TW201603293A - 太陽能電池及其製造方法 - Google Patents
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Abstract
一種太陽能電池,其包含一有機吸光層,具有一鈣鈦礦結構;以及一電洞傳輸層,配置於該有機吸光層的一第一表面上,該電洞傳輸層係由鎳氧化物所形成。再者,本發明另提供一種太陽能電池的製造方法,包括步驟(1)提供一電洞傳輸層,該電洞傳輸層係由鎳氧化物所形成;(2)形成具有鈣鈦礦結構的一有機吸光層,其具有一第一表面以及一第二表面,且該第二表面係位於該第一表面的對面,該電洞傳輸層係位於該第一表面上;以及(3)形成一電子傳輸層於該有機吸光層的該第二表面上。
Description
本發明係關於一種太陽能電池,特別是關於一種利用金屬氧化物作為電洞傳輸層的有機太陽能電池及其製造方法。
太陽能電池是目前所知的環保電力之一,在近年來能源短缺的情形下,各種高效率的新型太陽能電池正被積極的開發中。
染料敏化太陽能電池(dye-sensitized solar cell,DSSC)屬於新型太陽能電池的其中一種,相較於矽晶半導體的太陽能電池而言,材料便宜而且不需要在無塵環境下製作,因此被認為極具有開發及應用的潛力。目前已開發出利用鈣鈦礦結構的有機無機混合結晶材料甲胺鉛碘(CH3NH3PbI3)作為染料敏化材料形成主動吸光層,並由聚乙烯二氧噻吩聚苯乙烯磺酸(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrene-sulfonate),PEDOT:PSS)的有機高分子聚合材料構成電洞傳輸層,製備固態的染料敏化電池。鈣鈦礦結構的材料具有成本低且易於製造取得的優點,加上搭配不同的電荷傳輸層,可以被應用於可撓式基板。此外,其光電轉換效率在目前的研究中,已能趨近甚至超越一般昂貴的矽晶半導體的太陽能電池。
然而,在鈣鈦礦結構的太陽能電池中,通常所搭配的PEDOT:PSS等有機聚合物所形成的電洞傳輸層具有材料穩定性的問題,尤其是當太陽能電池總是在長期運行的情況下,此缺陷特別需要被改善。
故,有必要提供一種太陽能電池,利用無機化合物作為電洞傳輸層,以提高材料的穩定性,解決習用技術所存在的問題。
本發明之主要目的在於提供一種太陽能電池,包括一鈣鈦礦
結構的有機吸光層以及由金屬氧化物所形成的電洞傳輸層,以提高太陽能電池材料及結構的穩定性。此外,由於無機金屬氧化物相較於有機聚合物較為容易取得或製得,也降低了太陽能電池整體製程的複雜性。
本發明之次要目的在於提供一種太陽能電池的製造方法,利用上述容易製備取得的金屬氧化物,可達成簡化製程、降低成本的目的。
為達上述之目的,本發明的一實施例提供一種太陽能電池,包含一有機吸光層,具有一鈣鈦礦結構;以及一電洞傳輸層,配置於該有機吸光層的一第一表面上,其中該電洞傳輸層係由鎳氧化物所形成。
在本發明之一實施例中,該鎳氧化物具有一平面結構,該鎳氧化物為NiO、Ni2O3或其複合物。
在本發明之一實施例中,該有機吸光層係為有機鉛碘化合物,其分子式為CH3NH3PbI3。
在本發明之一實施例中,該有機吸光層另包含一奈米氧化鎳的多孔結構,使該有機吸光層具有一異質接面。
在本發明之一實施例中,另包含一電子傳輸層,配置於該有機吸光層的一第二表面上,該第二表面係相對於該第一表面。
在本發明之一實施例中,該電子傳輸層係由一金屬氧化物所形成。
在本發明之一實施例中,該金屬氧化物係為氧化鋅。
再者,本發明的另一實施例提供一種太陽能電池的製造方法,其包含步驟:(1)提供一電洞傳輸層,該電洞傳輸層係由鎳氧化物所形成;(2)形成具有鈣鈦礦結構的一有機吸光層,其具有一第一表面以及一第二表面,且該第二表面係位於該第一表面的對面,該電洞傳輸層係位於該第一表面上;以及(3)形成一電子傳輸層於該有機吸光層的該第二表面上。
在本發明之一實施例中,在步驟(1)中另包含先將該鎳氧化物利用塗佈法形成於一透明電極層之上。
在本發明之一實施例中,該有機吸光層係為有機鉛碘化合物,其分子式為CH3NH3PbI3。
在本發明之一實施例中,該電子傳輸層的材料係為一金屬氧
化物。
在本發明之一實施例中,該金屬氧化物係為氧化鋅。
在本發明之一實施例中,在該有機吸光層的形成步驟(2)中,另包含形成一奈米氧化鎳的多孔結構,使該有機吸光層具有一異質接面。
10‧‧‧太陽能電池
11‧‧‧有機吸光層
11a‧‧‧奈米氧化鎳的多孔結構
12‧‧‧電洞傳輸層
13‧‧‧電子傳輸層
14‧‧‧透明電極層
15‧‧‧基板
16‧‧‧金屬電極
第1圖顯示本發明第一實施例之一太陽能電池的結構示意圖。
第2圖顯示本發明第一實施例之太陽能電池的有機吸光層的細部結構示意圖。
為了讓本發明之上述及其他目的、特徵、優點能更明顯易懂,下文將特舉本發明較佳實施例,並配合所附圖式,作詳細說明如下。再者,本發明所提到的方向用語,例如上、下、頂、底、前、後、左、右、內、外、側面、周圍、中央、水平、橫向、垂直、縱向、軸向、徑向、最上層或最下層等,僅是參考附加圖式的方向。因此,使用的方向用語是用以說明及理解本發明,而非用以限制本發明。
首先,請參考第1圖,其係本發明第一實施例之一種太陽能電池10,包含一有機吸光層11,具有一鈣鈦礦結構;以及一電洞傳輸層12,配置於該有機吸光層11的一第一表面上,其中該電洞傳輸層12係由鎳氧化物所形成,該鎳氧化物以化學式NiOx代表,可為不同價數的鎳金屬氧化物,例如為NiO、Ni2O3或其複合物。由於鎳氧化物具有較高的功函數(work function),因此能夠提高元件的開路電壓(open-circuit voltage)。較佳的,該鎳氧化物具有一平面(planar)結構。該具有鈣鈦礦結構的有機吸光層11可例如是一有機鉛碘化合物,且其分子式為CH3NH3PbI3。依照本發明之第一實施例的該太陽能電池10,可另包含一電子傳輸層13,配置於該有機吸光層11的一第二表面上,其中該第二表面的位置係相對於該第一表面。該電子傳輸層13係由一金屬氧化物所構成,該金屬氧化物是一般能適用於染料敏化電池的電子傳輸層材料,舉例來說可為氧化鋅(ZnO),然不限於此。此外,
該太陽能電池10的結構中,依照實際使用的需求,更可以包括有一透明電極層14、一基板15以及一金屬電極16。該透明電極層14例如為氧化銦錫(ITO)薄膜,該基板15為透明玻璃板、塑膠板或可撓式聚合物基板,該金屬電極16可例如為鋁金屬電極,但並不限於此。太陽光可以從該透明電極層14及該基板15進入該太陽能電池10的內部結構中,進行了光電轉換之後產生電子電洞的電壓趨勢,而後,該金屬電極16導通其電流的傳遞迴路。
再者,如第2圖所示,在本發明第一實施例的該有機吸光層
11中,可另包含一奈米氧化鎳的多孔結構11a,使該有機吸光層11具有一異質接面(Heterojunction)。同樣的,在該太陽能電池10的結構中,該有機吸光層的該第一表面及第二表面上,包括有該透明電極層14、該基板15以及該金屬電極16。該透明電極層14例如為氧化銦錫(ITO)薄膜,該基板15為透明玻璃、塑膠或可撓式基板,該金屬電極16可例如為鋁金屬電極,但並不限於此。
本發明之第二實施例係提供一種太陽能電池10的製造方
法,其步驟包含(1)提供一電洞傳輸層12,該電洞傳輸層12係由鎳氧化物所形成;(2)形成具有鈣鈦礦結構的一有機吸光層11,其具有一第一表面以及一第二表面,且該第二表面係位於該第一表面的對面,該電洞傳輸層12係位於該第一表面上;以及(3)形成一電子傳輸層13於該有機吸光層的該第二表面上。
在步驟(1)中,該電洞傳輸層12的形成可例如是藉由將鎳氧
化物溶液以旋轉塗佈法被塗佈於一透明電極層14上,之後再進行加熱而形成。較佳的,可例如是在4000轉/每分鐘(rpm)進行旋轉塗佈90秒,而加熱進行方式則是在大氣中於300℃的溫度下進行退火60分鐘。
接著,在步驟(2)中,將該電洞傳輸層12配置於該有機吸光
層11的該第一表面上。該有機吸光層11的材料可例如是有機鉛碘化合物,其分子式為CH3NH3PbI3。該電子傳輸層13係由一金屬氧化物所構成,該金屬氧化物是一般能適用於染料敏化電池的電子傳輸層材料,舉例來說可為氧化鋅,然不限於此。而在該有機吸光層的形成步驟(2)中,可另包含:形成一奈米氧化鎳的多孔結構,使該有機吸光層具有一異質接面。該多孔
結構的形成,可藉由先製備1M的碘化鉛(PbI2)溶於N,N-二甲基甲酰胺,於奈米晶體的鎳氧化物薄膜上以6500轉/每分鐘進行塗佈5秒,接著在70℃之下退火30分鐘。取出冷卻至室溫後,將該鎳氧化物薄膜浸入10毫克/毫升(mg/mL)的甲基碘化銨(CH3NH3I)所配製的丙醇溶液中40秒,然後在70℃之下再度進行退火30分鐘,以形成奈米氧化鎳的多孔結構,此時的NiOx為NiO及Ni2O3的複合物。
為驗證本發明所提供之太陽能電池的效率,以PEDOT:PSS作為電洞傳輸層的材料為對照組,進行了測試及統計數據如下表1:
在此測試中,電洞傳輸層材料PEDOT:PSS以及氧化鎳均利用旋轉塗佈法製備並形成於鈣鈦礦結構的有機吸光層CH3NH3PbI3的表面,旋轉速率為9500轉/每分鐘,有機吸光層的另一邊所設置的電子傳輸層材料為一富勒烯衍生物[6.6]-苯基-C61-丁酸甲酯([6,6]-Phenyl C61 butyric acid methyl ester,PCBM)。
從表1可知,依照本發明所提供的太陽能電池,鎳氧化物(NiOx)所形成的電洞傳輸層對於光電轉換效率有大幅的提升。如同實驗結果所示,以鎳氧化物作為電洞傳輸層材料的太陽能電池所測得的光電轉換效率是7.8%,而以傳統有機聚合物作為電洞傳輸層材料,則僅能達到光電轉換效率為3.9%。
相較於習知技術,依照本發明所提供之太陽能電池及其製造方法,由於利用鎳氧化物作為電洞傳輸層的材料,在其結構及製造步驟上相對較單純,目前已能提高太陽能電池材料及結構的穩定性,並維持一定水準的光電轉換效率。此外,若進一步利用金屬氧化物(如氧化鋅)作為有機
吸光層另一側結構中的電子傳輸層材料,則更能提升太陽能電池的整體結構穩定性,且簡化製程並降低成本,在長時間的運轉下更能顯出其優勢。另外,可應用於可撓式基板上使其更具有競爭力。
雖然本發明已以較佳實施例揭露,然其並非用以限制本發明,任何熟習此項技藝之人士,在不脫離本發明之精神和範圍內,當可作各種更動與修飾,因此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。
10‧‧‧太陽能電池
11‧‧‧有機吸光層
12‧‧‧電洞傳輸層
13‧‧‧電子傳輸層
14‧‧‧透明電極層
15‧‧‧基板
16‧‧‧金屬電極
Claims (13)
- 一種太陽能電池,其包含:一有機吸光層,具有一鈣鈦礦結構;以及一電洞傳輸層,配置於該有機吸光層的一第一表面上,其中該電洞傳輸層係由鎳氧化物所形成。
- 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池,其中該鎳氧化物具有一平面結構,該鎳氧化物為NiO、Ni2O3或其複合物。
- 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池,其中該有機吸光層係為有機鉛碘化合物,其分子式為CH3NH3PbI3。
- 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池,其中該有機吸光層另包含一奈米氧化鎳的多孔結構,使該有機吸光層具有一異質接面。
- 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池,另包含一電子傳輸層,配置於該有機吸光層的一第二表面上,該第二表面係相對於該第一表面。
- 如申請專利範圍第5項所述之太陽能電池,其中該電子傳輸層係由一金屬氧化物所形成。
- 如申請專利範圍第6項所述之太陽能電池,其中該金屬氧化物係為氧化鋅。
- 一種太陽能電池的製造方法,其包含步驟如下:(1)提供一電洞傳輸層,該電洞傳輸層係由鎳氧化物所形成;(2)形成具有鈣鈦礦結構的一有機吸光層,其具有一第一表面以及一第二表面,且該第二表面係位於該第一表面的對 面,該電洞傳輸層係位於該第一表面上;以及(3)形成一電子傳輸層於該有機吸光層的該第二表面上。
- 如申請專利範圍第8項所述之太陽能電池的製造方法,其中在步驟(1)中另包含先將該鎳氧化物利用塗佈法形成於一透明電極上。
- 如申請專利範圍第8項所述之太陽能電池的製造方法,其中該有機吸光層係為有機鉛碘化合物,其分子式為CH3NH3PbI3。
- 如申請專利範圍第8項所述之太陽能電池的製造方法,其中該電子傳輸層的材料係為一金屬氧化物。
- 如申請專利範圍第11項所述之太陽能電池的製造方法,其中該金屬氧化物係為氧化鋅。
- 如申請專利範圍第8項所述之太陽能電池的製造方法,其中在該有機吸光層的形成步驟(2)中,另包含:形成一奈米氧化鎳的多孔結構,使該有機吸光層具有一異質接面。
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