TWI241029B - Dye sensitized solar cell electrode and solar cell having same - Google Patents

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Description

1241029 五、發明說明（1) 【發明所屬之技術領域】 本發明涉及-種染料敏化太陽能電池 破化太陽能電池電極。 【先前技術】 太陽能電池係一種將太陽能直接轉化 置。20世紀70年代，由美國貝爾實驗室首 ，能電池逐步發展起來。這種矽太陽能電 土於半導體之光伏效應。雖然矽太陽能電 率高，但其製作工藝複雜、價格昂貴、對 因而限制其廣泛應用。二十世紀九十年代 發之染料敏化太陽能電池，可望取代傳統 池，並由此成為該領域之研究熱點。 ” 染料敏化太陽能電池採用形成於導電 米晶膜，在其表面吸附一光敏染料，由此 極。染料敏化太陽能電池之工作原理係當 陽光時，其電子躍遷至激發態並迅速轉移 穴則留在染料中。電子隨後擴散至導電基 移至對電極。而氧化態之染料被電解質還 解質在對電極接受電子還原成基態。從而 傳輸過程。 影響染料敏化太陽能電池光電轉化性 光化學反應後電子向導電基片遷移之速率 奈米晶膜電極在傳輸電子方面存在一定缺 體半導體不同，半導體之奈米晶體内部不 第5頁 尤指一種染料 為電能之裝 先研製出的石夕太 池之工作原理係 池之光電轉化效 材料要求苛刻， 應用奈米晶體開 之矽太陽能電 基片之半導體奈 形成其工作電 染料分子吸收太 至半導體，而空 片，經外電路轉 原，被氧化的電 元成電子之整個 能之因素之一為 。而單一半導體 陷。因為，與塊 存在内建電場， 1241029 五、發明說明（2) 而且由於奈米粒子太小，在粒子與電解質溶液之界面不能 產生空間電荷層。故，電子遷移率低，其與周圍所存在的 電子受體（如奈米晶膜之表面態陷阱及氧化態電解質）之復 合幾率大大提高，從而明顯降低光電轉換率。 有鑑於此，提供一種能提高半導體奈米晶膜之導電率 之染料敏化太陽能電池及其電極實為必要。 【内容】
為解決習知之染料敏化太陽能電池之半導體奈米晶膜 之導電率低，本發明之目的在於提供一種能提高半導體奈 米晶膜之導電率之染料敏化太陽能電池電極。 本發明之另一目的在於提供一種能提高半導體奈米晶 膜之導電率之染料敏化太陽能電池。 為實現發明目的，本發明提供一種染料敏化太陽能電 池電極，其包括一導電基片、一形成於該導電基片之半導 體奈米晶膜以及一形成於該半導體奈米晶膜之染料層。其 中，該半導體奈米晶膜包含有若干導電微粒。 所述之導電微粒包括金屬。 所述之導電微粒包括奈米碳材料。
為實現另一發明目的，本發明提供一種染料敏化太陽 能電池，其包括一工作電極、一對電極及一位於該工作及 對電極之間之電解質。該工作電極包括一導電基片、一形 成於該導電基片之半導體奈米晶膜及一形成於該半導體奈 米晶膜之染料層，其中，該半導體奈米晶膜包含有若干導 電微粒。
第6頁 1241029 五、發明說明（3) 相對於先前技術，本發明在染料敏化太陽能電池t 之半導體奈米晶膜中加入若干導電微粒，如金屬粒子、# 米碳材料等，利用其本身良好之導電性能，以提高丰禾 導體 奈米晶膜之導電率，加快電子向導電基片遷移之速率 夂 、 ~ 5從 而改善整個染料敏化太陽能電池之光電轉化性能。 【實施方式】 下面將結合附圖對本發明作進一步之詳細說明。 請參閱第一圖，本發明所提供之染料敏化太陽能電池 5，其包括：工作電極52，對電極56及電解液54。其中，/ 電解液54位於兩電極52, 56之間。 工作電極52包括：透明導電基片521，半導體奈米晶 膜522及形成於該半導體奈米晶膜之染料層524。其中，半 導體奈米晶膜522包含有若干導電微粒523。透明導電基片 5 2 1可為氟摻雜之一氧化锡導電玻璃。半導體奈米晶膜5 2 2 通過塗敷、濺鐘等鑛膜方法形成於透明導電基片521上， 其厚度可為1-50微米。半導體奈米晶膜522主要含有半導 體顆粒，如Ti〇2、SrTi〇3、Zn0、Zr〇2、Si〇2、ZnS、pbS、
CdS、W03Wl0等。這些顆粒之粒度最好為卜5〇奈米。用作 =化劑之染料層524由單層或多層染料分子吸附於半導 ^ ^晶膜522之表面而形成。染料可為舒配合物或紅汞 ^材料，並根據半導體奈米晶膜52 2之成分加以調整。本 二Ί選用—氧化鈦製成半導體奈米晶膜522，採用 •、式—一異硫氰酸根—二（4, 4,—二羧酸-2, 2,-聯吡啶）合釕 cis-dithiocyanato bis(4,4J-dicarboxy-2 2^-
1241029 五、發明說明（4) bipyridine) ruthenium(簡稱為N3染料），將其配製成一 定濃度之溶液或凝膠，通過浸泡的方式使其吸附於半導體 奈米晶膜522上，由此形成染料層524。
值得注意的是，若干導電微粒523分散於半導體奈米 晶膜522之中，用以提高其導電率。該導電微粒523可為金 屬粒子，其包括Au、Ag、Pt和Cu等金屬材料。其形成方式 可根據半導體奈米晶膜522之製程加以設計。例如，在採 用濺鍍等鍍膜方法製成半導體奈米晶膜522之過程中，可 ;所用之把材中加入金屬原子而使其分布於半導體奈米晶 膜522。可選擇的是，將所選金屬材料作為靶材，採用雙 靶鍍膜之方式形成含金屬粒子之半導體奈米晶膜522。 总另，該導電微粒5 2 3還可選自奈米碳材料，如奈米碳 g 、奈米碳球和富勒烯分子。可於T i %等半導體之漿料中 直接加入這些導電微粒523並混合均勻，再通過塗敷或溶 膠—凝膠法形成半導體奈米晶膜522。 八對電極5 6通常包括一導電基片561及一形成於直上之 ::層563:導電基片561 一般為導電玻璃。金屬層563應 鉑等惰性金屬組成，可通過鑛膜之方式形成於導雷 基片…與工作電極52相對之一侧表面。金屬層=最=
春^滑表面，用以產生鏡面反射，以提高光線之利用率。 雷可直接為一由*、翻等惰性金屬組成之 ，電極。该金屬電極與工作電極52相對 有向平整度。 、 電解液54位於工作電極52及對電極56之間，可為一薄
1241029
五、發明說明（5) 層氧化還原電解質溶液，選用碘/碘化鋰電解質。電解液 54也可為固態，即染料敏化太陽能電池5可為固體電池。 另，本領域所屬技術人員應該明白，導電微粒之數量 及分佈密度可根據實際需要加以調整。本發明之染料敏^ 太陽能電池還可包括若干電流導引裝置，使其與外電路相 連。該電池之具體形狀、結構及材料還可有其他變化，不 應以所述之具體貫施例為限。 本發明在染料敏化太陽能電池電極之半導體奈米晶膜 中加入若干導電微粒，如金屬粒子、奈米碳材料$ 了 =用 其本身良好之導電性能，以提高半導體奈米晶膜之導 率，加快電子向導電基片遷移之速率，從而改善整個汰 敏化太陽能電池之光電轉化性能。 木’ 綜上所述，本發明確已符合發明專利要件，爰依法提 出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例， 舉凡熟悉本案技藝之人士，於援依本案發明精神所作之等 效修飾或變化.，皆應包含於以下之申請專利範圍内。
1241029 圖式簡單說明 第一圖係本發明之染料敏化太陽能電池之示意圖。 【元件符號說明】 染料敏化太陽能電池 5 工作電極 52 透明導電基片 521 半導體奈米晶膜 522 導電微粒 523 染料層 524 電解液 54 對電極 56 導電基片 561 金屬層 563
第10頁

Claims (1)

1241029 六、申請專利範圍 1. 一種染料敏化太陽能電池電極，其包括： 一導電基片； 一形成於該導電基片之半導體奈米晶膜； 一形成於該半導體奈米晶膜之染料層； 其中，該半導體奈米晶膜包含有若干導電微粒。 2. 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池電 極，其中，所述之半導體奈米晶膜之厚度為卜50微米。
3. 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池電 極，其中，所述之半導體奈米晶膜包含Ti02、SrTi03、 ZnO、Zr02、Si02、ZnS、PbS、CdS、W03 或N i 0 之半導體顆 粒。 4. 如申請專利範圍第3項所述之染料敏化太陽能電池電 極，其中，所述之半導體顆粒粒度為卜50奈米。 5. 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池電 極，其中，所述之導電微粒包括金屬粒子。 6. 如申請專利範圍第5項所述之染料敏化太陽能電池電 極，其中，所述之金屬粒子選自Au、Ag、Pt和Cu。
7. 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池電 極，其中，所述之導電微粒包括奈米碳材料。 8. 如申請專利範圍第7項所述之染料敏化太陽能電池電 極，其中，所述之奈米碳材料選自奈米碳管、奈米碳球 和富勒稀分子。 9. 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池電 極，其中，所述之導電基片為一透明導電玻璃。
第11頁 1241029 六、申請專利範圍 1 〇. —種染料敏化太陽能電池，其包括： 一工作電極； 一對電極；及 一位於該工作及對電極之間之電解質； 其中，該工作電極包括： 一導電基片； 一形成於該導電基片之半導體奈米晶膜； 一形成於該半導體奈米晶膜之染料層； 其中，該半導體奈米晶膜包含有若干導電微粒。 11.如申請專利範圍第1 0項所述之染料敏化太陽能電池， 其中，所述之導電基片為一透明導電玻璃。 1 2.如申請專利範圍第1 0項所述之染料敏化太陽能電池， 其中，所述之半導體奈米晶膜之厚度為卜50微米。 1 3.如申請專利範圍第1 0項所述之染料敏化太陽能電池， 其中，所述之半導體奈米晶膜包含Ti02、SrTiOa、ZnO、 Zr02、Si02、ZnS、PbS、CdS、W03 或N i 0 之半導體顆粒。 1 4.如申請專利範圍第1 3項所述之染料敏化太陽能電池， 其中，所述之半導體顆粒大小為卜50奈米。 1 5.如申請專利範圍第1 0項所述之染料敏化太陽能電池， 其中，所述之導電微粒包括金屬粒子。 1 6.如申請專利範圍第1 5項所述之染料敏化太陽能電池， 其中，所述之金屬粒子選自Au、Ag、Pt和Cu。 1 7.如申請專利範圍第1 0項所述之染料敏化太陽能電池， 其中，所述之導電微粒包括奈米碳材料。
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