TWI296446B - - Google Patents
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Description
1296440 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係提供一 InN/InP/Ti02光敏化電極，尤指 由具較佳之化學抗性之磷化銦光敏薄膜及氮化銦光敏 薄膜所形成之光敏化電極，可應於電池元件、光電元 件及產氫元件。 【先前技術】 B 染料敏化太陽電池利用奈米晶體薄膜技術，在近 年獲得突破性發展，在用材低廉的強大優勢下，提升 原有的光電轉換效率水準，促使太陽電池的成本可望 下降至目前1/5〜1/10的目標。早期的染料敏化太陽能 電池是以平滑電極為主，而染料分子層（常見染料分子 包括：Ru配體系列、氰(cyanine)、葉綠素及其衍生物 染料）只有在靠近半導體的單層才能有效地進行電荷 • 移轉。由於平滑電極的染料單層吸附面積小，吸收太 陽能的量很少，因此光電轉換效库不高（小於1 %)。近 年由於引用多孔性奈米結構電極技術，已突破地克服 此一技術問題。由於電極的觸媒表面積比起平滑電極 增加近千倍，因此光電轉換效率可大幅增進。Michael Graetzel研究指出染料敏化太陽能電池的光電轉換效 率可由原來的小於1%提高至8%。 1296446 染料敏化太陽電池的效率明顯地依賴奈米二氧化 欽電極的結構，因此二氧化鈦製程必須要做到能控制 奈来晶體形狀、晶體排列和晶體間界面性質的程度， 一氧化鈦的内部表面積決定了染料吸附的量，孔徑大 小分布影響到氧化還原對的擴散，粒徑分布影響到光 學性質，電子的流動決定於粒子間的聯繫。目前製備 出的二氧化鈦電極的電子傳送速率約為10-4em2/s,所 _ 以電子容易與染料進行再結合反應。
Graetzel等人使用最理想的染料，在最佳的實驗 條件下，已可達到10%的太陽能轉換效率，其轉換效 率和非晶形矽系統的9_10〇/〇相當，但比多晶形矽系統 的>15%差。值得注意的是，有機染料/二氧化鈦及多晶 形矽系統之成本較高，其經濟效益仍然無法與石化燃 料，如石油及天然氣相比。 雖然上述之染料敏化電池可提升原有的光電轉換 . 效率，但其成本較高，製程複雜須控制二氧化鈦微粒 大小、分佈位置…等，此外染料經長期太陽光照射後， 會造成該材料的質變，而使其不再具備有光敏化之行 為，造成使用壽命縮短。故一般習用者係無法符合使 用者於實際使用時之所需。 7 1296446 •【發明内容】 本發明主要目的係在於，製備一製造成本低及使 用壽命長之光敏化電極，可應用於電池元件中，並提 升光吸收效率。 本發明係為一種InN/InP/Ti02光敏化電極。該光 敏化電極係至少由一基板、一二氧化鈦薄膜層及一具 磷化銦光敏薄膜及氮化銦光敏薄膜之光敏層所構 成，其製造方法係將已覆蓋於該基板之二氧化鈦薄膜 層置於反應腔中，於該二氧化鈦薄膜層上塗佈一含奈 米微粒之磷化銦溶液，形成該磷化銦光敏薄膜，接著 引入氨氣及含有銦之化合物，並進行紫外光去激發， 使該氮化銦光敏薄膜披覆於該磷化銦光敏薄膜上。 【實施方式】 請參閱『第1圖』所示，係為本發明之基本結構 示意圖。如圖所示：本發明係為一種InN/InP/1Ti〇2光 敏化電極，該光敏化電極1係至少由一基板11、一二 氧化鈦薄膜層12及一光敏層13所構成。 該基板11係可為ITO玻璃、FTO玻璃及其他透明 導電基板中擇其一。 該二氧化鈦薄膜層12係覆蓋於基板11上，而該 二氧化鈦薄膜層12係為奈米微粒的結構，係指複數個 奈米微粒均勻分佈於該二氧化鈦薄膜層12内，而該奈 1296446 杀微粒之直徑係介於7奈米至50奈米間，該二氧化鈦 薄膜層12之厚度係介於100奈米至100000奈米間。 該二氧化鈦薄膜層12之材料亦可使用高能隙之金屬 氧化物。 該光敏層13係包括一磷化銦光敏薄膜131及一氮 化銦光敏薄膜132，該填化銦光敏薄膜131及氮化銦 光敏薄膜132係利用物理或化學氣相沈積技術或相關 成膜方法，使該磷化銦光敏薄膜131披覆於該二氧化 鈦薄膜層12上，該氮化銦光敏薄膜132披覆於該磷化 銦光敏薄膜131上，該磷化銦光敏薄膜131及氮化銦 光敏薄膜132之厚度係皆介於1奈米至10000奈米 間。如是，藉由上述之結構構成一全新之光敏化電極。 而本發明之光敏化電極1當光由該基板11穿透至 該光敏層13，而電子由該光敏層13注入該二氧化鈦 薄膜層12,再由該基板11將電導至外部電路，其中， 該光敏層13吸收的光波長範圍介於390奈米至600奈 米間，光頻範圍係介於390奈米至800奈米。 請參閱『第2、2A、2B、2C、2D及2E圖』所示， 係為本發明製作光敏化電極之流程示意圖、本發明製 作光敏化電極之步驟a示意圖、本發明製作光敏化電 極之步驟b示意圖、本發明製作光敏化電極之步驟c 示意圖、本發明製作光敏化電極之步驟d示意圖及本 發明製作光敏化電極之步驟e示意圖。如圖所示：本 1296446 發明係為一種ΙηΝ/ΙηΡ/TiO2光敏化電極，其製造方法 係至少包含下列步驟： 步驟a:將覆蓋於基板11上之二氧化鈦薄膜層 置放於-反應腔2 ’其中該二氧化鈦薄膜層12係利用 物理或化學方法塗佈於該基板u上。 “步驟b :形成一磷化銦光敏薄膜131，係將一含夺 米微粒之磷化銦溶液塗佈於該二氧化鈦薄膜層^ 上，其中’該含奈米微粒之磷化銦溶液係可由含磷之 化合物及含銦之化合物取代。 步驟c ·引入氨氣31及含有銦之化合物32至該 μ腔2内，其中，該氨氣3丨及含有銦之化合物32 $比例係介於i至10間，而該含有姻之化合物32係 寸1三甲基化銦、三乙基化銦、含有銦的有機金屬的 $ 或3有銦的有機金屬的化合物。本發明係以氨 ® J及3有銦之化合物32為反應原物料，而該氨氣 亦可由含氮之化合物取代。 係口 1驟^ ·進行紫外光4去激發，其中，該紫外光4 雷:利二連續的紫外光光源燈、準分子雷射、半導體 自J、氣體雷射、固態雷射、液體雷射、化學雷射或 承為2子雷射擇其一而產生，該二氧化鈦薄膜層12可 叉溫度係介於600度至900度間。 1296446 步驟e ··形成一氮化銦光敏薄膜132於該磷化銦 光敏薄膜131上，而該磷化銦光敏薄膜ι31及氮化銦 光敏薄膜132形成一光敏層13，經由上述步驟可得一 光敏化電極1 ’其所花費時間係介於1小時至8小時 間。 請參閱『第3圖』所示，係為本發明之使用狀態 示意圖。如圖所示：本發明之光敏化電極丨係與一白 _ 金對電極51組合形成一電池元件5,其内部注入電解 液52填充。而本發明係可應用於太陽能電池元件、光 生伏打效應元件、氫氣產生器元件及光電子發射元件。 综上所述，本發明InN/InP/Ti〇2光敏化電極可有 效改善習用之種種缺點，可解決染料敏化太陽電池染 料哥命問題’達到提升光吸收效率，製程簡單，進而 降低製造成本，進而使本發明之産生能更進步、更實 用、更符合使用者之所須，確已符合發明專利申請之 要件，爰依法提出專利申請。 惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不 能以此限定本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請 專利範圍及發明說明書内容所作之簡單的等效變化與 修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍内。 1296446 【圖式簡單說明】 第1圖，係本發明之基本結構示意圖。 第2圖，係本發明製作光敏化電極之流程示意圖。 第2A圖，係本發明製作光敏化電極之步驟a示意圖。 第2B圖，係本發明製作光敏化電極之步驟b示意圖。 第2C圖，係本發明製作光敏化電極之步驟c示意圖。 第2D圖，係本發明製作光敏化電極之步驟d示意圖。 第2E圖，係本發明製作光敏化電極之步驟e示意圖。 第3圖，係本發明之使用狀態示意圖。 【主要元件符號說明】 光敏化電極1 基板11 二氧化鈦薄膜層12 光敏層13 磷化銦光敏薄膜131 氮化銦光敏薄膜132 反應腔2 氨氣31 含有銦之化合物32 紫外光4 電池元件5 白金對電極51 電解液52 12
Claims (1)
1296446 十、申請專利範圍·· 1· 一種InN/InP/Ti〇2光敏化電極，其至少包含： 一基板； 一二氧化鈦薄膜層，該二氧化鈦薄膜層係覆蓋於 該基板上；以及 一光敏層’該光敏層係包括一磷化銦光敏薄膜及 一氮化銦光敏薄膜，該磷化銦光敏薄膜係彼覆於該二 鲁 氧化欽薄膜層上，該氮化銦光敏薄膜係披覆於該磷化 銦光敏薄膜上。 2·依據申請專利範圍第i項所述iInN/inp/Ti〇2光敏化 電極’其中，該基板係為ITO玻璃、FTO玻璃及其 他透明導電基板中擇其一。 3 ·依據申請專利範圍第、項所述之InN/InP/Ti〇2光敏化 電極’其中，該二氧化鈦薄膜層係為奈米微粒之結構。 鲁 4·依據申請專利範圍第1項所述之InN/InP/Ti〇2光敏化 電極’其中，該二氧化鈦薄膜層之厚度係介於1〇〇 奈米至looooo奈米間。 5·依據申請專利範圍第丨項所述之InN/InP/Ti〇2光敏化 電極，其中，該磷化銦光敏薄膜之厚度係介於1奈米 至10000奈米間。 6·依據申請專利範圍第丨項所述之InN/InP/Ti〇2光敏化 電極’其中，該氮化銦光敏薄膜之厚度係介於1奈米 13 1296446 至10000奈米間。 7. 依據申請專利範圍第1項所述之InN/InP/Ti02光敏化 電極，其中，該光敏層之吸收光波長範圍介於390 奈米至600奈米間。 8. 依據申請專利範圍第1項所述之InN/InP/Ti02光敏化 電極，其中，該光敏層之吸收的光頻範圍介於390 奈米至800奈米間。 • 9.依據申請專利範圍第1項所述之InN/InP/Ti02光敏化 電極，其中，該二氧化鈦薄膜層之材料係可為具高能 隙之金屬氧化物。 10. 依據申請專利範圍第4項所述之InN/InP/Ti02光敏 化電極，其中，該奈米微粒之直徑係介於7奈米至 50奈米間。 11. 一種InN/InP/Ti02光敏化電極，其製造方法係至少 包含下列步驟： a. 將覆蓋於基板上之二氧化鈦薄膜層置放於一 反應腔； b. 形成一磷化銦光敏薄膜，係將一含奈米微粒之 磷化銦溶液塗佈於該二氧化鈦薄膜層上； c. 引入氨氣及含有銦之化合物至該反應腔内； d. 進行紫外光去激發；以及 e. 形成一氮化銦光敏薄膜於該磷化銦光敏薄膜 1296446 上。 12. 依據申請專利範圍第11項所述之InN/InP/Ti02光敏 化電極，其中，該含有銦之化合物係選自三曱基化 銦、三乙基化銦、含有銦的有機金屬的前導物或含 有銦的有機金屬的化合物。 13. 依據申請專利範圍第11項所述之InN/InP/Ti02光敏 化電極，其中，該氨氣係可為含氮之化合物。 • 14.依據申請專利範圍第11項所述之InN/InP/Ti02光敏 化電極，其中，該氨氣及含有銦之化合物之比例係 介於1至10間。 15. 依據申請專利範圍第11項所述之InN/InP/Ti02光敏 化電極，其中，該二氧化鈦薄膜層可承受溫度係介 於600度至900度間。 16. 依據申請專利範圍第11項所述之InN/InP/Ti02光敏 • 化電極，其中，該步驟a至步驟e所花費時間係介於 1小時至8小時間。 17·依據申請專利範圍第11項所述之InN/InP/Ti02光敏 化電極，其中，該紫外光係可利用連續的紫外光光 源燈、準分子雷射、半導體雷射、氣體雷射、固態 雷射、液體雷射、化學雷射或自由電子雷射擇其一 而產生。 15
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