TW201642501A - 染料敏化太陽能電池及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種染料敏化太陽能電池，包括：第一透明導電基板，其中第一透明導電基板上設有奈米結構半導體層，以及染料設置於奈米結構半導體層上；第二透明導電基板，與第一透明導電基板相對設置，其中第二透明導電基板上設有一催化層朝向奈米結構半導體層；以及電解液，設置於第一透明導電基板與第二透明導電基板之間。本發明亦提供一種染料敏化太陽能電池的製造方法。

Description

染料敏化太陽能電池及其製造方法
本發明係有關於一種太陽能電池，且特別係有關於一種染料敏化太陽能電池及其製造方法。
隨著地球人口增加，人類對於能源之需求亦然增加，而能源問題一直是人們所面臨重要課題之一，故替代能源開發為目前人類首要課題，各國目前正積極開發太陽能、地熱、風力發電、水力發電及生質能等相關綠色能源，用以替代有限資源及減少環境汙染，其中太陽能源中又以染料敏化太陽能電池為其發展趨勢，係因染料敏化太陽能電池具有成本低廉、製程簡易、輕薄、攜帶便利及色彩性等優點，因應用範圍廣大而備受矚目。
染料敏化太陽能電池(Dye-sensitized Solar Cell,DSSC)具有製程簡易、成本低廉、輕薄、攜帶便利及可撓性等優勢，其研究發展與市場開發具有極大潛力。
1991年，瑞士科學家M.Grätzel發表多孔性二氧化鈦薄膜吸附一單分子染料層，其光電轉換效率可達7.1%~7.9%，並發現此種釕金屬衍生物之染料分子可吸收近全波長範圍之太陽光，經研究得知最佳之光電轉換效率可達11.18%。於2003年，M.Grätzel發表使用釕金屬吡啶錯合物(N719)染料作為濕式染料敏化太陽能電池之染料，其光電轉換效率於一標準太陽能模擬 光源(AM 1.5)下量測可得10.58%。2011年，K.C.Ho使用市售有機金屬染料N719、Black dye及元素114(Flerovium,Fl)有機染料備製染料敏化太陽能電池，其最佳效率可達5.10%。2013年中興大學、交通大學及瑞士洛桑聯邦理工學院合作研究紫質分子以人工葉綠素之概念備製出最新的有機光敏材料，可有效吸收太陽光之可見光及近紅外光波段，將光能轉換為電能，其光電轉換效率可達至13.1%。
中華民國發明專利公開編號TW 201115809 A「可撓式染料敏化太陽能電池及其製造方法」，發明人李坤穆及童永樑，其提供一種製備電極的方法，包括以電泳沉積法依序沉積不同粒徑之金屬氧化物或單一粒徑之金屬氧化物二次粒子於透明基板上，接著進行加壓及浸泡染料等步驟以完成電極，並進一步應用於太陽電池中。上述金屬氧化物浸泡染料之步驟可早於電泳沉積步驟，以進一步縮短浸泡時間及降低浸泡溫度。
中華民國發明專利公開編號TW 201333997 A1「電泳沉積陰極電容器」，發明人布雷頌伯特 史提夫、寇漢 尼森、艾德爾曼 艾利克斯及凱崔洛 瑞文，其提供一種電解電容器，包括：金屬殼罐；多孔的顆粒狀陽極，配置在金屬殼罐內；電解質，配置在金屬殼罐內；以及陰極元件，其是由電泳沉積之金屬或是金屬氧化物粉末所形成，且具有均勻的厚度，配置在金屬殼罐內並且包圍著陽極。並提供一種製造電解電容器的方法，包括：提供金屬殼罐；在金屬殼上電泳沉積耐火金屬氧化物以形成陰極元件；並在殼罐內放置多孔的顆粒狀陽極與電解質，使得陰極元件與陽極元件由電解質所分開。
中華民國發明專利公開編號TW 201401599 A「可撓式染料敏化太陽能電池及其製造方法」，發明人周榮泉、邱于益、楊淑英及胡睿恩，其提供一種可撓式染料敏化太陽能電池，包括：第一導電塑膠基板；緻密層，形成於第一導電塑膠基板上；多孔半導體層，形成於緻密層上；染料，形成於多孔半導體層上；電解質，形成於染料上；催化性電極，形成電解質上；第二導電塑膠基板，形成於催化性電極上；以及反射層，形成於第二導電塑膠基板上。並提供一種可撓式染料敏化太陽能電池之製造方法。
中華民國發明專利證書號I372794「染料敏化太陽能電池與奈米TiO2多層薄膜電極之電泳沉積法製造方法」，發明人張合及陳韋安，其提供一種以奈米TiO2製備高孔隙率多層薄膜電極之製造方法且運用於染料敏化太陽能電池之中，而此奈米TiO2多層薄膜係以電泳沉積法來完成；此製造方法包含有電泳槽、電源供應器、導電基材(Al)、導電基板(FTO/ITO/PET)及電泳懸浮液。首先以TiO2奈米顆粒與異丙醇所混合的電泳懸浮液藉由電泳技術沉積出適當厚度之多層膜結構，此多層膜需經溫燒結，且對於不同的基底選擇適當的燒結溫度，而經過燒結的薄膜緻密度良好，將此多層薄膜作為染料敏化太陽能電池之工作電極，封裝完後之染料敏化太陽能電池，經由I-V曲線檢測結果顯示，具有極高之光電轉換效率及低的製造成本。
中華民國發明專利證書號I4126297「染料敏化太陽能電池模組及其製法」，發明人施文欽、鄭健民、陳昱豪、江美昭及李懷安，其提供一種電泳沉積方法包括：提供電泳槽、陽極基板以及陰極基板；將陽極基板與陰極基板相對設置於電泳槽中；調 整陽極基板與陰極基板之相對位置，使得陽極基板上各區域與相對應之陰極基板上各區域間具有不相等之距離；以及分別輸入陽極電壓與陰極電壓至陽極基板之陽極電極與陰極基板之陰極電極，以進行電泳沉積。
本發明之一實施例係揭示一種染料敏化太陽能電池，包括：第一透明導電基板，其中第一透明導電基板上設有奈米結構半導體層，以及染料設置於奈米結構半導體層上；第二透明導電基板，與第一透明導電基板相對設置，其中第二透明導電基板上設有一催化層朝向奈米結構半導體層；以及電解液，設置於第一透明導電基板與第二透明導電基板之間。本發明提供一種染料敏化太陽能電池的製造方法。
本發明之另一實施例係揭示一種染料敏化太陽能電池之製造方法，包括：以電泳沉積製程形成奈米結構半導體層於第一透明導電基板上；將具有奈米結構半導體層之第一透明導電基板浸泡於染料溶液中，以形成染料於奈米結構半導體層上；實施鍍覆製程，形成催化層於第二透明導電基板上；對向組立第一透明導電基板及第二透明導電基板，其中奈米結構半導體層係朝向催化層；以及注入電解液於第一透明導電基板及第二透明導電基板之間。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，作詳細說明如下：
10‧‧‧電泳沉積裝置
11‧‧‧第一透明導電基板
11’‧‧‧第二透明導電基板
12‧‧‧惰性金屬電極
13‧‧‧電泳懸浮液
20‧‧‧染料敏化太陽能電池
21‧‧‧電解液
22‧‧‧奈米結構半導體層
23‧‧‧染料
24‧‧‧催化層
30‧‧‧等效電路模型
R1、R2、R3‧‧‧電阻
C1、C2‧‧‧電容
第1圖顯示本發明一些實施例中電泳沉積裝置之示意圖。
第2圖顯示本發明一些實施例之染料敏化太陽能電池。
第3圖顯示本發明一些實施例之染料敏化太陽能電池的等效電路模型。
第4圖顯示本發明一些實施例之奈米結構半導體層之奈奎斯特(Nyquist)頻譜圖。
本發明提供一種染料敏化太陽能電池，其包括：對向設置的第一透明導電基板、第二透明導電基板、及設於其間之電解液。第一透明導電基板上設有奈米結構半導體層，以及染料設置於奈米結構半導體層上。第二透明導電基板上設有一催化層朝向奈米結構半導體層。
在一些實施例中，可利用電泳沉積法製備具有奈米結構半導體層的第一透明導電基板。電泳沉積法之工作原理為電泳懸浮液受電場作用產生遷移並沉積於作為電極的導電基板上，電泳沉積的過程分為二步驟：(1)電泳(electrophoresis)：懸浮液中帶電粒子受電場作用而產生泳動行為；(2)沉積(deposition)：帶電粒子於導電基板上凝聚成一緊密半導體層，進而被製備成染料敏化太陽能電池之工作電極。本發明採用電泳沉積法製備具有奈米結構半導體層的第一透明導電基板，具有製程簡單、省時之優勢。
第1圖顯示本發明一些實施例中電泳沉積裝置10之示意圖。電泳沉積裝置10包括透明導電基板11、惰性金屬電極12與電泳懸浮液13。透明導電基板11與惰性金屬電極12可分別作為電泳沉積製程的陰極或陽極。在一實施例中，利用透明導電基板 11作為陰極，利用惰性金屬電極12作為陽極，將上述陰極與陽極置於含有半導體奈米粒子的電泳懸浮液13中，並施加電流進行電泳沉積製程，以使電泳懸浮液13中的半導體奈米粒子沉積於透明導電基板11上，而形成奈米結構半導體層。
透明導電基板11可使用各種透明導電基板。在一些實施例中，透明導電基板11可包括透明基板以及形成於其上的透明導電層。透明基板可包括硬質基板(例如，玻璃)、可撓性基板(例如，高分子)、其他合適之基板或上述之組合。透明導電層可包括氧化銦錫(indium tin oxide,ITO)、氧化鋅(ZnO)、含氟氧化錫(fluorine doped tin oxide,FTO)、氧化鋁鋅(aluminum zinc oxide,AZO)、氧化鋅鎵(gallium zinc oxide,GZO)或上述之組合。選擇透明導電基板11的基板材料時，主要是考量能否承受後續熱製程(例如，熱退火)的高溫。而選擇透明導電基板11的透明導電層材料時，主要是考量是否會釋出金屬離子而對電泳沉積造成不良影響。在一些實施例中，透明導電基板11可包括氧化銦錫玻璃(ITO-glass)、含氟氧化錫玻璃(FTO-glass)或其他具有透明導電層的軟性基板。
在一些實施例中，透明導電基板11的透明導電層厚度介於約5-80nm之間。若透明導電層太薄，則透明導電基板11的片電阻(sheet resistance)過低，將降低後續製造的染料敏化太陽能電池的填充因子(fill factor)。反之，若透明導電層太厚，則透明導電基板11對於入射光的穿透度下降，將導致後續製造的染料敏化太陽能電池的光電流下降。因此，藉由控制透明導電基板11的透明導電層厚度在適當的範圍，可改善染料敏化太陽能電池的 光電轉換效率。
惰性金屬電極12可包括任何具有良好導電性且不會在電泳操作電壓下產生氧化還原反應之金屬。在一些實施例中，惰性金屬電極12可使用金、鈀、鉑或上述之組合。
電泳懸浮液13中可包括懸浮於分散劑中的半導體奈米粒子。選擇分散劑時，主要是考慮分散劑是否能將半導體奈米粒子均勻地分散。若分散劑的分散效果不佳，則半導體奈米粒子會聚集(aggregate)形成團塊，將嚴重降低所形成之半導體層的比表面積，進而減少染料的吸附量及染料敏化太陽能電池的光電轉換效率。適當之分散劑可包括碳數為2-10且為線性或具有分支的醇、碳數為2-10且為線性或具有分支的酮或上述之組合。在一些實施例中，分散劑可為2,4-戊二酮。
選擇電泳懸浮液13的半導體奈米粒子時，主要是考慮半導體奈米粒子的能階是否與染料及電解質之氧化還原電位相匹配。此外，半導體奈米粒子對於後續形成之染料的吸附性也應一併考量。若半導體奈米粒子對於後續形成之染料的吸附性不佳，將降低敏化太陽能電池的光電轉換效率。在一些實施例中，半導體奈米粒子可為二氧化鈦(TiO2)奈米粒子。
再者，在調配電泳懸浮液13時，選擇適當的半導體奈米粒子粒徑與濃度，能夠使敏化太陽能電池具有較佳的效能。在一些實施例中，半導體奈米粒子的粒徑介於10-40nm之間。若半導體奈米粒子的粒徑太小，則後續形成的奈米結構半導體層之孔隙度與孔洞太小，不利於染料與電解液進出。反之，若半導體奈米粒子的粒徑太大，則後續形成的奈米結構半導體層之孔洞太 大且比表面積太低，同時也降低染料的吸附量。不論半導體奈米粒子的粒徑太大或太小，都會降低染料敏化太陽能電池的光電流及光電轉換效率。在一些實施例中，半導體奈米粒子的濃度介於0.5-10wt%之間。若半導體奈米粒子的濃度太高，則奈米粒子容易聚集沉降，無法形成具有奈米結構的半導體層。反之，若半導體奈米粒子的濃度太低，則奈米粒子數量過少，將不利於半導體層的成膜。
此外，電泳懸浮液13亦可包括其他成分。在一些實施例中，電泳懸浮液13可包括碘粉。碘粉可吸附於染料或奈米粒子(例如，TiO2)表面，以使後續所形成之染料敏化太陽能電池的工作電極表面累積正電荷，因此可降低TiO2導電帶之能階，並提高電子注入TiO2之速率。此外，在二氧化鈦電泳懸浮液中的碘劑量對二氧化鈦粒子的沉積速度及薄膜厚度具有影響效應，二氧化鈦懸浮粒子之電泳遷移率(Electrophoretic Mobility,μ)隨著碘含量增加而得到提升，如以下公式(1)所示：
其中Ze代表粒子所攜帶之電荷量，單位為Columb；η代表懸浮液之黏度，單位為N‧s/m2；a代表粒子之流體力學直徑，單位為m。
在電泳製程的沉積期間中，可選用持續施加固定電位或持續施加固定電流的方式進行半導體奈米粒子的沉積。在一些實施例中，電泳製程採取施加固定電位的方式，且所施加的電位為約2-15V/cm之間。在一些實施例中，電泳製程採取施加固定 電位之方式，其電位為約4.0-5.0V/cm之間，且沉積時間為約30-90s之間。在本實施例中，電位=4.5V/cm，且沉積時間為60s具最佳化光電特性。在另一些實施例中，電泳製程採取施加固定電流的方式，且所施加的電流為約5-20mA之間。需注意的是，若電泳沉積的電位或電流過低，則不利於半導體奈米粒子的沉積成膜，將導致奈米結構半導體層的厚度不足，因而無法有效地催化染料分子的還原反應，進而增加後續製造的染料敏化太陽能電池的阻抗值。反之，若電泳沉積的電位或電流過高，則半導體奈米粒子的沉積速度太快且堆疊鬆散，所產生的奈米結構半導體層會具有裂痕且其薄膜結構不佳，將導致電子不易傳遞，亦會增加後續製造的染料敏化太陽能電池的阻抗值。
在電泳製程之後，電泳懸浮液13中的半導體奈米粒子沉積於透明導電基板11的表面，而形成具有奈米結構的半導體層。上述奈米結構可包括奈米多孔性結構、奈米線結構、奈米管結構或上述之組合。在一些實施例中，奈米結構為奈米多孔性結構，且其比表面積介於約35m2/g至65m2/g之間。由於奈米結構半導體層具有高比表面積的奈米結構，因此可增進染料之吸附量，進而提升染料敏化太陽能電池的光電轉換效率。
此外，在形成奈米結構半導體層於透明導電基板11之後，可實施退火製程，以去除奈米結構半導體層中源自於分散劑的有機物，同時增加奈米結構半導體層對於透明導電基板的附著力，並且改善奈米結構半導體層的薄膜緻密性、平整性及導電性。需注意的是，若退火溫度太低，則無法明顯改善奈米結構半導體層的薄膜特性。反之，若退火溫度太高，則導致透明導電層 熔化，提升光電子轉移之阻抗，因而使染料敏化太陽能電池的短路電流密度及光電轉換效率下降。在一些實施例中，退火溫度為450℃至650℃。在另一些實施例中，退火溫度為450℃至550℃。
經過上述電泳製程及退火製程之後，即可形成奈米結構半導體層22，如第2圖所示。若奈米結構半導體層太薄，則染料吸附量過低，將降低後續製造的染料敏化太陽能電池的光電轉換效率。反之，若奈米結構半導體層太厚，則會增加電子逆向再結合(recombination)的機率，降低傳遞至導電基板的電子總數，因而導致染料敏化太陽能電池的短路電流密度與光電轉換效率不佳。因此，藉由控制奈米結構半導體層22之厚度在適當的範圍，可改善染料敏化太陽能電池的光電轉換效率。在一些實施例中，奈米結構半導體層22之厚度為5微米至20微米。
第2圖顯示本發明一些實施例之染料敏化太陽能電池20。以下將配合第2圖說明染料敏化太陽能電池20的製造流程。染料敏化太陽能電池20包括第一透明導電基板11，其製備方法係將上文所述之具有奈米結構半導體層22的透明導電基板11浸泡於染料溶液中，以使染料23吸附於奈米結構半導體層22的表面。選擇染料23的材料時，可考慮其是否能滿足下列需求：(1)染料能夠緊密吸附於奈米結構半導體層22的表面，並能夠快速達到吸附平衡而不易自表面脫落；(2)染料的吸收光譜與太陽能光譜有良好之匹配性；(3)染料的氧化態及激發態具備高度穩定性與活性；(4)染料的激發態壽命(life time)長，且電荷傳輸效率高；(5)染料具有與奈米結構半導體層22相匹配的氧化還原電 位；以及(6)染料於氧化還原過程中具有相對低的電位，以利於減少初級與次級間之電子轉移能量損失。
在一些實施例中，染料23包括能夠吸收光且具激發電子功能之有機釕金屬錯合物粉末，例如N3(Ruthenium-535 BIS)染料、Z907(Ruthenium520-DN)染料、N719(Ruthenium 535-bis TBA)染料或N749(Ruthenium 620-1H3 TBA)染料。在另一些實施例中，染料23包括黑染料(Black dye)或葉綠素染料。
如第2圖所示，染料敏化太陽能電池20包括第二透明導電基板11’，以及催化層24形成於第二透明導電基板11’之上。第二透明導電基板11’可使用與上述第一透明導電基板11相同的各種透明導電基板，合適的透明導電基板如上文所述，在此不再詳述。在一些實施例中，第二透明導電基板11’與第一透明導電基板11使用相同的透明基板以及形成於其上的透明導電層。在另一些實施例中，第一透明導電基板11使用玻璃等可承受較高製程溫度的硬質基板；由於第二透明導電基板11’不需經過熱退火製程，因此可使用具有透明導電層的軟性基板(例如，高分子基板)。
如第2圖所示，於第二透明導電基板11’之上可設置催化層24。催化層24為可加速催化電解液氧化還原反應之材料，包括鉑金屬、石墨烯及奈米碳管。可藉由合適的鍍覆製程將催化層24形成於第二透明導電基板11’上。在一些實施例中，鍍覆製程可包括射頻濺鍍法、刮刀塗佈法、旋轉塗佈法、其他合適的製程或上述之組合。若催化層24之厚度太薄，則催化電解液氧化還原反應的效果不佳。若催化層24之厚度太厚，則會造成製造成本提高。 在一些實施例中，催化層24之厚度為100nm至300nm。
將上述第一透明導電基板11與第二透明導電基板11’對向組立，其中催化層24係朝向奈米結構半導體層22。之後，在第一透明導電基板11與第二透明導電基板11’之間注入電解液21，以形成如第2圖所示的染料敏化太陽能電池20。選擇電解液21的成份時，可考慮其是否能滿足下列需求：(1)電解液之氧化還原對需考量染料氧化還原電位的有效再生；(2)電解液之電解質在所使用之溶劑中具備高溶解度，以確保足夠之電子濃度並且避免擴散阻力；(3)電解液具備高擴散係數，以利於質傳發生；(4)電解液於可見光波段中沒有吸收峰，以避免入射光被電解液吸收；(5)電解液具備高穩定性；(6)電解液具備高速之氧化還原速率，以利於電子傳遞；以及(7)電解液不可腐蝕第一、第二透明導電基板、催化層及奈米結構半導體層。
電解液21可由電解質、添加劑及溶劑所組成。電解質包括液態電解質、固態電解質或離子液體電解質，這些電解質中具有合適反應電位的氧化還原對。添加劑可包括能夠增加染料敏化太陽能電池性能之添加劑、能夠減少電子電洞再結合(recombination)之添加劑、能夠提高導電性以增加電子傳遞速率之添加劑。溶劑可包括任何能夠有效溶解上述電解質及添加劑的溶劑。
在一些實施例中，電解液21之電解質可包括碘(Iodide,I2)，其氧化還原對為I3 -/I-。在電解質為碘的實施例中，電解液21之添加劑可包括：碘化鈉(Sodium iodide,NaI)、碘化鋰(Lithium iodide,LiI)、碘化1-丙基-2,3-二甲基咪唑(1-propyl-2,3-dimethylimidazolium iodide,DMPII)、4-叔丁基吡啶(4-tert-butylpyridine,TBP)或上述之組合。在一些實施例中，電解液21之溶劑可包括：乙腈(Acetonitrile)、3-甲氧基丙腈(3-methoxy propionitrile,MPN)、碳酸丙烯酯(Propylene carbonate,PC)或上述之組合。
本發明採用電泳沉積法配合退火製程製備具有奈米結構半導體層的第一透明導電基板，具有製程簡單、省時之優勢。再者，採用本發明之製造方法所形成的奈米結構半導體層具有高比表面積，能夠增進染料之吸附量，並且具有與染料及電解質之氧化還原電位相匹配的能階。因此，所製造的染料敏化太陽能電池具有較佳的光電轉換效率及效能。
【實施例】
奈米結構半導體層之製備
(1)取一含氟氧化錫玻璃基板(FTO-glass)，以去離子水清洗後置於烘箱內乾燥備用。
(2)混合TiO2奈米粉體、2,4-戊二酮及碘粉，以得到電泳懸浮液，上述各成份分別為0.25克：25毫升：0.025克。
(3)利用電泳製程將上述電泳懸浮液沉積於含氟氧化錫玻璃(FTO-glass)上，使其形成奈米結構半導體層，所形成之奈米結構半導體層有效面積為0.8cm×0.8cm。其中電泳製程採取施加固定 電位的方式，且所施加的電位為4.5V/cm。
(4)將上述具有奈米結構半導體層形成於其上的含氟氧化錫玻璃置於烘箱內，在450℃之退火爐內退火30分鐘，以去除TiO2薄膜之有機物並增加薄膜附著力，改善薄膜品質及提升導電性。所形成的奈米結構半導體層之厚度為5微米至20微米。
染料之製備
(1)取0.0170g之N3染料粉末溶於80mL之99.8%無水酒精，以超音波振盪器均勻混合15分鐘，得到濃度為3×10-4M之染料溶液。
(2)接著將上述具有奈米結構半導體層形成於其上的含氟氧化錫玻璃置於染料溶液中，於25℃浸泡24小時即可。
電解液之製備
取0.5M碘化鋰(Lithium Iodide,LiI)、0.6M金屬碘化物(1-propyl-2,3-dimethylimidazolium iodide,DMPII)、0.5M 4-特-丁基吡啶(4-Tert-Butylpyridine,TBP)及0.05M碘(Iodine,I2)溶於15mL之3-甲氧基丙腈(3-methoxypropionitrile,MPN)形成一電解質溶液，並以超音波振盪10分鐘。
染料敏化太陽能電池界面阻抗量測
以電化學阻抗分析儀(BioLogic SP-150,France)量測染料敏化太陽能電池於異質界面處之阻抗。此方法具有可長時間量測，對測量元件系統不會造成影響，以及數據處理方便等優勢。此方法係藉由施加小振幅正弦波電位(10mV)或電流為擾動信號，並外加正偏壓0.7V，經模擬可得一奈奎斯特(Nyquist)圖，其中實數軸為一個阻抗矢量；虛數軸為元件之頻譜特性，以設定頻 率範圍50mHz~1MHz研究染料敏化太陽能電池之電極系統，速度較快之異質接面處阻抗頻譜會於高頻區域出現；速度較慢之異質接面處阻抗頻譜會於低頻區域出現。因此，由奈奎斯特(Nyquist)圖可得知測量元件之電化學過程包含數個不同異質接面處，並依據相應異質接面處阻抗頻譜特徵探討相對應之動力學特性。
等效電路模型架構
如第3圖所示，本實施例之電化學阻抗分析係藉由一等效電路模型30模擬染料敏化太陽能電池於異質界面處之阻抗。在第3圖中，電阻R1、R2、R3分別為導線與透明導電基板之歐姆電阻R1、惰性金屬電極與電解液間產生之電荷轉移電阻R2及透明導電基板與電解液間產生之電荷轉移電阻R3；電容C1、C2分別為惰性金屬電極與電解液間產生之雙層電容C1及透明導電基板與電解液間產生之化學電容C2。以二極方式量測染料敏化太陽能電池電化學特性，將電壓源輸入端正極接至染料敏化太陽能電池之對電極；將電壓源輸入端負極接至染料敏化太陽能電池之工作電極，進行模擬而得到一奈奎斯特(Nyquist)頻譜圖。
表1顯示以不同電泳沉積時間所備製之染料敏化太陽能電池的開路電壓(Open-circuit Voltage,VOC)、短路電流密度(Short-circuit Current Density,JSC)、填充因子(Fill Factor,F.F.)及光電轉換效率(Photoelectric Conversion Efficiency,η)。如表1所示，電泳沉積時間越久，則奈米結構半導體層的厚度越厚。由表1可知，奈米結構半導體層越厚，則於浸泡染料過程中會吸附越多染料，因此能夠提升染料敏化太陽能電池的短路電流值，進而提升光電轉換效率。然而，若奈米結構半導體層過厚，則會增加電 子逆向再結合的機率，導致傳遞至導電基板的電子總數減少，導致染料敏化太陽能電池的短路電流密度與光電轉換效率不佳。由表1可知，電泳沉積為60秒時，染料敏化太陽能電池可得到最佳的特性參數。
表2顯示以不同退火溫度所備製之染料敏化太陽能電池的開路電壓(VOC)、短路電流密度(JSC)、填充因子(F.F.)及光電轉換效率(η)。如表2所示，當退火溫度從450℃增加至650℃，染料敏化太陽能電池的光電特性隨之下降，例如開路電壓從0.80V降至0.16V、短路電流密度從5.17mA/cm2降至0.15mA/cm2，光電轉換效率從2.40%降至0.11%。光電特性下降的原因在於，退火溫度過高會造成透明導電基板的導電層熔化，因而提升光電子轉移之阻抗，導致短路電流密度及光電轉換效率下降。
表3顯示奈米結構半導體層於不同電泳沉積時間之阻抗模擬值。
第4圖顯示本發明之一些實施例之一奈米結構半導體層之奈奎斯特(Nyquist)頻譜圖。如表3及第4圖所示，在本實施例中，模擬所得之奈奎斯特(Nyquist)頻譜圖與實際染料敏化太陽能電池量測所得之奈奎斯特(Nyquist)頻譜圖相仿。因此證明本發明所提供之等效電路模型與實際染料敏化太陽能電池結構相似，可有效模擬染料敏化太陽能電池於異質接面處之電阻、電容及電感變化，並達到節省時間及節省成本之目的。
本發明提供的染料敏化太陽能電池具有較佳的光電轉換效率及效能，且其製造方法具有製程簡單、省時之優勢。再者，本發明提供與實際染料敏化太陽能電池結構相似的等效電路模型，可有效模擬染料敏化太陽能電池於異質接面處之電阻、電容及電感變化。將此等效電路模型應用於染料敏化太陽能電池的光電特性模擬測試，可進一步節省測試時間及成本。
雖然本發明已以數個較佳實施例揭露如上，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，當可作任意之更動與潤飾，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。
11‧‧‧第一透明導電基板
11’‧‧‧第二透明導電基板
20‧‧‧染料敏化太陽能電池
21‧‧‧電解液
22‧‧‧奈米結構半導體層
23‧‧‧染料
24‧‧‧催化層

Claims (16)

  1. 一種染料敏化太陽能電池，包括：一第一透明導電基板，其中該第一透明導電基板上設有一奈米結構半導體層，以及一染料設置於該奈米結構半導體層上；一第二透明導電基板，與該第一透明導電基板相對設置，其中該第二透明導電基板上設有一催化層朝向該奈米結構半導體層；以及一電解液，設置於該第一透明導電基板與該第二透明導電基板之間。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池，其中該催化層包括鉑金屬、石墨烯、奈米碳管或上述之組合。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池，其中該奈米結構半導體層包括複數個二氧化鈦奈米粒子，其中該等二氧化鈦奈米粒子形成於該第一透明導電基板上之後具有一奈米結構。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之染料敏化太陽能電池，其中該奈米結構包括奈米多孔性結構、奈米線結構、奈米管結構或上述之組合。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池，其中該奈米結構半導體層的厚度為5-20μm。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池，其中該染料包括N3(Ruthenium 535 BIS)染料、N719(Ruthenium 535 BIS-TBA)染料、黑染料(Black dye)或葉綠素 染料。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池，其中該電解液包括一碘離子/碘錯離子之氧化還原對、一添加劑及一溶劑。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池，其中該第一透明導電基板及該第二透明導電基板各自包括一玻璃基板或一軟性可撓式基板。
  9. 一種染料敏化太陽能電池之製造方法，包括：以一電泳沉積製程形成一奈米結構半導體層於一第一透明導電基板上；將具有該奈米結構半導體層之該第一透明導電基板浸泡於一染料溶液中，以形成一染料於該奈米結構半導體層上；實施一鍍覆製程，形成一催化層於一第二透明導電基板上；對向組立該第一透明導電基板及該第二透明導電基板，其中該奈米結構半導體層係朝向該催化層；以及注入一電解液於該第一透明導電基板及該第二透明導電基板之間。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之染料敏化太陽能電池之製造方法，更包括在形成該奈米結構半導體層於該第一透明導電基板上之上，在450-650℃的溫度下進行一退火製程。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之染料敏化太陽能電池之製造方法，其中該鍍覆製程包括射頻濺鍍法、刮刀塗佈法或旋轉塗佈法。
  12. 如申請專利範圍第9項所述之染料敏化太陽能電池之製造方法，其中該電泳沉積製程為固定電壓製程或固定電流製程。
  13. 如申請專利範圍第9項所述之染料敏化太陽能電池之製造方法，其中該電泳沉積製程包括：添加一二氧化鈦奈米粒子懸浮液於一槽體中；以及以該第一透明導電基板作為陰極或陽極之中的一者，並且以一惰性金屬電極作為陰極或陽極之中的另一者，在一沉積期間中持續施加一固定電位或一固定電流。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之染料敏化太陽能電池之製造方法，其中該沉積期間為30-90秒。
  15. 如申請專利範圍第13項所述之染料敏化太陽能電池之製造方法，其中該二氧化鈦奈米粒子懸浮液包括一二氧化鈦奈米粒子粉體、一分散劑及一碘粉。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之染料敏化太陽能電池之製造方法，其中該分散劑為2,4-戊二酮。
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