TWI299577B - - Google Patents

Description

1299577 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係提供一 InN/Ti02光敏化電極，尤指由具 較佳之化學抗性及提升吸收太陽光之頻寬之氮化銦光 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】 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，因此光電轉換效率不高（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%。 1299577 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 奈米晶體形狀、晶體排列和晶體間界面性質的程度， 一氧化欽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 子性·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1〇-4cm2/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 ，件下’已可達到·的太陽能轉換效率，其轉換效 率和非晶形石夕系統# 9.1〇%相當，但比多晶形矽系統 的15/〇差。值得注意的是，有機染料/二氧化鈦及多晶 ^石夕系統之成本較高，其經·濟效益仍然無法與石化燃 料，如石油及天然氣相比。 θ如中華民國專利公報公告號第1239657號之「太 2池單元及其模組」，其包含有：—光電轉換層，具 拖ja上表面與一下表面；一陽極層，形成於該光電轉 丄s的上表面係包含—陽極導通部延伸出該光電轉 之邊緣，-陰極層，形成於該光電轉換層的下表 缝·係包3陰極導通部延伸出該光電轉換層之邊 邊及㈣以上的阻隔件，係設置於該光電轉換層的 住該光電轉換層，且該陽極導通部與該陰極 、'刀別更突出於該阻隔件；其中該光電轉換層係 1299577 包含染^光敏化層與電解質，而㈣料紐化層係設 置在該陽極層上，該電解質則填充於該染料光敏化層 與該陰極層之間。 * ^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之製 程另由「太陽電池單元及其模組」可知此篇專利之 缺1在於染料經長期太陽光照射後，會造成該材料的 質I而使其不再具備有光敏化之行為，造成使用壽 命縮知：。故一般習用者係無法符合使用者於實際使用 時之所需。 【發明内容】 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/Ti〇2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氮化銦 光敏薄膜所構成’其製造方法係將已覆蓋於該基板之 2化欽薄膜層置於反應腔中，引入氨氣及含有銦之 化。物’並進行紫外光去激發，使該氮化銦光敏薄膜 披覆於該二氧化鈦薄膜層上。 1299577 【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/Ti02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及一氮化銦光敏薄膜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 米微粒之直徑係介於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。 B 該氮化銦光敏薄膜13係利用物理或化學氣相沈 積技術或相關成膜方法，使該氮化銦光敏薄膜13披覆 於該二氧化鈦薄膜層12上，該氮化銦光敏薄膜13之 厚度係介於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Η穿透至 該氮化銦光敏薄膜13，而電子由該氮化銦光敏薄膜13 注入該二氧化鈦薄膜層12，再由該基板11將電導至 1299577 =°卩電路’其中’該氮化銦光敏薄膜13吸收光之光譜 範圍係為波長範圍介於390奈米至8〇〇奈米間之連續 光譜。 睛參閱『第2、2A、2B、2C及2D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示忍圖、本發明製作光敏化電極之步驟。示 φ 思圖及本發明製作光敏化電極之步驟d示意圖。如圖 所不··本發明係為一穠InN/Ti〇2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u上之二氧化鈦薄膜層12 \ 置放於一反應腔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 :引入氨氣31及含有銦之化合物32至該 φ 反應腔2内，其中，該氨氣31及含有銦之化合物32 之比例係介於1至1 〇間，而該含有銦之化合物係 ，自二甲基化銦、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。本發明係以氨 氣3丨及含有銦之化合物32為反應原物料，而該氨氣 31亦可由含氮之化合物取代。 步驟c :對該二氧化鈦薄膜層π進行紫外光4去 激發’其中，該紫外光4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、 1299577 液體雷射、化學雷射或自由電子雷射擇其一而產生， 該一氧化鈦薄膜層12可承受溫度係介於6〇〇度至9〇〇 度間。 ^步驟d ••形成一氮化銦光敏薄膜13於該二氧化鈦 薄膜層12上’經由上述步驟至形成—氮化銦光敏薄膜 13之時間係介於1小時至8小時間。 明參閱『第3圖』所示’係為本發明之使用狀態 不意圖。如圖所示··本發明之光敏化電極1係與一白 金對電極51組合形成—電池元件5，其内部注入電解 液52填充。而本發明係可應躲太陽能電池元件、光 生伏打效應元件、氫氣產生器元件及光電子發射元件。 綜上所述，本發明InN/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壽 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；& ’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盘 修飾’皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍内。 '、 1299577 【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。 第之D圖，係本發明製作光敏化電極之步驟d示意圖。 第3圖，係本發明之使用狀態示意圖。

I 【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 氮化銦光敏薄膜13 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)

1299577 十、申請專利範圍： 1. 一種InN/Ti02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 一氮化銦光敏薄膜，該氮化銦光敏薄膜係彼覆於 該二氧化鈦薄膜層上。 I 2.依據申請專利範圍第1項所述之InN/Ti02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1項所述之InN/Ti02光敏化電 極，其中，該二氧化鈦薄膜層係為奈米微粒之結構。 4. 依據申請專利範圍第1項所述之InN/Ti02光敏化電 極，其中，該二氧化鈦薄膜層之厚度係介於100奈米 ^ 至100000奈米間。 5. 依據申請專利範圍第1項所述之InN/Ti02光敏化電 極，其中，該氮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1項所述之InN/Ti02光敏化電 極，其中，該氮化銦光敏薄膜之吸收光譜範圍係為波 長範圍介於390奈米至800奈米間之連續光譜。 13 1299577 沪麵翻 比例係介於1至10間。 13.依據申請專利範圍第9項所述之InN/Ti〇2光敏化電 極之製造方法，其中，該二氧化鈦薄膜層可承受溫 度係介於600度至900度間。 14.依據申請專利範圍第9項所述之InN/Ti〇2光敏化電 極之製造方法，其中，兮5 / 八T 忑形成一氮化銦光敏薄膜之 時間係介於1小時至8小時間。 項所述之InN/Ti02光敏化電 該紫外光係可利用連續的紫 射、半導體雷射、氣體雷射、 化學雷射或自由電子雷射擇 15·依據申請專利範圍第9 極之製造方法，其中， 外光光源燈、準分子雷 固態雷射、液體雷射、 其一而產生。