TW201824598A - 染料敏化光伏型電池、模組及其製造方法 - Google Patents

Abstract

本案揭露一種染料敏化光伏型電池、模組及其製造方法，包括：提供工作電極，並於工作電極上設置第一溝槽以定義第一區域及第二區域，第一區域及第二區域分別設有至少一半導體層；提供對電極，並於對電極上設置第二溝槽以定義第三區域及第四區域，其中分別設有至少一催化層且分別設有至少一導電線；設置封裝層於第一區域及第二區域，且分別圍繞第一區域之至少一半導體層及第二區域之至少一半導體層；於封裝層圍繞之區域內填充電解液；透過封裝層連接工作電極及對電極，第一區域係相對於第三區域且第二區域係相對於第四區域；及透過第一溝槽或第二溝槽，以串聯導電元件電連接第二區域之工作導電層與第三區域之導電線。

Description

染料敏化光伏型電池、模組及其製造方法

本發明關於一種染料敏化光伏型電池，特別是指一種以特定方法製造之染料敏化光伏型電池及其模組。

染料敏化光伏型電池(Dye-Sensitized Photovoltaic Cell)，又稱染料敏化太陽能電池(Dye-Sensitized Solar Cell,DSSC)，是一種新型的太陽能電池，其原料及製作成本比起傳統的矽太陽能電池低廉許多，故近年來引起相當多關注。隨著物聯網感測器及行動裝置等設備的電源供應需求漸漸浮現，在低光源下仍具有優異發電轉換效率的DSSC的應用將更重要。

近年來，軟性DSSC因其重量輕、可撓曲、應用範圍廣泛等優點，引起了無電池物聯網感測器應用業者的高度重視。由於DSSC之單元電壓通常大於或等於0.4V且小於或等於0.6V，如欲將各單元串聯以提升電壓，傳統上是將數個獨立的軟性DSSC單元在外部利用導線進行串接。但是，由於各獨立的軟性DSSC單元都有各自的封裝邊存在，若採用此方法進行單元串聯，所產生出之模組的無效區將非常大。

另外一種軟性DSSC組件的串聯方法，是將一側的工作電極和在另一側的對電極藉由穿孔並於該孔填充導電性材料而串接。該孔貫穿整個DSSC單元且兩側被防護阻隔體保護，以防止電解液洩露與腐蝕導電性 材料，若未設置防護阻隔體或防護阻隔體破損，則易導致DSSC失效。

透過穿孔進行串聯之方法的缺點為，在填充導電性材料之前，需要分別將各DSSC單元鑽孔，而此步驟是耗時且會增加DSSC單元的製造成本。此外，為了防止各側串聯用的導電性材料被電解液腐蝕，需設置防護阻隔體保護導電性材料，而防護阻隔體的塗佈與製作過程亦會提高DSSC單元的成本。

有鑒於上述先前技術的問題，本發明的目的就是在提供一種染料敏化光伏型電池的製造方法，以串聯與封裝DSSC單元。也就是說，透過配合工作電極與對電極基板的圖形與形狀設計，改變了DSSC單元串聯方式。進一步，根據本發明所述之製造方法，不需要在各DSSC單元鑽孔與填充串接用的導電性材料，也免去了防護阻隔體的塗佈製程，這種串聯與封裝的方法可以大幅度減少DSSC組件的製作時間，並可以進一步減少DSSC的製造成本。另外，根據本發明所述之製造方法，由於串聯是在電池封裝前完成，大幅度降低了因為外部導線串接所產生的無效區域，使根據本發明的DSSC單元具有緊密且薄的結構。

根據本發明之一目的，提出一種染料敏化光伏型電池之製造方法，染料敏化光伏型電池可包括工作電極及對電極，工作電極可包括工作基板、工作導電層及至少一半導體層，且對電極可包括對基板、對導電層、至少一催化層及至少一導電線。方法可包括下列步驟：提供工作電極，並於工作電極上設置第一溝槽以定義第一區域及第二區域，其中第一區域及第二區域分別設有至少一半導體層；提供對電極，並於對電極上設置第 二溝槽以定義第三區域及第四區域，其中第三區域及第四區域分別設有至少一催化層且第三區域及第四區域分別設有至少一導電線；設置封裝層於工作電極的第一區域及第二區域，且封裝層分別圍繞第一區域之至少一半導體層及第二區域之至少一半導體層；於封裝層圍繞之區域內填充電解液；透過封裝層連接工作電極及對電極，其中第一區域係相對於第三區域且第二區域係相對於第四區域；及透過第一溝槽或第二溝槽，以串聯導電元件電連接第二區域之工作導電層與第三區域之導電線。

較佳地，在填充該電解液後，前述製造方法可更包括將工作電極置於真空環境下，去除電解液中的氣泡。

較佳地，前述製造方法可更包括分切染料敏化光伏型電池並移除無效區，以形成染料敏化光伏型電池單元。

較佳地，前述製造方法可更包括利用外封裝膜密封封裝染料敏化光伏型電池單元。

較佳地，外封裝膜之水氣透過率(Water Vapor Transmission Rate，WVTR)大於或等於1g/m²˙day且小於或等於1×10^-6g/m²˙day，及/或該外封裝膜之氧氣透過率(Oxygen Transmission Rate，OTR)大於或等於1cc/m²˙day且小於或等於1×10^-6cc/m²˙day。

較佳地，工作導電層及對導電層中至少一者可以透明導電材料製成。

較佳地，透明導電材料可包括銦錫氧化物(ITO)、摻氟氧化錫(FTO)、石墨烯、ZnO-Ga₂O₃、ZnO-Al₂O₃、SnO₂-Sb₂O₃或其組合。

較佳地，工作導電層及對導電層中其中之一可以不透明導電 材料製成。

較佳地，不透明導電材料可包括鈦板、不鏽鋼板、鍍鎳鐵板、鍍鎳鈦板、鍍鈦鐵板、鍍鈦鋼板或不鏽鋼塑料複合板。

較佳地，導電線可以包含導電性顆粒之油墨印刷在對電極上而形成。

較佳地，前述製造方法可更包括設置導電線保護膠以覆蓋對電極上之導電線，導電線保護膠可為抗電解液腐蝕的高分子材料。

較佳地，封裝層可包含抗電解液腐蝕的封裝材料。

較佳地，導電線保護膠及封裝層可分別獨立地包括熱熔封裝膜、紫外線固化膠、熱硬化封裝膠或熱熔封裝膠。

較佳地，封裝層可圍繞但不接觸半導體層。

較佳地，串聯導電元件可包括銀、碳、銅、石墨烯或上述材料的混合物。

較佳地，催化層可包括Pt、Ru、Pd、Rh、Ir、Os、WO₃、TiO₂、石墨或其混合物。

較佳地，電解液可為液體電解質、離子液體電解質或液態聚合物電解質。

根據本發明之另一目的，提出一種染料敏化光伏型電池，其可以前述封裝方法製造而成。

根據本發明之再一目的，提出一種染料敏化光伏型電池，其可以複數個前述之染料敏化光伏型電池串聯或並聯而成。

透過實施本發明，可以大幅度減少DSSC元件的製作時間， 並可以進一步減少DSSC的製造成本，使DSSC單元具有緊密且薄的結構。

本發明的上述以及其它目的、特徵與優點，在參照以下的詳細說明與較佳實施例和隨文檢附的圖式後，將變得明顯。

1‧‧‧染料敏化光伏型電池

100‧‧‧對電極

110‧‧‧對導電層

120‧‧‧催化層

130‧‧‧導電線

140‧‧‧導電線保護膠

150‧‧‧封裝層

160‧‧‧對基板

200‧‧‧工作電極

210‧‧‧工作導電層

220‧‧‧電解液

230‧‧‧半導體層

250‧‧‧工作基板

300‧‧‧第一溝槽

300’‧‧‧第二溝槽

400‧‧‧串聯導電元件

500‧‧‧外封裝膜

600‧‧‧外封裝膠

700‧‧‧染料敏化光伏型電池單元

L‧‧‧光線

S1‧‧‧第一區域

S2‧‧‧第二區域

S3‧‧‧第三區域

S4‧‧‧第四區域

參考隨附的圖式來詳細說明本發明的示範性實施例，可以讓熟習本技術的人士更明白本發明的前述及/或其它特點與優點，其中：

第1圖係根據本發明之一實施例之染料敏化光伏型電池的剖面圖。

第2A至2C圖係根據本發明之一實施例之染料敏化光伏型電池之製造方法的示意圖。

第3圖係根據本發明之一實施例之裁切後之染料敏化光伏型電池的示意圖。

下文中將參考隨附的圖式來更完整說明本發明的範例實施例；然而，它們亦可以不同的形式來具現並且不應被視為受限於本文中所提出的實施例。確切地說，本文中提供該些實施例係要讓本揭示內容更臻透澈與完整，並且完整地傳達本發明的範疇給熟習本技術的人士。

在以下說明中，「上」、「下」、「左」、「右」係用來說明元件的相對位置，而非元件的絕對位置。在圖式中，各層與區域的維度可能會被放大以達清楚解釋之目的。還應該瞭解的是，當提及某一層或元件位於另一層或基板「之上」時，其可能係直接位於該另一層或基板之上，或者，亦可能存在中間層。此外，還應該瞭解的是，當提及某一層位於兩層「之 間」時，其可能係該等兩層之間的唯一層，或者，亦可能存在一或多層中間層。所有圖式中相同的元件符號表示相同的元件。

本說明書中所稱「染料敏化光伏型電池、模組及其製造方法」至少係指將染料敏化光伏型電池的工作電極、對電極、組裝、串聯後，再完成封裝的過程。更明確地，本說明書中所稱「染料敏化光伏型電池、模組及其製造方法」至少係指組裝工作電極、對電極、串聯，再使用外封裝膜完成封裝的過程。

現在將參考第1圖及第2A至2C圖來說明根據本發明一示範性實施例的染料敏化光伏型電池及其製造方法。第1圖所示的係根據一示範性實施例的染料敏化光伏型電池的剖面圖，而第2A至2C圖所示的係染料敏化光伏型電池之製造方法的示意圖。

請參照第1圖，其繪示根據本發明之一實施例之染料敏化光伏型電池1的剖面圖。其中，染料敏化光伏型電池1可具可撓性，即其可為軟性染料敏化光伏型電池，但不以此為限。染料敏化光伏型電池1包括對電極100、工作電極200、串聯導電元件400、外封裝膜500及外封裝膠600。其中，對電極100及工作電極200，兩者係相對設置，並以封裝層150相連接，使染料敏化光伏型電池1內部形成一封閉空間，可容納電解液220。

工作電極200包括工作導電層210、半導體層230及工作基板250，工作導電層210可設置於工作基板250之任一側或二側，而半導體層230則設置於工作導電層210之上方。

對電極100包括對基板160、對導電層110、催化層120及導電線130。在一實施例中，導電線130上更可設置導電線保護膠140，以覆蓋導 電線130並防止電解液220侵蝕導電線130。對導電層110之一表面上依序設置催化層120及導電線130，亦即半導體層230隔著電解液220與催化層120及導電線130相對，且導電線保護膠體140覆蓋導電線130，避免導電線130接觸電解液220。

在一實施例中，包含工作基板250、工作導電層210的工作電極200以及包含對基板160、對導電層110的對電極100中至少一個電極以透明材料及透明導電材料所製成，以使光線L通過，達到發電功能。也就是說，在一個實施態樣中，工作電極為透明材料所製成，光線可透過工作電極而到達半導體層，進行發電。在另一個實施態樣中，對電極為透明材料所製成，光線可透過對電極而到達半導體層，進行發電。在又一實施態樣中，工作電極與對電極皆為透明材料所製成，光線可同時透過工作電極與對電極而到達半導體層，進行發電。

在第1圖所示實施例中，工作導電層210可以軟性透明導電材料所製成，所使用的軟性透明導電材料可包括銦錫氧化物(ITO)、摻氟氧化錫(FTO)、石墨烯、ZnO-Ga₂O₃、ZnO-Al₂O₃、SnO₂-Sb₂O₃或上述物質之組合，亦可使用其他習知之透明導電材料，不以此所列舉之例子為限制。在另一實施例中，工作導電層210及對導電層110其中之一可用不透明導電材料製成，此不透明導電材料可包括具可撓性的不透明導電材料。在一較佳實施例中，不透明導電材料可包括鈦板、不鏽鋼板、鍍鎳鐵板、鍍鎳鈦板、鍍鈦鐵板、鍍鈦鋼板及不鏽鋼塑料複合板，亦可使用其他習知可承受電解液腐蝕之導電材料，不以此所列舉之例子為限制。

半導體層230可為奈米多孔薄膜。在一實施例中，半導體層 230之材料可包括Ti、Nb、Zn、Sn、Ta、W、Ni、Fe、Cr、V、Pm、Zr、Sr、In、Ir、La、Mo、Mg、Al、Y、Sc、Sm或Ga等金屬之金屬氧化物、或上述金屬之混合物的金屬氧化物。值得注意的是，半導體層230可吸附光敏染料，吸附光敏染料之半導體層230在吸收光線L後可釋放電子，達成發電效果。在一實施態樣中，半導體層230的厚度較佳大於或等於0.01微米且小於或等於1000微米(μm)、大於或等於0.1微米且小於或等於500微米或大於或等於1微米且小於或等於100微米。

在一實施例中，催化層120之材料可包括Pt、Ru、Pd、Rh、Ir、Os、WO₃、TiO₂、石墨或上述材料之混合物。

封裝層150之材料可選用熱熔封裝膜、紫外線固化膠、熱硬化封裝膠、熱熔封裝膠或其他具有強抗電解液腐蝕性能的封裝材料。封裝層150的厚度較佳大於或等於0.1微米且小於或等於1000微米、大於或等於0.1微米且小於或等於500微米或大於或等於1微米且小於或等於100微米。

導電線130之材料可為銀、碳、銅、石墨烯或其他具有導電性能的導電材料。

導電線保護膠140之材料可選用熱熔封裝膜、紫外線固化膠、熱硬化封裝膠、熱熔封裝膠或其他具有強抗電解質腐蝕性能的封裝材料。導電線保護膠140的厚度較佳大於或等於0.1微米且小於或等於1000微米、大於或等於0.1微米且小於或等於500微米或大於或等於1微米且小於或等於100微米。

串聯導電元件400之材料可為銀、碳、銅、石墨烯、錫或其他具有導電性能的導電材料。

電解液220可為液體電解質、離子液體電解質、液態聚合物電解質其中一種。其中，液體電解質可包含有機溶劑，如酯類及腈類和碘化物添加劑；離子液體電解質可包含離子液體，如PMII和碘化物添加劑；以及液態聚合物電解質可包含如聚乙二醇加入戊二醛的乙腈溶液和碘化物添加劑。

對基板160及工作基板250可包含高分子薄膜、金屬薄板或陶瓷板等材料，亦可使用其他習知可承受電解液腐蝕之材料。其中，高分子薄膜包括但不限於聚對苯二甲酸乙二酯(PET)或聚對萘二甲酸乙二酯(PEN)；而金屬薄板包括但不限於鈦板或不鏽鋼板。

外封裝膜500之材料的水氣透過率(Water Vapor Transmission Rate，WVTR)大於或等於1g/m²˙day且小於或等於1×10^-6g/m²˙day，及/或氧氣透過率(Oxygen Transmission Rate，OTR)大於或等於1cc/m²˙day且小於或等於1×10^-6cc/m²˙day。

外封裝膠600之材料可選用熱熔封裝膜、紫外線固化膠、熱硬化封裝膠、熱熔封裝膠或其他具有高阻水阻氣能力的封裝材料。

值得注意的是，第1圖中所示之染料敏化光伏型電池結構僅為例示性，其具體結構並不以圖式所示為限。舉例來說，可以在染料敏化光伏型電池上另外設置金屬柵極及保護層。

在一實施例中，本說明書中所述之染料敏化光伏型電池可以下列步驟製造而成。包括下列步驟：提供工作電極，並於工作電極上設置第一溝槽以定義第一區域及第二區域，其中第一區域及第二區域分別設有至少一半導體層；提供對電極，並於對電極上設置第二溝槽以定義第三區 域及第四區域，其中第三區域及第四區域分別設有至少一催化層且第三區域及第四區域分別設有至少一導電線；設置封裝層於工作電極的第一區域及第二區域，且封裝層分別圍繞第一區域之至少一半導體層及第二區域之至少一半導體層；於封裝層圍繞之區域內填充電解液；透過封裝層連接工作電極及對電極，其中第一區域係相對於第三區域且第二區域係相對於第四區域；及透過第一溝槽或第二溝槽，以串聯導電元件電連接第二區域之工作導電層與第三區域之導電線。

請參照第2A圖至第2C圖，其繪示根據本發明之一具體實施例之染料敏化光伏型電池的製造方法。此方法可用以封裝、製造第1圖之染料敏化光伏型電池1，然並不限制於此。本案所述之染料敏化光伏型電池製造方法可用以串聯及封裝各種結構不同的染料敏化光伏型電池。

首先，請參照第1圖及第2A圖所示，提供工作電極200，其包括工作基板250、工作導電層210及半導體層230。工作電極200上可設置L型之第一溝槽300，且根據第一溝槽300可定義出第一區域S1及第二區域S2，而半導體層230則分別設置於第一區域S1及第二區域S2。值得注意的是，半導體層可為一個、二個、三個或數個，其形狀不限。在第2A圖之實施例中，半導體層以三個長方形平行排列為例示，不以此為限。

接著，請參照第1圖及第2B圖所示，提供對電極100，其包括對基板160、對導電層110、催化層120、導電線130及導電線保護膠140。於對電極100上設置1字型之第二溝槽300’，並由第二溝槽300’定義出第三區域S3及第四區域S4。在第2B圖之實施例中，催化層全面塗佈於對導電層上為例示，不以此為限。

再請參照第1圖及第2A圖所示，於第一區域S1及第二區域S2的工作導電層210上設置口字型之封裝層150，使封裝層150圍繞半導體層230外側，形成一封閉空間。將電解液220填充於封裝層150內側，亦即半導體層230，或半導體層230與工作導電層210上方，視封裝層150是否接觸半導體層230而定。在本實施態樣中，封裝層150圍繞但不接觸半導體層230，故電解液220除位於半導體層230上外，亦接觸工作導電層210。

進一步，請參照第1圖及第2C圖所示，將對電極100設置於封裝層150，使第一區域S1相對於第三區域S3且第二區域S2相對於第四區域S4，以透過封裝層150連接工作電極200及對電極100。也就是說，利用封裝層150將工作電極200與對電極100進行貼合，並固化封裝層150。

最後，利用第一溝槽300或第二溝槽300’作為工作空間，將工作電極200的第二區域S2與對電極100的第三區域S3利用串聯導電元件400進行連接，以電連接第二區域S2之工作導電層210與第三區域S3之導電線130，完成串聯。

在一實施例中，可如第2C圖所示，沿著虛線將所述完成串聯的染料敏化光伏型電池進行分切並移除無效區。在另一實施例中，可將分切後之染料敏化光伏型電池，進一步利用外封裝膜500及外封裝膠600，將完成分切的染料敏化光伏型電池進行外封裝，即完成第3圖所示之具有串聯結構的染料敏化光伏型電池單元700。

在一較佳實施例中，在連接工作電極200及對電極100前，可將已填充電解液220之工作電極200置於真空環境下，去除電解液220中的氣泡，並在真空下將工作電極200與對電極100進行貼合，並固化封裝層150， 以去除及避免封裝過程所產生的氣泡。

此外，在另一較佳實施例中，可串聯或並聯多個上述之染料敏化光伏型電池單元，形成一染料敏化光伏型電池模組，以提供更高的電壓或電容量。

雖然上述實施例的封裝方法係從工作電極開始進行，但並不限於此。在本發明的其他實施態樣中，工作電極跟對電極可以交換，也就是先從對電極開始封裝。舉例來說，首先提供對電極(包括對導電層)。接著於對導電層上設置一封裝層，此封裝層於對導電層上定義一空間。再來設置工作電極於該封裝層之上，以封裝層連接對電極與工作電極。

本文中已經揭示過本發明的示範性實施例，雖然有用到特定的用詞；不過，應該以上位及說明性的意義來解釋它們，而且沒有限制的目的。據此，熟習本技術的人士便會瞭解，可以對其形式與細節進行各種變化，其並不會脫離下面申請專利範圍中所提出之本發明的精神與範疇。

Claims (19)

1. 一種染料敏化光伏型電池之製造方法，該染料敏化光伏型電池包括一工作電極及一對電極，該工作電極包括一工作基板、一工作導電層及至少一半導體層，該對電極包括一對基板、一對導電層、至少一催化層及至少一導電線，該方法包括：提供該工作電極，並於該工作電極上設置一第一溝槽以定義一第一區域及一第二區域，其中該第一區域及該第二區域分別設有該至少一半導體層；提供該對電極，並於該對電極上設置一第二溝槽以定義一第三區域及一第四區域，其中該第三區域及該第四區域分別設有該至少一催化層且該第三區域及該第四區域分別設有該至少一導電線；設置一封裝層於該工作電極的該第一區域及該第二區域，且該封裝層分別圍繞該第一區域之該至少一半導體層及該第二區域之該至少一半導體層；於該封裝層圍繞之區域內填充一電解液；透過該封裝層連接該工作電極及該對電極，其中該第一區域係相對於該第三區域且該第二區域係相對於該第四區域；及透過該第一溝槽或該第二溝槽，以一串聯導電元件電連接該第二區域之該工作導電層與該第三區域之該導電線。
2. 如申請專利範圍第1項所述之製造方法，其中在填充該電解液後，更包括在一真空環境下，將該工作電極與該對電極進行連接，並固化該封裝層及去除該電解液中的氣泡。
3. 如申請專利範圍第1項所述之製造方法，更包括分切該染料敏化光伏型電池並移除一無效區，以形成一染料敏化光伏型電池單元。
4. 如申請專利範圍第3項所述之製造方法，更包括利用一外封裝膜密封封裝該染料敏化光伏型電池單元。
5. 如申請專利範圍第4項所述之製造方法，其中該外封裝膜之水氣透過率(Water Vapor Transmission Rate，WVTR)大於或等於1g/m ²˙day且小於或等於1×10 ^-6g/m ²˙day，及/或該外封裝膜之氧氣透過率(Oxygen Transmission Rate，OTR)大於或等於1cc/m ²˙day且小於或等於1×10 ^-6cc/m ²˙day。
6. 如申請專利範圍第1項所述之製造方法，其中該工作導電層及該對導電層中至少一者係以一透明導電材料製成。
7. 如申請專利範圍第6項所述之製造方法，其中該透明導電材料包括銦錫氧化物(ITO)、摻氟氧化錫(FTO)、石墨烯、ZnO-Ga ₂O ₃、ZnO-Al ₂O ₃、SnO ₂-Sb ₂O ₃或其組合。
8. 如申請專利範圍第1項所述之製造方法，其中該工作導電層及該對導電層其中之一係以一不透明導電材料製成。
9. 如申請專利範圍第8項所述之製造方法，其中該不透明導電材料包括鈦板、不鏽鋼板、鍍鎳鐵板、鍍鎳鈦板、鍍鈦鐵板、鍍鈦鋼板或不鏽鋼塑料複合板。
10. 如申請專利範圍第1項所述之製造方法，其中該導電線係以包含一導電性顆粒之一油墨印刷在該對電極上而形成。
11. 如申請專利範圍第1項所述之製造方法，更包括設置一導電線保護膠以 覆蓋該對電極上之該導電線，該導電線保護膠係包括抗該電解液腐蝕的一高分子材料。
12. 如申請專利範圍第1項所述之製造方法，其中該封裝層包含抗該電解液腐蝕的一封裝材料。
13. 如申請專利範圍第11或12項所述之製造方法，其中該導電線保護膠及該封裝層係分別獨立地包括熱熔封裝膜、紫外線固化膠、熱硬化封裝膠或熱熔封裝膠。
14. 如申請專利範圍第1項所述之製造方法，其中該封裝層圍繞但不接觸該半導體層。
15. 如申請專利範圍第1項所述之製造方法，其中該串聯導電元件包括銀、碳、銅、石墨烯或其混合物。
16. 如申請專利範圍第1項所述之製造方法，其中該催化層包括Pt、Ru、Pd、Rh、Ir、Os、WO ₃、TiO ₂、石墨或其混合物。
17. 如申請專利範圍第1項所述之製造方法，其中該電解液為液體電解質、離子液體電解質或液態聚合物電解質。
18. 一種染料敏化光伏型電池，其係以申請專利範圍第1至17項中任一項之封裝方法製造而成。
19. 一種染料敏化光伏型電池模組，其係以複數個申請專利範圍第18項所述之染料敏化光伏型電池串聯或並聯而成。