奈米粒子之水溶性半導體溶劑之噴印，藉此以形成多孔性結構之半導體膜，再透過噴印裝置於該多孔性結構之半導體膜上噴印染料溶劑，藉此以大面積地進行二氧化鈦電極之噴印作業，除可精準地控制水溶性半導體溶劑及染料溶劑之噴印液滴體積之外，更可依照不同產品的需求而彈性調整其噴印出之圖樣，進而更富應用性，且利於少量多樣之產品生產。
為達上述目的，本案之一較廣義實施態樣為提供一種染料敏化太陽能電池之製造方法，其係包含下列步驟：(a) 提供負電極板；(b) 提供導電基板，以噴印裝置將水溶性半導體溶劑噴印於導電基板之表面上，以於表面上形成多孔性結構之半導體膜；(c) 以噴印裝置噴印染料溶劑，使該染料溶劑覆蓋於多孔性結構之半導體膜上；(d) 將導電基板進行烘烤燒結作業，以形成主電極板；(e) 將主電極板與負電極板進行封裝處理，且使主電極板與負電極板之間形成封閉之容置空間；(f)進行蝕刻作業，以形成開孔，且開孔係與容置空間相連通；(g)將電荷輸送媒介透過開孔注入於容置空間中；以及(h) 封閉開孔。
體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，其皆不脫離本案的範圍，且其中的說明及圖示在本質上係當作說明之用，而非用以限制本案。
請參閱第2圖，其係為本案較佳實施例之染料敏化太陽電池之結構示意圖，如圖所示，本案之染料敏化太陽電池2主要由主電極板20、負電極板21以及設置於主電極板20及負電極板21之間的電解層25所組成，其中主電極板20係由導電基板22、半導體膜23及染料24所構成，負電極板21則由導電基板22’及透明導電膜26所構成。於本實施例中，主電極板20之導電基板22係可為但不限為高分子導電板，負電極板21之導電基板22’則可為玻璃或薄膜基板，但不以此為限，且於另一些實施例中，主電極板20之導電基板22與負電極板21之導電基板22’亦可為相同材質所形成之透明導電基板。
以本實施例為例，形成於導電基板22’上之透明導電膜26，其材質係可由鉑觸媒或氧化銦錫等導電材質所形成，但不以此為限，藉由將該透明導電膜26電鍍於導電基板22’上以形成負電極板21。至於電解層25，則可由一電荷輸送媒介所形成，例如可為但不限為含碘離子(I-)或三碘根離子(I3 -)之有機類電解液。
以及，半導體膜23係為由二氧化鈦(TiO2)奈米粒子所構成之多孔性結構，且其係覆蓋設置於導電基板22之表面220上，其後，染料24再覆蓋於由二氧化鈦(TiO2)奈米粒子所構成之多孔性半導體膜23之上，使二氧化鈦(TiO2)奈米粒子之表面上吸附染料24，該染料24係為釕錯合物染料，例如：N3、N719或其相關衍生物、純有機染料，例如：JK-46、或綠色有機染料等光敏染料，且不以此為限。
請同時參閱第2圖及第3圖，其中第3圖係為本案較佳實施例之染料敏化太陽電池之製造流程圖。如第3圖所示，當欲製造出本案之染料敏化太陽能電池2，首先，則如步驟S30所示，先提供一負電極板21，且該負電極板21係由導電基板22’覆蓋透明導電膜26所構成；接著，再如步驟S31所示，提供一導電基板22，以一噴印裝置4將水溶性半導體溶劑噴印於導電基板22之表面220上，以於該表面220上形成一多孔性結構之半導體膜23，其中，該水溶性半導體溶劑即為含有二氧化鈦(TiO2)奈米粒子之水溶性半導體溶劑，藉由該噴印裝置4將此含有二氧化鈦(TiO2)奈米粒子之水溶性半導體溶劑噴印於導電基板22上，以形成大面積及厚度均勻之多孔性結構；然後，則如步驟S32所示，以該噴印裝置4再次噴印一染料溶劑，並使該染料溶劑均勻地覆蓋在導電基板22的多孔性半導體膜23之上，如此以使染料24吸附於二氧化鈦(TiO2)奈米粒子之表面上；接著，再如步驟S33所示，對該表面220上噴印有多孔性半導體膜23及染料溶劑的導電基板22進行烘烤燒結作業，以400度C之溫度進行烘烤，藉此以使該導電基板22上的電極(即多孔性半導體膜23及染料24)固化，而形成主電極板20；其後，如步驟S34所示，將該主電極板20與該負電極板21進行乾膜(Epoxy Dry Film)封裝處理，亦即將該表面220上噴印有多孔性半導體膜23及染料溶劑的導電基板22與覆蓋於透明導電膜26之導電基板22’彼此相對設置，再以乾膜(Epoxy Dry Film)封裝處理，藉此以將導電基板22與導電基板22’共同形成一板體結構，且於該主電極板20與該負電極板21之間具有一封閉之容置空間250；然後，再如步驟S35所示，對前述主電極板20與該負電極板21之間的乾膜(Epoxy Dry Film)封裝部分進行蝕刻作業，以形成一開孔(未圖式)，且該開孔係與容置空間250相連通；最後，如步驟S36所示，將電荷輸送媒介透過該開孔注入於容置空間250中，使該電荷輸送媒介可流通儲置於該容置空間250內；以及，如步驟S37所示，封閉該開孔，藉此使該容置空間250內之電荷輸送媒介形成電解層25，並利用電解層25中的電荷輸送媒介作為氧化還原的媒介，同時更完成如第2圖所示之電極-混合物-電極轉換的染料敏化太陽能電池2。
透過本案之染料敏化太陽能電池之製造方法，以結合噴印技術將含有二氧化鈦(TiO2)奈米粒子之水溶性半導體溶劑及染料溶劑大面積地噴印於導電基板22上，並以乾膜封裝後注入液態電荷輸送媒介完成製程，可大面積且簡易地實施電極覆印製程，且可依據不同的需求而調整噴印形成的孔徑大小或圖樣，以達到少量多樣的產品生產。相較於傳統採用刮刀塗佈、旋轉式塗佈或是網版印刷等塗佈製程，本案採用之噴印技術除可有效率地進行大面積噴印之外，更可精準控制半導體膜23及染料24之厚度，且無需針對不同產品需求而另行重新製版，更具應用性。
請參閱第4圖，其係為製造本案較佳實施例之染料敏化太陽電池之噴印裝置之結構示意圖。如第4圖所示，實施前述噴印水溶性半導體溶劑及染料溶劑之噴印裝置4係為一噴液裝置，但不以此為限，且其係具有一平台機構40及至少兩組噴印頭組件41。其中，該平台機構40係可為一單向位移平台或是一雙向位移平台，主要供該至少兩組噴印頭組件41架構於其上，並進行相對位移，以進一步實施噴印作業。舉例來說，當被噴印物(即導電基板22)承載於平台機構40上時，該至少兩組噴印頭組件41係固定架構於該平台機構40上之一軸，例如：垂直方向之Y軸，則藉由該平台機構40於另一軸上之移動，例如：水平方向之X軸，以帶動導電基板22於X軸上產生位移，以進行噴印，當然，若平台機構40係為雙向位移平台，則該平台機構40相對於該至少兩組噴印頭組件41，除可在X軸上位移之外，亦可於Y軸進行位移，如此以形成頁寬(Page Width)噴印系統，並可加快噴印速度。
請續參閱第4圖，如圖所示，噴印裝置4中之該每一噴印頭組件41係具有承載座410、噴印單元411以及供液單元412，其中，該供液單元412連接至噴印單元411，且該噴印單元411係設置於承載座410上，該承載座410可以架構定位於平台機構40上，使噴印頭組件41與該平台機構40彼此連動作位移。於本實施例中，噴印單元411可為熱汽泡式噴墨頭或為壓電式噴墨頭，該熱汽泡式噴墨頭或壓電式噴墨頭，均更包含有複數組噴嘴孔(未圖示)及複數組噴液致動器(未圖示)，該複數組噴嘴孔係設置於噴印單元411之底部411a，且每一組噴嘴孔均對應一組噴液致動器，當供液單元412供輸液體給噴印單元411時，則可透過控制噴液致動器以進一步驅動噴印單元411內之液體由噴嘴孔噴出。於一些實施例中，噴液致動器係可為但不限為熱汽泡式加熱元件或壓電式致動元件。
以及，以本實施例為例，供液單元412係為一獨立之儲液機構，且其係透過一供液管413連接至該噴印單元411(或承載座410)，以將該獨立之供液單元412中儲有之液體傳輸至噴印單元411以進行噴印作業，進而形成一連續供液系統，並可達成大容量之連續噴印作業。然而，於另一些實施例中，供液單元412亦可為一與該承載座410一體成形之儲存容器，其實施態樣係可依實際施作情形而任施變化，並不以此為限。
當然，於本實施例中，該至少兩組噴印頭組件41之噴印單元411中容設之液體係分別為前述之含二氧化鈦(TiO2)奈米粒子之水溶性半導體溶劑及染料溶劑，藉此，當該導電基板22相對於其中一噴液頭組件41進行位移時，則可先噴印該水溶性半導體溶劑，藉此以在導電基板22之表面220上形成大面積及厚度均勻之多孔性結構之半導體膜23，其後，再使該噴有多孔性結構之半導體膜23之導電基板22相對於另一噴印頭組件41位移，以將染料溶劑精準噴印於前述之多孔性結構之半導體膜23上；其中，該含有二氧化鈦(TiO2)奈米粒子之水溶性半導體溶劑及染料溶劑噴印於導電基板22之表面220上的厚度係介於0.1 um至100 um之間，且不以此為限。
除此之外，本案之噴印裝置4更可透過其噴印頭組件41之噴印單元411上之噴嘴孔位置佈設或是不同的孔徑大小，以達成對導電基板22進行不同解析度的噴印作業。舉例來說，本實施例之噴印裝置4係可分別採用300dpi、600dpi及1200dpi等不同解析度的噴印單元411，進而可實施不同液滴體積噴印，其中，若採用300dpi之噴印單元411，則可達成噴出36~84pl(Pico Liter)之液滴體積噴印作業，若採用600dpi之噴印單元411，則可達成噴出15~35pl之液滴體積噴印作業，或是若採用1200dpi之噴印單元411，則可達成噴出15pl以下之液滴體積噴印作業。藉由此噴印裝置4除可將含有二氧化鈦(TiO2)奈米粒子之水溶性半導體溶劑及染料溶劑大面積噴印於導電基板22上外，更可藉由採用不同解析度噴印單元411，以實施不同液滴體積噴印作業，進而達成不同需求之噴印密度及維持其噴印之優良品質。
綜上所述，本案之染料敏化太陽能電池之製造方法係結合噴印技術，於導電基板上進行含二氧化鈦(TiO2)奈米粒子之水溶性半導體溶劑之噴印，藉此以形成多孔性結構之半導體膜，再透過噴印裝置於該多孔性結構之半導體膜上噴印染料溶劑，進而大面積地進行主電極板之噴印作業，並以乾膜封裝主電極板及負電極板後，再以蝕刻形成開孔，以注入電荷輸送媒介，進而完成染料敏化太陽能電池之製程。是以，透過此染料敏化太陽能電池之製造方法，除可精準地控制水溶性半導體溶劑及染料溶劑之噴印液滴體積之外，更可依照不同產品的需求而彈性調整其噴印出之圖樣，進而更富應用性，且利於少量多樣之產品生產。
本案得由熟知此技術之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。
1、2．．．染料敏化太陽能電池
10．．．陽極
11．．．陰極
12、12’、22、22’．．．導電基板
13、23．．．半導體膜
14．．．染料層
15、25．．．電解層
16、26．．．透明導電膜
20．．．主電極板
21．．．負電極板
220．．．表面
24．．．染料
250．．．容置空間
4．．．噴印裝置
40．．．平台機構
41．．．噴印頭組件
410．．．承載座
411．．．噴印單元
411a．．．底部
412．．．供液單元
413．．．供液管
S30~S37．．．染料敏化太陽能電池之製造流程
第1圖：其係為習知之染料敏化太陽電池之結構示意圖。
第2圖: 其係為本案較佳實施例之染料敏化太陽電池之結構示意圖。
第3圖：其係為本案較佳實施例之染料敏化太陽電池之製造流程圖。
第4圖：其係為製造本案較佳實施例之染料敏化太陽電池之噴印裝置之結構示意圖。
S30~S37．．．染料敏化太陽能電池之製造流程

Claims (10)

  1. 一種染料敏化太陽能電池之製造方法，其係包含下列步驟：
      (a)提供一負電極板；
      (b)提供一導電基板，以一噴印裝置將一水溶性半導體溶劑噴印於該導電基板之一表面上，以於該表面上形成一多孔性結構之半導體膜；
      (c)以該噴印裝置噴印一染料溶劑，使該染料溶劑覆蓋於該多孔性結構之半導體膜上；
      (d)將該導電基板進行烘烤燒結作業，以形成一主電極板；
      (e)將該主電極板與該負電極板進行封裝處理，且使該主電極板與該負電極板之間形成一封閉之容置空間；
      (f)進行蝕刻作業，以形成一開孔，且該開孔係與該容置空間相連通；
      (g)將一電荷輸送媒介透過該開孔注入於該容置空間中；以及
      (h)封閉該開孔。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池之製造方法，其中該負電極板係由一導電基板覆蓋一透明導電膜所構成，且該透明導電膜係由一導電材質所構成，該導電材質係為鉑觸媒及氧化銦錫至少其中之一。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之染料敏化太陽能電池之製造方法，其中該導電基板係為一玻璃及一薄膜基板至少其中之一。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池之製造方法，其中該噴印裝置係為一噴液裝置，該噴液裝置具有一平台機構及至少二組噴印頭組件。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之染料敏化太陽能電池之製造方法，其中該噴印頭組件具有噴印單元，其中噴印單元係為熱汽泡式噴墨頭。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之染料敏化太陽能電池之製造方法，其中該噴印頭組件具有噴印單元，其中噴印單元係為壓電式噴墨頭。
  7. 如申請專利範圍第4項所述之染料敏化太陽能電池之製造方法，其中該導電基板係承載於該平台機構上，承載該導電基板之平台機構係相對於該至少二組噴印頭組件進行單向或雙向位移，藉此以進行噴印作業。
  8. 如申請專利範圍第4項所述之染料敏化太陽能電池之製造方法，其中該至少二組噴印頭組件係分別容設該水溶性半導體溶劑及該染料溶劑。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池之製造方法，其中該水溶性半導體溶劑係為含有二氧化鈦奈米粒子之水溶性半導體溶劑，且該含有二氧化鈦奈米粒子之水溶性半導體溶劑及該染料溶劑噴印於該導電基板之該表面上之厚度係介於0.1um至100um之間。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池之製造方法，其中於該步驟(d)中，該烘烤燒結之溫度係為400度C，且於該步驟(e)中，該封裝處理係為一乾膜封裝處理作業。
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