TW201742262A - 塗佈石墨烯量子點於太陽能電池的製造方法 - Google Patents

塗佈石墨烯量子點於太陽能電池的製造方法 Download PDF

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Abstract

本發明為一種塗佈石墨烯量子點於太陽能電池的製造方法，其係將一石墨烯與一乙醇溶液均勻混合成一樣品，並將樣品依序經過雷射消融法、離心純化以及分子篩過濾等處理程序，以取得一石墨烯量子點溶液。之後再利用液滴塗佈法將石墨烯量子點溶液滴塗於一太陽能電池之表面，靜置處理數分鐘使乙醇溶液蒸發，而後於太陽能電池之表面形成一石墨烯量子點塗佈層。於此，石墨烯量子點塗佈層受太陽光照射所產生之光致載子能轉移至太陽能電池，增加太陽能電池的載子濃度，進而增進太陽能電池的光電轉換效率。

Description

塗佈石墨烯量子點於太陽能電池的製造方法
本發明係有關於一種塗佈石墨烯量子點於太陽能電池的製造方法，其尤指一種太陽能電池之表面具有石墨烯量子點的製造方法。
近年來環保意識的抬頭，使得綠色能源(Green Energy)之發展益發受到矚目，成為世界各國研究發展的重點。其中，綠色能源係為一種乾淨、無汙染且無耗竭之可能的再生能源，諸如水力、風力、生質能(沼氣)、地熱能、海潮能、太陽能等皆涵蓋在內。
從太陽能發展的角度來切入探討，因應誕生之太陽能電池(Solar Cells)即為目前運用再生能源的表率產品之一。太陽能電池也被稱之為光伏電池(Photovoltaic Cells)，是一種以半導體材料所製成的光電元件，按其習知基本構造係由一P型半導體與一N型半導體接合而成，接合之處被稱之為P-N半導體接面。
太陽能電池的發電原理係利用光伏效應(Photovoltaic Effect)將光能轉換成電能使用。當太陽能電池接收太陽光時，會吸收能量大於本身材料能帶隙(Energy Bandgap)的光子，激勵電子由價電帶(Valence Band)躍升至導電帶(Conduction Band)，而產生電子電洞對。在P-N半導體接合處，由於有效載子濃度不同而造成的擴散影響，將會產生一個由N指向P的內建電場，因此當太陽光被P-N接合處的半導體吸收時，所產生的電子將會受電場作用而移動至N型半導體處，電洞則移動至P型半導體處，以此於兩側累積電荷，產生一從N型區域往P型區域移動之電流。將P型半導體與N型半導體分別以一電極/導線連接相關設備，即可供應太陽能電池所提供之電力輸出使用。
另外，太陽能電池依其材料種類可區分為矽晶系、化合物半導體以及新材料/新技術等類型；矽晶系包含非結晶系與結晶系，結晶系又向下細分了單晶矽、多晶矽；化合物半導體包含了IV、II-VI族半導體和III-V族半導體；新材料/新技術則包含了有機系、奈米技術等太陽能電池結構。
太陽能電池的發展方向一直以來皆以高光電轉換效率作為主要目標，以III-V族多接面太陽能電池(III-V Multijunction Solar Cells)為例，其具直接能隙(Direct Bandgap)特性而有高吸光率與高光電轉換效率之表現，且可薄膜化以及高溫操作之溫度穩定性等優點，已逐漸成為該領域開發應用之焦點。
依常理而言，一種新的技術研發問世，伴隨著激勵與其相互鏈結之設備/元件帶來相對應的革新，如此一來方可因應新的生產效率下的需求。為了增進太陽能電池的光電轉換效率，進而於各產業提升利用性之述求，目前新興發展的一種二維材料-石墨烯(Graphene)已經受到相當程度的重視與利用。
該材料於2004年經由英國若干科學家所組成之研究團隊實驗出其存在性後，開闢了石墨烯於各領域中製備結合之輝煌成就。尤其，石墨烯的廣泛應用性亦有觸及與太陽能電池結合之製程中，石墨烯優異的化學、熱、導電、機械等特性，創建了石墨烯料材與光伏元件新的研究方向，可構建出相較於目前習知之太陽能電池類型具有更佳之高光電轉換效率的產品。
石墨烯量子點是由石墨烯組成，其橫向直徑小於數十奈米且表面和側面具有化學官能基修飾的奈米粒子。石墨烯量子點表現出顯著的量子侷限效應和邊緣效應，導致能階不連續而放出螢光。石墨烯量子點具有良好的化學穩定性和生物相容性、低毒性、低成本、無光致漂白等優越的特性，在生醫感測、細胞成像、光電元件等領域有無限的應用潛力。
本發明之一目的係提供一種塗佈石墨烯量子點於太陽能電池的製造方法，其係依序利用雷射消融法、離心純化以及分子篩過濾等處理程序，將石墨烯和乙醇溶液混合之液體製造出一石墨烯量子點溶液。
本發明之一目的係提供一種塗佈石墨烯量子點於太陽能電池的製造方法，其係利用液滴塗佈法將石墨烯量子點溶液滴塗於一太陽能電池之表面，靜置蒸發乙醇溶液後，形成一石墨烯量子點塗佈層。藉由石墨烯量子點塗佈層與太陽能電池表面層的功函數差，使得石墨烯量子點塗佈層因太陽光照射所產生的光致載子，可以轉移至太陽能電池，進而增加太陽能電池的載子濃度，藉此提升太陽能電池的光電轉換效率。
本發明之一目的係提供一種塗佈石墨烯量子點於太陽能電池的製造方法，其中製備太陽能電池之表面具有石墨烯量子點塗佈層之方法簡易、成本低廉且無汙染等優點。
為了達到上述目的、功效所採用之技術手段，本發明係提供一種塗佈石墨烯量子點於太陽能電池的製造方法，其係將一石墨烯與一乙醇溶液混合之一樣品，置放於一旋轉台上利用雷射消融法照射樣品5分鐘，而後再將樣品以6000rpm之旋轉速率離心純化，並以孔徑為0.22μm之分子篩過濾取得一石墨烯量子點為3.5nm之溶液。再來利用液滴塗佈法將石墨烯量子點溶液滴塗於一太陽能電池之表面，靜置5分鐘以將乙醇溶液蒸發，最後於太陽能電池之表面形成一石墨烯量子點塗佈層。其中，石墨烯量子點塗佈層比太陽能電池之表面層具有較小之功函數，因此石墨烯量子點塗佈層因太陽光照射所產生的光致載子可轉移至太陽能電池，增加了太陽能電池的載子濃度，進而提升了太陽能電池的光電轉換效率。
為使對本發明之特徵及所達成之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例及配合詳細之說明，說明如後：
參閱第一圖，其為本發明之塗佈石墨烯量子點於太陽能電池的製造方法之流程圖。如圖所示，本發明製造石墨烯量子點於太陽能電池的方法係包含以下步驟: 步驟S1: 提供一石墨烯與一乙醇溶液均勻混合成一樣品，固定該樣品於一旋轉台上進行旋轉，並以一雷射消融法以雷射照射該樣品； 步驟S2: 再將該樣品離心純化後，以複數分子篩過濾取得一石墨烯量子點溶液；以及 步驟S3: 利用一液滴塗佈法將該石墨烯量子點溶液滴塗於一太陽能電池之表面，經該乙醇溶液蒸發後，於該太陽能電池之表面形成一石墨烯量子點塗佈層。
承接前段，並一併參閱第二圖以及第三圖，其為本發明之石墨烯量子點塗佈層與太陽能電池之示意圖，以及石墨烯量子點觀測圖。本發明係將石墨烯與乙醇溶液均勻混合之樣品(未圖示)，取600微升固定於一旋轉台(未圖示)上，旋轉台之旋轉速率設定為80rpm。而雷射消融法係以波長為415nm，能量為48mJ之脈衝雷射(Optical parametric oscillator pulsed laser)聚焦於樣品上照射5分鐘。之後再將雷射處理後的樣品以6000rpm之旋轉速率的離心機離心純化，並以孔徑為0.22μm之複數分子篩(未圖示)過濾樣品，以取得一石墨烯量子點(Graphene Quantum Dots)溶液1(如第二圖所示)；其中，如第三圖所示，係以5nm之比例尺下去量測石墨烯量子點於穿透式電子顯微鏡(Transmission Electron Microscope)觀測之尺寸大約為3.5nm。
接續以液滴塗佈法將石墨烯量子點溶液1滴塗於一太陽能電池3之表面，靜置5分鐘使乙醇溶液蒸發，而於太陽能電池3之表面形成一石墨烯量子點塗佈層5；其中，液滴塗佈法係以一吸管7吸取5微升之石墨烯量子點溶液1滴塗於太陽能電池3之表面。太陽能電池3可為III-V族多接面太陽能電池(III-V Multijunction Solar Cells)或者是III-V族單接面太陽能電池(III-V Single junction Solar Cells)。
由於石墨烯量子點與III-V族太陽能電池頂層材料的功率數具有差別，因此當石墨烯量子點塗佈層5照射太陽光時，所產生的光致載子係可轉移至太陽能電池3之表面層。太陽能電池3的載子濃度增加，亦即增加了短路電流，進而提高太陽能電池3的光電轉換效率。
請一併第四圖，其為本發明之III-V族多接面太陽能電池的電流-電壓特性曲線圖。依照習知之III-V族單接面太陽能電池之能量轉換效率可達到30%，III-V族多接面太陽能電池之能量轉換效率可達到40%以上。本發明為了再提升III-V族太陽能電池的能量轉換效率，係藉由塗佈石墨烯量子點之製程於III-V族太陽能電池上，並利用電流-電壓量測比較含有/不含石墨烯量子點的III-V族太陽能電池之曲線圖。如第四圖所示，可以發現到含有石墨烯量子點的III-V族多接面太陽能電池所測得的能量轉換效率相較於不含石墨烯量子點的III-V族多接面太陽能電池之能量轉換效率增加了約28%的效能。
再者，III-V族太陽能電池為高聚光型太陽能電池，其具有較為寬廣的太陽光譜吸收範圍、高能量轉換效率，且無矽晶系太陽能電池由於以矽提煉所產生的副產品汙染問題。另外於運用領域方面較為不受限制，可於須高精密度、環境條件較為嚴峻之航太、氣象、通訊等領域進行運用。又，利用本發明所製成之石墨烯量子點屬於無毒碳基材、製備方法簡單快速、成本低廉。因此本發明從合成原料、合成過程，乃至最終產物都隸屬於無汙染之物質。
綜合上述，本發明藉由提供一製造石墨烯量子點的方法，並將其塗佈於III-V族單接面/多接面太陽能電池上，以此增加III-V族太陽能電池的能量轉換效率。其中，製造石墨烯量子點的製備方法簡單、快速、成本低廉，並且隸屬於無汙染之碳基材。當將其塗佈於III-V族太陽能電池時，可以兼具石墨烯的優點與III-V族太陽能電池的長處，藉此發揮了兩者的最佳效能，使得III-V族太陽能電池的能量轉換效率更為提升。
本發明確實已經達於突破性之結構，而具有改良之發明內容，同時又能夠達到產業上利用性與進步性，當符合專利法之規定，爰依法提出發明專利申請，懇請　鈞局審查委員授予合法專利權，至為感禱。
S1‧‧‧步驟
S2‧‧‧步驟
S3‧‧‧步驟
1‧‧‧石墨烯量子點溶液
3‧‧‧太陽能電池
5‧‧‧石墨烯量子點塗佈層
7‧‧‧吸管
第一圖:其為本發明之塗佈石墨烯量子點於太陽能電池的製造方法之流程圖； 第二圖:其為本發明之石墨烯量子點塗佈層與太陽能電池之示意圖； 第三圖:其為本發明之石墨烯量子點觀測圖；以及 第四圖:其為本發明之III-V族多接面太陽能電池的電流-電壓特性曲線圖。
S1‧‧‧步驟
S2‧‧‧步驟
S3‧‧‧步驟

Claims (7)

  1. 一種塗佈石墨烯量子點於太陽能電池的製造方法，其步驟包含: 提供一石墨烯與一乙醇溶液均勻混合成一樣品，固定該樣品於一旋轉台上進行旋轉，並以一雷射消融法以雷射照射該樣品； 再將該樣品離心純化後，以複數分子篩過濾取得一石墨烯量子點溶液；以及 利用一液滴塗佈法將該石墨烯量子點溶液滴塗於一太陽能電池之表面，經該乙醇溶液蒸發後，於該太陽能電池之表面形成一石墨烯量子點塗佈層。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之塗佈石墨烯量子點於太陽能電池的製造方法，其中該旋轉台之旋轉速率為80rpm。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之塗佈石墨烯量子點於太陽能電池的製造方法，其中該雷射消融法係以波長415nm、能量48mJ之脈衝雷射聚焦於該樣品。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之塗佈石墨烯量子點於太陽能電池的製造方法，其中於離心純化之步驟中，旋轉速率為6000rpm。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之塗佈石墨烯量子點於太陽能電池的製造方法，其中該些分子篩之孔徑為0.22μm。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之塗佈石墨烯量子點於太陽能電池的製造方法，其中該石墨烯量子點的尺寸為3.5nm。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之塗佈石墨烯量子點於太陽能電池的製造方法，其中該太陽能電池為III-V族多接面太陽能電池或III-V族單接面太陽能電池。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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