TWI314785B - Solar cell - Google Patents

Description

1314785 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域j 發明領域 本發明係有關於一種可提高當射入光量變動時之輸出 5 電壓（開路電壓）之穩定性的太陽電池。 【先前技術3 發明背景 色素增感型太陽電池等太陽電池的理想情形係在光變 換成電時，可產生與射入光量成正比之電流及因内部電位 10 差而產生的一定電壓。 然而，實際上由於發生電荷再結合等，故電壓也會與 射入光量成正比而變化。舉例而言，若射入光量減少，則 電流量便減少，並且電壓亦下降。 若要使用太陽電池作為商用電源，則穩定電力之供給 15 是不可或缺的。為了可供給穩定之電力，必須將來自與射 入光量成正比而變化之太陽電池之電流-電壓輸出變換成 穩定之電流-電壓特性。舉例而言，如第6圖所示，設置開 關電源等的穩定電源電路1。當來自太陽電池本體2之輸出 輸入穩定電源電路1時，輸出便會穩定，故可供給穩定之電 20 力至外部機器。 為了驅動穩定電源電路1，需有一定電力。因此，由太 陽電池本體2輸出之電流-電壓要在' —定的範圍内成為必要 條件。如果當太陽光被雲等暫時遮蔽時，太陽電池本體2之 發電量暫時下降，無法供給用以驅動穩定電源電路1所需之 5 1314785 電力，就會停止驅動穩定電源電路1。隨之，也停止供給穩 定之電力。 為了解決該不理想處，有一方法係附設具有與太陽電 池之發電電壓相近之電壓特性的二次電池或大電容量之電 5 容器與太陽電池並聯。依該方法，當射入太陽電池之光量 多，發出較預定電壓還高之電壓之電力時，二次電池或電 容器可充電，而當射入光量少，發出較預定電壓還低之電 壓時，則二次電池或電容器可放電。藉該方法，可減少穩 定電源電路1動作停止的比率。 10 然而，一旦於太陽電池外部追加這種裝置時，就會增 加電阻等造成之電力損失，而只能供給太陽電池實際發電 能力以下的電力。此外，因為太陽電池構造和使用太陽電 池之發電裴置結構會變得複雜，所以價格上升，在以廉價 太陽光發電裝置為目標的情形下難以採用。 15 再者，太陽電池係可排列多個預定尺寸之面板而使用 作為太陽光發電裝置。並聯連接面板來使用時並無問題， 但是若以減少電阻等造成之電力損失或提高開路電壓（輸 出電壓）為目的而串聯連接面板來使用時，一旦因雲或障 礙物等遮蔽一部份射入面板之光的話，則電流難以流通於 20 該等面板，所以裝置整體之發電量會大幅下降。 為了解決該不理想處，需有可在每一面板獨立地控制 太陽電池等的方法。然而，這種方法使裝置整體複雜，且 導致發電效率降低和價格上升。 L發明内容3 6 1314785 發明概要 本發明係提供一種太陽電池本身亦發揮作為電容器或 二次電池之功能的太陽電池及使用該太陽電池而可供給穩 定電力的發電裝置。 5 本發明第一態樣係一種太陽電池，其係具有電解液和 可溶解於該電解液中之金屬離子，且藉前述金屬離子之氧 化還原反應亦發揮作為二次電池之功能者。 依前述態樣之太陽電池，由於電解液中溶解有金屬離 子，故在電解液中，金屬離子會進行氧化還原反應。結果， 10 前述電池亦可發揮作為二次電池之功能。當射入光量充分 而所輸出之電壓高時，可充電二次電池，且當射入光量不 足而所輸出之電壓低時，可由二次電池放電。 本發明第二態樣係一種太陽電池，其具有透明導電 膜；由設在該透明導電膜上之金屬膜構成之集電用配線； 15 設在該集電用配線上之半導體；設在該半導體上之導電 膜；及充填於該半導體和該導電膜之間的電解質。 依前述態樣之太陽電池，前述集電用配線可發揮聚集 在前述半導體產生之電荷，並將前述電荷送至前述透明導 電膜的功能。又，由於集電用配線本身會變成金屬離子而 20 溶出於電解質，所以當太陽光射入時，金屬離子會在電解 質中進行氧化還原反應。結果，前述電池亦可發揮作為二 次電池之功能。當射入光量充分而所輸出之電壓高時，可 充電二次電池，且當射入光量不足而所輸出之電壓低時， 可由二次電池放電。 7 1314785 圖式簡單說明 第1圖係本發明第一實施形態之太陽電池的概略截面 圖。 第2圖係顯示本發明之太陽電池之電氣電路的電路圖。 5 第3圖係顯示習知太陽電池之電氣電路的電路圖。 第4圖係顯示本發明之太陽電池之開路電壓和電流之 間關係之歷時變化的圖表。 第5圖係本發明第二實施形態之太陽電池的概略截面 圖。 10 第6圖係顯示習知太陽電池之一例的概略結構圖。 L實施方式3 用以實施發明之最佳形態 以下詳細說明本發明。 第1圖顯示本發明第一實施形態之太陽電池之一例的 15 濕式太陽電池。 第1圖中，於透明基板11之一面設有透明導電膜12。透 明基板11可使用玻璃或塑膠等。透明導電膜12可使用摻雜 錫之氧化銦（ITO)、摻雜氟之氧化錫（FTO)等導電性金 屬氧化物。 20 如果是使用可充分保持強度和密封性之透明導電膜 12，就未必一定需要透明基板11。 透明導電膜12上設有由金、銘、銀、銅、銘、鎳、編 等金屬膜構成之集電用配線13。 集電用配線13形成具有光可透過程度之空隙。塗布方 8 1314785 法可使用電鍍、物理蒸鍍法（PVD:濺鍍、離子鍍等）、化 學蒸鍍法（CVD :熱、電漿、光等）、旋轉塗布法、刮板法、 刮刀法、絲網印刷等一般方法，且因應需要而形成圖案， 以形成格子狀或網眼狀集電用配線13。於該集電用配線U 5上堍有半導體層14，作為該配線之保護層。於半導體層14 產生之電荷係藉集電用配線13聚集，且送至透明導電膜12。 半導體層Η可使用任何半導體Ί是半導體即可， 不過以使用金屬氧化物等為佳。金屬氧化物可例舉如氧化 鈇、氧化錫、氧化鎢、氧化辞、氧化锆、氧化钕、氧化給、 10氧化鎮、氧化姻、氧化鈽、氧化紀、氧化爛、氧化叙、氧 化鈮、氧化钽等。 ’千導體層14宜為多孔性膜。多孔性膜可利用溶膠 凝膠法、微粒子之遷移電沉積、發泡劑所作之多孔性化、 15 除去塗布與聚合減珠等之齡物後之_成分、燒結法 等廣用方絲製作，不過尤以使半㈣微粒子燒結而製成 多孔性燒結體的方法騎。χ，亦可施行心增加多孔性 半導體之表面積之加工。 .之表面持有色素。色素可使用任何 於可見光區和近紅外光區具有吸收性，且會採取適於所使 :之t導體之激發動作的化合物。色素可例舉如偶氣色 么、-人甲基色素、虽勒埽衍生物、酸、香豆素、曙紅、玫 械❹；㈣和肽花料金制合體色素； 及植物等天然色素等等。其中尤以肽花青 。 屬錯合體色素’或釕錯合體色素等為佳 。持有 20 1314785 色素之太陽電池稱為色素增感型太陽電池。 曰道= 色9素之方法其中一例可舉藉著將透明基板11、透 明半導體層14之積層體浸潰於含有色素之溶 、 、室*下使其乾燥或熱乾燥，使半導體層14持有 色素的方法。本發明並 个丨氏此方法，亦可使用浸染法、 滚塗法、氣刀法等浸潰法，及絲桿法（wke㈣、滑動斗 法、擠壓塗法、暮涂、、表 ^ χ 堂去、叙轉塗法、噴塗法等塗布方法等 等0 藉著積層透明基板U、透明導電膜12、集電用配線13、 10及半導體層14可構成作用極15。 對極16由基板17和導電層18構成，係於基板^上設有 導電層18的導電性基板。基板17係由玻璃、陶竞等絕緣材 料構成。導電層18所用之導電膜可例舉如金屬（翻、金、 銀鋼、銘、鎂、銦等）、碳、導電性金屬氧化物（ITO、 15 FT〇)等。其巾尤其以鈾、ΠΌ或FT0為佳。 、、"6亦可為由導電性材料構成之導電層之單層構 y述翻極b和對極Μ係對向配置，於該等電極 九、電解液19而成為1個電池。 虽電池具有可撓性時，亦可在彎曲的狀態下使用，以 反覆彎曲的環境下使用。 電解液19可為將電解質溶料非水系溶媒之非 發明溶液或將電解質熔化而成之熔鹽其中任-者，不過本 之此例中係使用非水系電解質溶液。電解質（支援趟） 1314785 可例舉如鋰„坐、鈷 溶媒須將電解質溶解且解離成離+⑸& I離子 2〇者佳。可例舉如乙醇、^子’以比介電率為口> ^ G赞、甲氧 乙酉旨、碳酸丙酉旨、碳酸乙稀§旨 &乙腈、丙腈、碳酸 酿、乙基甲基味嗓1烯酿、Γ-丙烯酸正丁 池之電解液用溶媒者，並不限 =亦包 之特性而適當地選擇該等非水^。亦可因應所要求 電解液t ρ 承/奋媒，且加以組合來使用。 解夜19包3有氧化還原對 10 15 20 蛾離子、_離子、及脑料、對可例舉如蛾/ 時，半Ϊ=:Τ當光射，極15之半導_ 對極電變換反應，且電子由作用極I5朝 對極16k動。移動至對極16 還原。當光射入半導體層14時，苹=液19中之陽離子 二業么還原之離子將再度氧 化月，J迷過程反覆而會有電流通且進行發電。 :’在色素增感型太陽電池中，當光:入作用極此 導體層14時’色素會吸收光並放出電子。所放出之電子 移動至半導體層14且傳遞至作用極15。電子移動至對極Μ 後’可將電解液19中之陽離子還原。業經還原之離子會在 色素上再度氧化。前述過程反覆而會有電流通且進行發電。 又，電解液19中溶解有銀離子、銅離子、鎘離子、鋁 離子、鎳離子等金屬離子。亦可因觸要求之特性而適當 地選擇該等金屬離子’且加以組合來使用。使金屬離子溶 解於電解液19中直到飽和為止。亦可於電解液19中添加金 屬單體粒子並使之溶解，不過如本例，當設有前述由金屬 11 1314785 膜構成之集電用配線13時，亦可直接使用由集電用配線13 自然地溶出於電解液19之金屬離子作為可溶解之金屬離 子。由於集電用配線13之金屬會溶出直到電解液19飽和為 止’所以設置集電用配線13時，須考慮溶出於電解液19之 溶出量和發揮作為集電體之功能的厚度等。 如前述，藉著於電解液19添加金屬離子，除前述氧化 10 還原對之氧化還原反應之外，還會有金屬離子之氧化還原 反應進行。在與太陽電池相同之電解液中，會進行金屬離 子之氧化還原反應’太陽電池内亦發揮作為另一個電池的 功能°即’該太陽電池本身亦可發揮作為二次電池之功能。 藉金屬離子之氡化還原反應，該氧化還原反應之電位可形 成僅較太陽電池之電動勢務低之二次電池。 15 選擇金屬離子時’必須要考慮到溶解於電解液19之溶 解度、變成飽和狀能「承俺_业、士 队心ί干衡狀恶）時之金屬離子之溶解和 析出的均衡、電壓伴拄 侏符力專。本發明之此例中，宜使用可 滿足溶解度高、變成平偷业〜* 了 件的銀離子。成千衡狀_的均衡、電壓保持力各條 20 會妨礙其==在太陽電池之電解液^不 '舉例而言’若使用峨/破系 為金屬離子，則在1：解液19t 子0 %解液19，且含有銀離子作 ’依下列式（1)解離成銀離 2Ag(S)+l3s2Ag+ + 3r 在作用極側，進行下列式（2) 所示之反應。 12 1314785

Ag+ + e- □ Ag (s) 另一方面，在對極側，3rai3-+2e ...(2) 進行下列式（3)所示之反 .·· (3)

5 當光射人該太陽電池時，藉其產生之電動勢，式⑺ 寺^ (3)之反應朝右方向進行’將銀離子還原而可充電， 當光未射入時，式（2)和式 〃 τ式（3)之反應朝左方向進行， 使銀離子氧化而可放電。蛀 电、、〇果’便發揮作為二次電池的 能0 如前述，在前述之例之太陽電池中，由於前述二次带 H)池之充電電壓是務較太陽電池之發電電壓低，所以若有= 分之光射入前述太陽 ^ 電池而產生較前述二次電池之充電 壓高之發電電壓時，可 J進仃充電。另一方面，若射入太陽 電池之光的量減少而發雷雷 赞弘電壓下降時，二次電池可進行放 15 20 太IW電池之射入光量變動時，可將該太 陽電池之輸出變動抑生丨 在一疋範圍内。因此，若設有例如 穩疋電源電路時’便可使朝穩定電源電路之電力供給穩 定’也使減器之電力供給穩定。 若使用峨/峨系電解液，當沒有光射入時，電解液19 之顏色為域化物離子的茶色，當有光射人時，因為將城 化物離子還原而變戍硬化物離子，所以電解液Η之顏色為 峨化物離子的透％。若㈣射、電解㈣紗銀，則銀 和3破化祕子會如㈣式⑴、（2)、（3)進行反應而變 成銀離子㈣化物離子，所以即使沒有光射人時，電解液 13 1314785 依舊維持透明。因此，亦可因應需要而將電池著色。 又，為提昇太陽電池之功能，除電解液19之外，亦可 於外部設置含有金屬離子之電解液槽。藉著增加電解液和 金屬離子之量，可增加二次電池之充電電容，而延長當光 5 被阻隔時或光量弱時之開路電壓可持續的時間。 第2圖係顯示前述兼有作為二次電池之功能之太陽電 池的電氣電路，所以除二次電池Cl、C2之外以虛線包圍的 部分係原本太陽電池2的等效電路。該等效電路之R1為内部 電阻，R2為絕緣電阻。所發電之一部份電流流過絕緣電阻 10 R2，成為漏電流而浪費。來自太陽電池之輸出如前述，送 至穩定電源電路1。 又，Cl、C2表示該太陽電池内用以發揮二次電池之功 能者，所以該等Cl、C2是藉太陽電池之發電電壓而充電， 且若太陽電池之發電電壓下降時，便會放電。 15 第3圖所示之電氣電路係顯示習知在太陽電池2之外部 設有二次電池或電容器C3時的電氣電路。在該裝置中，當 射入光量減少，而來自太陽電池之發電電壓低時，在絕緣 電阻R2之影響下，開路電壓更下降，幾乎無法於二次電池 或電容器C3充電。 20 另一方面，第2圖所示之本發明之太陽電池係不受絕緣 電阻R2之影響，而可充電於形成在該太陽電池内之二次電 池Cl、C2，且即使該太陽電池之發電電壓低時，依舊可充 電於二次電池Cl、C2。因此，太陽電池之整體發電效率提 高0 14 1314785 在這種太陽電池中，當有充分之射入光時，可於形成 在其内部之二次電池進行充電，當射入光暫時減少且其開 路電壓下降時，可由形成於内部之二次電池進行放電，所 以使這種太陽電池之輸出變動小，且可減少穩定電源電路 5 之動作停止比率而成為穩定性高者。 前述太陽電池更可外附二次電池或電容器。因為内部 已形成有二次電池，所以只需用以補足二次電池功能之程 度者即可，可使用小型且小電容者，價格低廉。由於當射 入光量少而來自原本之太陽電池之開路電壓低時，可由該 10 外附二次電池或電容器朝内部之二次電池充電，所以太陽 光之利用效率更高。 又，本發明之電解液並不限於液狀者，亦可使用凝膠 狀電解液等的固體狀電解液。又，亦可使用三乙醇胺等的 離子解離性液體。 15 又，本發明之半導體層亦可使用金屬氧化物之多孔性 膜以外之具有光電變換功能的有機物多孔性膜、無機物多 孔性膜等材料。 本發明之太陽光發電裝置係使用1個以上之由前述多 個太陽電池構成的面板者，且當使用2個以上時，則係將該 20 等太陽電池面板串聯或並聯連接而構成。 將多數太陽電池面板串聯連接之太陽光發電裝置中， 即使太陽光被雲等障礙物遮蔽，暫時使面板之一部份或朝 一部份面板之射入光量減少時，因為充電於太陽電池之内 部之電壓可放電，所以該面板或該等面板之輸出不會下 15 1314785 降，裝置整體之發電量也不會大幅減少。如前述，由於可 將射入光量變動時太陽電池之輸出變動抑制在一定範圍 内，故太陽光發電裝置整體的太陽光利用效率高。又，因 為本發明之太陽電池具備作為二次電池之功能，所以當於 5 面板外附二次電池或電容器時，該等二次電池或電容器只 需小電容者即可，因而構成裝置之成本低廉。 又，本發明之第二實施形態如第5圖所示，為使電解液 19之流動佳，亦可在太陽電池之對極16於長向設置凹部30。 實施例 10 以下，藉實施例更詳細地說明本發明，不過本發明之 範圍並不限於該實施例。 溶液之調整 (蛾糸電解液） 相對於電解液整體，將0.1M之碘化鋰、0.3M之二甲基 15 丙基咪唑 鹽 0tO5M之碘溶解於乙腈中而獲得 (或者，將1.34重量％之碘化鋰、8.0重量％之二甲基丙基 咪唑 鹽之g重量％之碘溶解於89.4重量％之乙 腈中而獲得）。 (色素溶液） 20 相對於色素溶液整體，將0.3M之釕吡啶錯合體，溶解 於50重量％之乙腈和50重量％之叔丁醇混合物中而獲得。 製作電池 (實施例1) 於10cm四角之玻璃製透明基板上形成由FTO構成的透 16 1314785 明導電膜，且使用燒結型銀糊於透明導電膜上形成開口率 90%之網眼狀集電用配線。於集電用配線上形成由氧化鈦 構成之多孔性半導體膜作為該配線之保護層後，再於多孔 性半導體膜上塗布二氧化鈦奈米粒子糊，並使之燒結。更 5 進一步，將該多孔性半導體膜浸潰於色素溶液使之持有色 素，且在室溫下使其乾燥而形成持有色素多孔性半導體 膜。令該持有色素多孔性半導體膜為作用極。 又，令於玻璃板上濺鍍鉑而形成導電膜之積層體為對 ° 10 將作用極和對極疊合並利用熱熔樹脂接著或壓著，且 將峨系電解液封入其内部而製成電池。 充填於電池内之碘系電解液約經1個鐘頭左右會由茶 色變化成無色，且產生由V離子變成I—離子的變化，可確 認由銀構成之集電用配線中，銀會溶出成為銀離子。 15 (實施例2) 除了碘系電解液是使用將銀粉末溶解直到飽和為止而 製成者，且不在透明導電膜上形成集電用配線之外，其餘 皆與實施例1一樣地進行以製成電池。 (實施例3) 20 除了碘系電解液是使用將鎳粉末溶解直到飽和為止而 製成者，且不在透明導電膜上形成集電用配線之外，其餘 皆與實施例1 一樣地進行以製成電池。 (參照例） 除了不在透明導電膜上形成集電用配線之外，其餘皆 17 1314785 與實施例1 一樣地進行以製成電池。 試驗方法 利用太陽模擬器，以強度1000W/m2之光照射電池，且 評定電池的光電特性。其結果顯示於表1。 5 表1 開路電壓 (mV) 短路電壓 (mA) 實施例1 650 650 實施例2 640 660 實施例3 650 650 參照例 660 660 如表1所示，實施例1和2之電池顯示與電解液中不含銀 之參照例之電池一樣良好的開路電壓。由此可確認即使電 10 解液中含有大量銀，仍舊不會改變作為太陽電池之光電變 換效率。 其次，利用太陽模擬器，以強度1000W/m2之光照射實 施例1和參照例之電池3秒鐘，且評定之後阻隔光時的開路 電壓變化。其結果顯示於第4圖。 15 第4圖中，曲線21表示實施例1之電池之輸出端子間無 負載（開路）時的電壓變化，曲線22〜曲線24表示令實施例 1之電池之輸出端子間的電阻r2至r4為r2 > r3 > r4,且增加流 通於端子間之電流時的電壓變化。r2為100Ω，r3為10Ω， r4為1Ω。曲線25表示參照例之電池的電壓變化。 20 照射光之期間之開路電壓（發電電壓），曲線21至25 18 1314785 大致相同。至於曲線21至24，係可確認阻隔光的瞬間，開 路電壓遽降50〜lOOmV左右，之後，沒有電流流通之曲線21 可持續500mV左右之開路電力，曲線22至24則是電流流量 愈增大，開路電壓之下降率也愈大。 5 又，雖然第4圖並未顯示，不過亦針對令太陽模擬器之 強度為100W/m2時之實施例1之電池之開路電壓進行評 疋’而結果大致相同。 由以上清楚可知，本發明之太陽電池兼有作為二次電 池之功能。作為二次電池之太陽電池之開路電壓約為 1〇 500mV，呈現與有光射入時相較也毫不遜色的光電特性。 又，可確s忍其在光之射入量少時，亦會進行充電，而不論 光之強度如何，都可提供約5〇〇mV&電力。 產業上可利用性 由於本發明之太陽電池係兼有作為二次 電池之功能 者故即使射入太陽電池之光的射入量暫時減少而使來自 原本之太陽電池之輸出下降時，内部之二次電池可放電而 抑制輸出的變動，令輸出穩定。因為即使當射入光量少而 來自原本之太陽電池之開路電壓低時，仍舊可朝内部之二 人電池充電，所以與習知於太陽電池外附二次電池或電容 2〇器者相較，光利用效率較高。 又，由於在本發明之太陽光發電骏置中，使用前述之 太陽電池，故提昇其輸出的穩定性，成為光效率高者， 且可使附屬之電氣電路簡單化，成本低廉。 【圏式簡單說明】 19 1314785 第1圖係本發明第一實施形態之太陽電池的概略截面 圖。 第2圖係顯示本發明之太陽電池之電氣電路的電路圖。 第3圖係顯示習知太陽電池之電氣電路的電路圖。 5 第4圖係顯示本發明之太陽電池之開路電壓和電流之 間關係之歷時變化的圖表。 第5圖係本發明第二實施形態之太陽電池的概略截面 圖 第6圖係顯示習知太陽電池之一例的概略結構圖。 10 【圖式之主要元件代表符號表】 1.. .穩定電源電路 2.. .太陽電池本體 11.. .透明基板 12.. .透明導電膜 13…集電用配線 14.. .半導體層 15.. .作用極 16.. .對極 17…基板 18.. .導電層 19.. .電解液 21.22.23.2425.. .曲線 30.. _凹部 C1,C2...二次電池 C3...二次電池或電容器 R1...内部電阻 R2...絕緣電阻

Claims (1)

1. 97.9.26

   ίϊ85^號申請案申請專利範圍修正本 拾、申請專利範圍： ^ 一種太陽電池，係具有： 透明導電膜； 集電用配線，係由設於前述透明導電膜上之金 屬所構成者； 半導體層，係設於前述金屬所構成之集電用配 線上者； 導電膜，係與前述半導體層相向者；及

   電解液，係填充於前述半導體層與前述導電膜 之間者； 而’前述金屬所構成之集電用配線係可溶解於 刚述電解液中而生成金屬離子，並藉前述金屬離子 之氧化還原反應發揮作為二次電池之功能。 2_如申請專利範圍第1項之太陽電池，其中前述金屬 離子係銀離子。

   3·如申請專利範圍第1項之太陽電池，其中前述電解 液包含有碘系電解質。 4.如申請專利範圍第1項之太陽電池，其中前述半導 體為多孔性膜。 5·如申請專利範圍第1項之太陽電池，其中前述半導 體上更具有色素。 6.如申請專利範圍第1項之太陽電池，其中前述金屬 係銀。 7·如申請專利範圍第1項之太陽電池，其中與前述半 21

   導體層相向之前述導電膜包含白金。

   8. —種太陽光發電裝置，係使用申請專利範圍第 項中任一項之太陽電池者。

   22