TWI331809B - Solar cell and photo-electrochemical substrate thereof - Google Patents

Description

1331809 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種電流產生裝置，且特別是有關於 一種光電流產生裝置。 ' 【先前技術】 長期以來人類對能源依賴的程度與日遽增，然而遭逢 兩次石油危機，飽受能源不足的威脅之後，許多國家紛紛 嚐試替代能源或新能源的開發與研究。利用太陽光發電的 技術就是在這樣的背景下開發出來的。 7〇年代，由貝爾實驗室首先發展出矽太陽能電池而開 始了太陽能電池的發展研究，這種矽太陽能電池主要是基 於半導體的光伏效應’雖然矽太陽能電池的能量轉換效率 高達12〜15%(單晶矽太陽能電池），但因製作方式複雜、 價格昂貴且對材料要求嚴苛，因而不論是推廣或是應用均 顯得不易。 因此’一種染料敏化太陽能電池就被發展來解決上述 問題’由於染料敏化太陽能電池具有（1)可製成透明的產 品；（2)可在很低的光能量下使用；（3)工作溫度範圍大； 成本低，以及（5)彩色化等優點，因而成為備受相關廠商期 待的次世代產品。然而這種染料敏化太陽能電池對可見光 的能量轉換效率仍然不足，是故如何提升染料敏化太陽能 電池對可見光的能量轉換效率，是太陽能電池相關業者後 續發展研究的重點。 1331809 【發明内容】 因此’本發明一方面就是在提供一種太陽能電池，其 對可見光擁有良好的能量轉換效率。 - 依照本發明一實施例，一種太陽能電池，其係由一對 . 電極、電解質及二氧化鈦半導體層所組成。其中，電解質 係位於上述之—對電極之間.二氧化鈦半導體層則位於上 述之電極其中之一與電解質之間。此外，二氧化鈦半導體 φ 層具有面對電解質之粗链表面，且此二氧化鈦半導體層中 氧離子與鈦離子的比值介於約2〜1.9。 本發明另—方面就是在提供一種光電轉換基材的製造 方法，依此方法所製備之光電轉換基材，將對可見光具有 良好的能量轉換效率。 依照本發明另一實施例，一種光電轉換基材的製造方 法，包含下列步驟··首先，提供導電基材。接著，以濺鍍製 程於導電基材之部分區域形成二氧化鈦半導體層。 % 依照本發明再一實施例，一種光電轉換基材的製造方 法，包含下列步驟：首先，提供導電基材。接著，於導電基 材之部分區域形成二氧化鈦半導體層。最後，蝕刻二氧化 鈦半導體層》 綜以上所述，本發明一實施例係利用濺鍍的方式來將 一氧化鈦半導體層形成於導電基材上，使得二氧化鈦半導 體層中氧離子與鈦離子的比值介於約24.9,此將造成二氧 化鈦半導體層的能階（bandgap)降低，進而提高二氧化鈦半 導體層對可見光的能量轉換效率。另外，在本發明另一實 施例中，此一氧化鈦半導體層亦可依其它方式形成，接著 1331809 利用蝕刻製程來使二氧化鈦半導體層的表面粗糙度上升， 如此亦可讓二氧化鈦半導體層對可見光具有良好的能量轉 換效率。 【實施方式】 以下將以圖示及詳細說明清楚說明本發明之精神，如 熟悉此技術之人員在瞭解本發明之實施例後，當可由本發 明所教示之技術，加以改變及修飾，其並不脫離本發明之 精神與範圍。 參照第1圖，其繪示依照本發明一實施例的太陽能電 池的一種剖面示意圖。如圖所示，一種太陽能電池^ 〇〇，其 係由一對電極110/120、電解質140及二氧化鈦半導體層13〇 所組成。其中，電解質14〇係位於上述之一對電極110/120 之間。二氧化鈦半導體層13〇則位於電極11〇與電解質 之間。此外，二氧化鈦半導體層130具有面對電解質14〇 之粗糙表面132,且此二氧化鈦半導體層13〇中氧離子與鈦 離子的比值介於約2〜1.9。 參照第2圖，其繪示第i圖之二氧化鈦半導體層13〇 與習知二氧化鈦半導體層的二次離子質譜圖。在第2圖中， 曲線210與曲線240係分別繪示習知二氧化鈦半導體層中 氧離子與鈦離子的分佈，而曲線220與曲線230則分別繪 示第1圖之二氧化鈦半導體層13〇中氧離子與鈦離子的分 佈。其中，習知二氧化鈦半導體層係可以燒結、溶膠凝膠 法或其它習知的方式製備，而第1圖之二氧化鈦半導體層 no係可以濺鍍的方式製備。如圖所示，在第1圖之二氧化 7 软半導體層130中，氧離子與鈦離子的比值係由表面向裡 層遞減。與習知二氧化鈦半導體層相較，第1圖之二氧化 鈦半導體層130中的氧離子是處於不足的狀態，此將造成 一氧化鈦半導體層13〇的能階下降，進而讓二氧化鈦半導 體層130能在可見光下進行反應。 參照第3圖，其繪示第}圖之二氧化鈦半導體層13〇 的掃描式電子顯微鏡影像圖。如圖所示，第丨圖之二氧化 鈦半導體層130的粗糙表面i 32具有複數個顆粒，而這些 顆粒的形狀大致為角錐體。 在本實施例中，上述之二氧化鈦半導體層13〇的厚度 為約0.5〜15 yin。另外，此二氧化鈦半導體層13〇無須摻 雜任何掺質即可具有良好的能量轉換效率。應瞭解到，以 上揭不的參數僅為例示，並非用以限制本發明，二氧化鈦 半導體層的厚度以及是否摻雜摻冑均應視料需要而定。 、本發明之另一實施例為一種光電轉換基材的製造方 、、匕3下列步驟：首先，提供導電基材。接著，以濺鍍製 程於導電基材之部分區域形成二氧化鈦半導體層。利用錢 鑛的方式來將_氧化鈦半導體層形成於導電基材上，將使 得二氧域半導體層中氧離子與欽離子的比值介於約 2 1.9這種氧離子與鈦離子的組成降低了二氧化鈦半導體 層的月b階進而讓二氧化鈦半導體層能在可見光下進行反 應。 _於二氧化鈦半導體層形成後，製造者可依需要钱刻此 -氧化鈦半導體層，以增加其表面祕度進而提升能量 轉換六率/、中’上述之蝕刻步驟係可藉由濕式蝕刻製程 1331809

efficiency; IPCE)提升至61%，其中光電轉換效率可依下 列公式計算而得：光電轉換效率（％)=[124〇χ光電流密度仏 A · cm·2)]/[波長（nm)x光強（"贾· cm-2)]。 實例三 參照第7A圖及第7B圖，其中第7A圖係繪示不同蝕 刻時間之光電轉換基材的電位對光電流曲線圖，而第7B圖 係繪示經蝕刻製程後之光電轉換基材，其蝕刻時間對光電 流產生的影響。在第7A圖中，曲線710為未經氫氟酸蝕刻 之光電轉換基材的電位對光電流曲線，曲線72〇為氫氟酸 蝕刻15分鐘後之光電轉換基材的電位對光電流曲線’曲線 730為經氫氟酸蝕刻30分鐘後之光電轉換基材的電位對光 電流曲線’曲線740為經氫氟酸钱刻60分鐘後之光電轉換 基材的電位對光電流曲線，曲線750為經氫氟酸蝕刻12〇 分鐘後之光電轉換基材的電位對光電流曲線，而曲線76〇 則經氫氟酸蝕刻180分鐘後之光電轉換基材的電位對光電 流曲線。其中，第7A圖及第7B圖中所繪示的數據係當照 射光線波長為300 nm以上時所測得。如圖所示，光電轉換 基材的性能並不是隨著蝕刻時間的增加而增加，在本實例 中，光電轉換基材在姓刻時間120分鐘時可達最佳性能， 若再增加蝕刻時間則無法明顯提升其性能。 由上述本發明實施例可知，應用本發明具有下列優點。 (1)本發明一實施例係利用濺鍍的方式來將二氧化鈦 半導體層形成於導電基材之部分區域上，使得二氧化鈦半 12 1331809 導體層中的氧離子與鈦離子的比值介於約24.9,造成_氧 化欽半導體層的能階降低’進而提高對可見光的^量^換 效率；以及 '

(2)另外，本發明更可利用蝕刻製程來使二氧化鈦半導 體層的表面粗糙度上升，如此亦可讓二氧化鈦半導體層對 可見光具有良好的能量轉換效率。 S 雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定 本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範 圍内，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍 當視後附之申請專利範圍所界定者為準。 【圖式簡單說明】 為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例 能更明顯易懂’所附圖式之詳細說明如下： 第1圖係繪示依照本發明一實施例的太陽能電池的一 種剖面示意圖。 第2圖係繪示第丨圖之二氧化鈦半導體層13〇的二次 離子質譜圖。 第3圖係繪示第丨圖之二氧化鈦半導體層13〇的掃描 式電子顯微鏡影像圖。 第4圖係繪示經蝕刻後之二氧化鈦半導體層的掃描式 電子顯微鏡影像圖。 第5圓係繪示不同濺鍍條件所產生之光電轉換基材及 各知二氧化鈦半導體層的電壓對電流密度曲線圖。 13 1331809 第6A及6B圖係繪示蝕刻前後之光電轉換基材的照射 光線對光電流曲線圖。 第7A圖係繪示不同蝕刻時間之光電轉換基材的電位 對光電流曲線圖》 第7Β圖係繪示依照本發明一實施例之光電轉換基材 的蝕刻時間對光電流曲線圖。 【主要元件符號說明】 100 :太陽能電池 120 :電極 132 :粗链表面 曲線 210 曲線 230 曲線 510 曲線 530 曲線 610 曲線 630 曲線 720 曲線 740 曲線 760 110 :電極 130 :二氧化鈦半導體層 140 :電解質 曲線 220 曲線 240 曲線 520 曲線 540 曲線 620 曲線 710 曲線 730 曲線 750

Claims (1)

1331809 99年5月18曰修正替換頁 十、申請專利範圍： 1· 一種太陽能電池，至少包含： 一對電極； 一電解質，位於該對電極之間；以及 一二氧化鈦半導體層，位於該對電極其中之一與該電 解質之間，其中該二氧化鈦半導體層具有面對該電解質之 • 一粗糙表面，且該二氧化鈦半導體層中氧離子與鈦離子的 比值介於約2〜i.9,且該二氧化鈦半導體層中氡離子與鈦離 子的比值係由該二氧化鈦半導體層之表面向該二氧化鈦半 導體層之裡層遞減。 2. 如申請專利範圍第丨項所述之太陽能電池其中該 二氧化鈦半導體層之該粗糙表面具有複數個顆粒，且該些 顆粒的形狀大致為角錐體。 3. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中該 二氧化鈦半導體層之厚度為約〇.5〜15 "m。 4. 如申請專利範圍第丨項所述之太陽能電池，其中該 二軋化欽半導體層並未推雜播質。 5. —種光電轉換基材的製造方法，至少包含： 提供一導電基材； 15 …卿9 ' . * * • 99年5月18日修正替換頁 以一減鍍製程於該導電基材之至少部分區域形成一二 氧化鈦半導體層；以及 • 於該濺鍍製程完成後，蝕刻該二氧化鈦半導體層。 6.如申請專利範圍第5項所述之光電轉換基材的製造 方法’更包含： 於該漱鍍製程完成後，以一濕式蝕刻製程蝕刻該二氧 ®化欽半導體層。 7·如申請專利範圍第5項所述之光電轉換基材的製造 方法’其中該濺鍍製程係以氬氣或氬氣與氧氣為反應氣體。 8.如申請專利範圍第5項所述之光電轉換基材的製造 方法’其中該濺鍍製程之反應氣體填充壓力為約1〜l〇Pa。 • 9.如申請專利範圍第5項所述之光電轉換基材的製造 方法’其中當該濺鍍製程反應時，該導電基材的溫度為約 400〜600 〇c 。 10.如申請專利範圍第5項所述之光電轉換基材的製 • 造方法，其中該濺鍵製程之反應時間為約60〜120分鐘。 H· —種光電轉換基材的製造方法，至少包含： 提供一導電基材； 1331809 * ______ ^ 99年5月18日修正替換頁 於該導電基材之至少部分區域形成一二氧化鈦半導體 層；以及 蝕刻該二氧化鈦半導體層。 12.如申請專利範圍第n項所述之光電轉換基材的製 造方法，其中該餘刻步驟為一濕式蝕刻製程且所用之反應 浴液為一氫氟酸水溶液。 ® 13.如申請專利範圍第12項所述之光電轉換基材的製 ^ ’其中該氫氟酸水溶液之重量百分比濃度為約 01 〜0.〇1%。 .束方14·如申請專利範圍第13項所述之光電轉換基材的製 法’其中該濕式餘刻製程之反應時間為約15〜18〇分鐘。 # 17