TWI395809B - 多色系太陽光電電變色裝置 - Google Patents

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Description

多色系太陽光電電變色裝置
本發明是有關於一種太陽光電電變色裝置(photovoltaics electrochromics apparatus)，且特別是有關於一種多色系(multicolor)太陽光電電變色裝置。
所謂的電致變色或電變色元件為一種由導電物質組成、可藉由施加電場或電流引起可逆的氧化/還原(redox)反應而產生顏色變化的元件。電變色元件的製作需滿足下列幾種特性，包括：不同電位下所呈現的顏色必須能夠很容易分辨、顏色的變化快速且均一、元件顏色的可逆變化需能夠重複上萬次以上，以及穩定性高。常見的電變色元件包括固態型表面限制薄膜型(surface confined thin film)電變色元件以及溶液型電變色元件。
表面限制薄膜型電變色元件之結構是由上、下兩層透明基材加上其間之電變色多層膜所組成。其中電變色多層膜類似電池的結構，至少含五層不同功能的塗/鍍層，譬如依序為透明導電層、電變色層、電解質層、離子儲存層以及透明導電層的多層膜。至於溶液型電變色元件的結構則由上、下兩個透明導電基材組成，藉由黏著劑，以電極層相向的方式貼合兩面基材，其間配置電變色有機溶液。另外，也有研究是利用薄膜電晶體(TFT)之畫素電極作為電變色元件的共同電極，如美國專利第7312914號。然而上述結構需額外提供能量。
相較於歷史較悠久的「電致色變(electrochromism)」，「光電致色變(photoelectrochromism)」技術是只需照光而不需另外提供能量就可使電變色層作用，更具備節能效果。
因此，為拓展電變色技術之應用範圍，已有多項結合光電技術與太陽電池的相關研究提供了更多樣化的方向。例如整合在建築物內的太陽電池(building integrated photovoltaic，BIPV)可以配合電變色技術，在不用額外提供電源之狀況下，根據室內外光照強度變化，自動調整電變色窗顏色的深淺，減少室內熱能。由於節能意識的抬頭，此應用方法已成為一種新的趨勢。
而目前的發展重點分為兩大趨勢，其中之一是一體型光電致色變，主要是以多層無機鍍膜製程，將電變色層堆疊在薄膜太陽電池鍍層上，組成一串聯的結構，如美國專利第5377037號。但由於無機電變色材料本質特性需高驅動電壓及高電荷密度，因此，該元件之明暗對比相對低，不易推廣到智慧窗之應用。
另一趨勢是以染料敏化太陽電池作為發電來源，如美國專利第6369934號。然而這種典型的結構對於實際開發應用方面仍有諸多問題亟待解決，像是光敏感層之穩定性或元件大面積化之可行性。
除此之外，目前已有結合電變色層與太陽電池的多媒體顯示器，如美國專利第7205473號。但是，這種顯示器是將電變色元件與太陽電池分開製作且分在不同區域，所以不利於元件大面積化的趨勢。
本發明提供一種多色系太陽光電電變色裝置，在一個元件的構造內，透過薄膜太陽電池將光能轉為提供變色所需之電能，並藉由薄膜太陽電池間的電位差(potential difference)，來達成多色系變色的效果。
本發明提出一種多色系太陽光電電變色裝置，包括一第一透明基板、對向的一第二透明基板、位於第一透明基板上的至少一光電致變色元件以及位於第一與第二透明基板之間的至少一變色元件(chromogenic device)。上述光電致變色元件包括數個薄膜太陽電池以及至少一種電變色材料，其中電變色材料是位在薄膜太陽電池上。所述薄膜太陽電池之間具有不同之電位差，且各薄膜太陽電池包括一第一正極、一光電轉換層與一第一負極，其中每一薄膜太陽電池之第一正極與第一負極同時扮演所述光電致變色元件之正極及負極。至於變色元件則包括一第一電極與一第二電極，再加上位在第一電極與第二電極上的至少一種變色材料，其中具有不同之的電位差的那些薄膜太陽電池之第一負極分別連至電變色元件的第一電極與第二電極。
在本發明之一實施例中，上述薄膜太陽電池中具有電位差的彼此串聯。
在本發明之一實施例中，上述第一電極與第二電極可全部位在第一透明基板上、全部位在第二透明基板上；或者分別位在第二透明基板與第一透明基板上。
在本發明之一實施例中，上述第一電極與第二電極包括不同的圖案化結構。
在本發明之一實施例中，上述薄膜太陽電池包括呈矩陣排列或呈條狀排列。
在本發明之一實施例中，上述電變色材料或變色元件的所述變色材料包括位於第一與第二透明基板之間的液狀或膠狀電變色溶液，其成分包括氧化/還原型有機小分子電變色材料。所述氧化/還原型有機小分子電變色材料是選自包括負極變色材料以及正極變色材料所組成之材料群中選擇的一種材料或其組合。所述負極變色材料包括甲基威樂晶(methyl viologen)、乙基威樂晶(ethyl viologen)、苯基威樂晶(benzyl viologen)或丙基威樂晶(propyl viologen)；所述正極變色材料包括二甲基吩嗪(dimethylphenazine)或苯二胺(phenylene diamine)或N,N,N’,N’-四甲基-1,4-苯二胺(N,N,N’,N’-tetramethyl-1,4-phenylenediamine，TMPD)等。
在本發明之一實施例中，上述液狀或膠狀電變色溶液的成分還包括液態電解質，譬如包括鹼金屬鹽以及溶劑之液態電解質。上述鹼金屬鹽包括三氟甲基磺酸鋰(lithium triflate)、高氯酸鋰(lithium perchlorate)或四烷基銨鹽(tetra alkyl ammonium salt)；上述溶劑包括碳酸異丙烯酯(propylene carbonate)、碳酸乙二酯(ethylene carbonate)、γ-丁內酯(γ-butyrolactone)、乙腈(acetonitrile)、四氫呋喃(tetrahydrofuran，THF)或甲基吡咯烷酮(N-methyl-2-pyrrolidone，NMP)。
在本發明之一實施例中，上述電變色材料或變色元件所述的變色材料包括沉積形成的電變色薄膜，其成分包括由苯胺單體、二氧乙基噻吩(EDOT)單體或威樂晶(Viologen)單體聚合而成的高分子聚合物；或者普魯士藍(Prussian Blue)。此外，所述電變色薄膜也可以是過渡金屬氧化物，如選自包括氧化鎢(WO3 )、MoO3 、V2 O5 、Nb2 O5 、NiO、SnO、Fe2 O3 、CoO、Ir2 O3 、Rh2 O3 以及MnO2 所組成的過渡金屬氧化物群；以及普魯士藍(Prussian Blue)。
在本發明之一實施例中，當採用電變色薄膜時，上述光電致變色元件或上述變色元件還包括與電變色薄膜相接觸之膠態或固態電解質。所述膠態或固態電解質包括鹼金屬鹽、高分子材料以及溶劑，其中鹼金屬鹽例如三氟甲基磺酸鋰、高氯酸鋰或四烷基銨鹽；溶劑則例如碳酸異丙烯酯、碳酸乙二酯)、γ-丁內酯、乙腈、四氫呋喃(THF)或甲基吡咯烷酮(NMP)；高分子材料如聚環氧乙烯(polyethylene oxide)、聚環氧丙烷(polypropylene oxide)、聚乙烯醇縮丁醛(PVB)或聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmetha acrylate)。
在本發明之一實施例中，上述變色元件的變色材料包括熱變色材料，如二氧化釩(VO2 )等。
在本發明之一實施例中，上述薄膜太陽電池包括矽薄膜太陽電池、CIGS薄膜太陽電池或CdTe薄膜太陽電池。
在本發明之一實施例中，上述第一透明基材或第二透明基材包括玻璃、塑膠或可撓性基材。
在本發明之一實施例中，上述多色系太陽光電電變色裝置，更包括多個鈍化層，分別設置於薄膜太陽電池中的每一光電轉換層的側壁。
在本發明之一實施例中，上述多色系太陽光電電變色裝置還可包括一反射鍍膜，設置於第二透明基板的表面。
在本發明之一實施例中，上述多色系太陽光電電變色裝置更包括一輸出開關配置與一直流/交流轉換裝置。所述輸出開關配置與薄膜太陽電池相連，而直流/交流轉換裝置則與輸出開關配置相連，以將薄膜太陽電池提供的電流轉換為市電。
在本發明之一實施例中，上述多色系太陽光電致變色裝置更包括薄膜電晶體，分別連接到每一薄膜太陽電池之第一正極與第一負極，以便單獨控制每一薄膜太陽電池與外接電路的開關。
基於上述，本發明的多色系太陽光電電變色裝置之構想設計為利用薄膜太陽電池驅動所述光電致變色元件中固態或膠狀之電變色材料，並使薄膜太陽電池之正、負極同時扮演光電致變色元件之正極及負極。同時，設計不同薄膜太陽電池之負極和負極間產生電位差，並藉由薄膜太陽電池間之電位差來驅動所述變色元件中之變色材料。因此，當受到陽光照射，薄膜太陽電池會直接提供電流，讓光電致變色元件和變色元件中的電變色材料與/或熱變色材料同時變色，組成多色系太陽光電電變色元件。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖1A與圖1B是依照本發明之第一實施例之一種多色系太陽光電電變色裝置的上視圖與B-B線段之剖面示意圖。
請同時參照圖1A與圖1B，本實施例之多色系太陽光電電變色裝置100至少包括一第一透明基板102、對向於第一透明基板102的一第二透明基板104、位於第一透明基板102上的至少一光電致變色元件106以及位於第一和第二透明基板102與104之間的變色元件108。上述光電致變色元件106包括數個薄膜太陽電池110a與110b以及至少一種電變色材料112，其中電變色材料112是位在薄膜太陽電池110a與110b上。所述薄膜太陽電池110a與110b之間具有不同之電位差，且薄膜太陽電池110a包括一第一正極114a、一光電轉換層116a與一第一負極118a；薄膜太陽電池110b包括一第一正極114b、一光電轉換層116b與一第一負極118b。其中每一薄膜太陽電池110a與110b之第一正極114a與114b與第一負極118a與118b同時扮演所述光電致變色元件106之正極及負極。另外，變色元件108包括一第一電極122與一第二電極120，再加上位在第二電極120與第一電極122上的至少一種變色材料124。圖中往下的箭號代表光線照射的方向。
請繼續參照圖1B，在第一實施例中，上述電變色材料112與變色材料124可以是相同或不同的液狀或膠狀電變色溶液，其成分例如是氧化/還原型有機小分子電變色材料。而且，所述氧化/還原型有機小分子電變色材料例如是選自包括負極變色材料以及正極變色材料所組成之材料群中選擇的一種材料或其組合。舉例來說，負極變色材料例如甲基威樂晶(methyl viologen)、乙基威樂晶(ethyl viologen)、苯基威樂晶(benzyl viologen)或丙基威樂晶(propyl viologen)；而正極變色材料例如二甲基吩嗪(dimethylphenazine)或苯二胺(phenylene diamine)或N,N,N’,N’-四甲基-1,4-苯二胺(N,N,N’,N’-tetramethyl-1,4-phenylenediamine，TMPD)等。
此外，上述液狀或膠狀電變色溶液的成分還可包括液態電解質。譬如，包括鹼金屬鹽以及溶劑之液態電解質，其中鹼金屬鹽例如三氟甲基磺酸鋰(lithium triflate)、高氯酸鋰(lithium perchlorate)或四烷基銨鹽(tetra alkyl ammonium salt)；溶劑則例如碳酸異丙烯酯(propylene carbonate)、碳酸乙二酯(ethylene carbonate)、γ-丁內酯(γ-butyrolactone)、乙腈(acetonitrile)、四氫呋喃(tetrahydrofuran，THF)或甲基吡咯烷酮(N-methyl-2-pyrrolidone，NMP)。至於第一透明基材102或第二透明基材104，例如玻璃、塑膠或可撓性基材。而在第二透明基板104的表面還可形成一層反射鍍膜126，以形成鏡面，其中反射鍍膜126例如一鍍銀或鍍鋁的薄膜。
在圖1B中，具有不同之電位差的薄膜太陽電池110a與110b之第一負極118a與118b分別連至變色元件108的第一電極122與第二電極120，可使多色系太陽光電電變色裝置100產生至少兩種顏色。因為受到陽光照射時，薄膜太陽電池110a與110b會直接提供電流，讓光電致變色元件106和變色元件108中的電變色材料112與變色材料124同時變色。
上述第二電極120與第一電極122可因應薄膜太陽電池110a、110b之電位差而正負極互換。舉例來說，假設薄膜太陽電池110a有1V的電位差(ΔV)、薄膜太陽電池110b有2V的電位差，則因為薄膜太陽電池110a的第一正極114a與薄膜太陽電池110b的第一正極114b等電位(接地)，所以薄膜太陽電池110a的第一負極118a電位是-1V、薄膜太陽電池110b的第一負極118b電位是-2V。因此，與第一負極118a相連的第一電極122是正極，與第一負極118b相連的第二電極120是負極。同理，如果薄膜太陽電池110a的電位差大於薄膜太陽電池110b的電位差，則第二電極120為正極、第一電極122為負極。此外，當薄膜太陽電池110a與110b為可透光型薄膜太陽電池(see through type thin film photovoltaic)時，一般負極都會鍍銀，而本發明則可去掉此一鍍銀層，以增加元件整體的透光度。
由於第一實施例所使用的電變色材料112與變色材料124之驅動電壓低，因此薄膜太陽電池110a與110b之本質層厚度可減少，而增加多色系太陽光電電變色裝置100之穿透度。而且，由整體多色系太陽光電電變色裝置100之結構看來，因為變色元件108的第二電極120與第一電極122可為透明導電氧化物(TCO)，將有助於增加多色系太陽光電電變色裝置100的透明面積，並提高整體透光度。
圖2A與圖2B是依照本發明之第二實施例之一種多色系太陽光電電變色裝置的上視圖與B-B線段之剖面示意圖，其中使用與第一實施例相同的元件符號來表示相同或類似的構件。
請同時參照圖2A與圖2B，本實施例之多色系太陽光電電變色裝置200至少包括第一透明基板102、第二透明基板104、位於第一透明基板102上的至少一光電致變色元件204以及位於第一和第二透明基板102與104之間的變色元件202。上述光電致變色元件204包括數個薄膜太陽電池110a與110b以及至少一種電變色材料206。薄膜太陽電池110a與110b除了像圖2A般是呈條狀排列外，也可以設計呈矩陣排列。至於變色元件202則包括第二電極120、第一電極122以及數種變色材料210與208。由於在第二電極120與第一電極122上設置不同之變色材料210與208，所以將第一負極118a與118b分別連至變色元件202的第一電極122與第二電極120，可使多色系太陽光電電變色裝置200至少產生兩種顏色。
請繼續參照圖2B，在第二實施例中，電變色材料206以及變色材料208與210可以是相同或不同的沉積形成的電變色薄膜，其成分包括由苯胺單體、二氧乙基噻吩(EDOT)單體或威樂晶(Viologen)單體聚合而成的高分子聚合物；或者普魯士藍。此外，所述電變色薄膜也可以是過渡金屬氧化物，如選自包括WO3 、MoO3 、V2 O5 、Nb2 O5 、NiO、SnO、Fe2 O3 、CoO、Ir2 O3 、Rh2 O3 以及MnO2 所組成的過渡金屬氧化物群。此外，在本實施例中使用兩種變色材料208與210，因此變色元件202基本上可產生兩種變色顏色，當然也可使用同一種變色材料而只產生同一種變色顏色。上述光電致變色元件204以及/或是變色元件202還包括膠態或固態電解質212。舉例來說，膠態或固態電解質212包括鹼金屬鹽、高分子材料以及溶劑，其中鹼金屬鹽例如三氟甲基磺酸鋰、高氯酸鋰或四烷基銨鹽；溶劑則例如碳酸異丙烯酯、碳酸乙二酯、γ-丁內酯、乙腈、四氫呋喃(THF)或甲基吡咯烷酮(NMP)；高分子材料如聚環氧乙烯(polyethylene oxide)、聚環氧丙烷(polypropylene oxide)、聚乙烯醇縮丁醛(PVB)或聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate)。
另外，如果選擇固態電解質212的話，可以將已經製成膜的固態電解質212夾在第一透明基板102與第二透明基板104之間，如圖3。然後，利用如疊合機(laminator)或高壓斧(autoclave)之類的機器，將第一透明基板102、固態電解質212與第二透明基板104壓合，以進行多色系太陽光電電變色裝置200的封裝。而在第二透明基板104的表面還可形成一層反射鍍膜126，以形成鏡面，其中反射鍍膜例如一鍍銀或鍍鋁的薄膜。
此外，圖2B中的變色材料208與210還可以是熱變色材料，如二氧化釩(VO2 )等。因此，不需要電解質，就可藉由分別連接具有不同之電位差的薄膜太陽電池110a與110b之第一負極118a與118b，而使上述形成於第一電極122與第二電極120上的熱變色材料因電位差生熱而變色。
圖4是依照本發明之第三實施例之一種多色系太陽光電電變色裝置的剖面示意圖，其中使用與第一實施例相同的元件符號來表示相同或類似的構件。
請參照圖4，本實施例之多色系太陽光電電變色裝置400與第一實施例的差異在於：變色元件402的第二電極120與第一電極122分別位在第二透明基板104與第一透明基板102上。如此，可使變色元件402成為互補型電變色元件(complementary electrochromic device)。
此外，變色元件的第一與第二電極還可以位在第二透明基板104上，並藉由導線的設置與光電致變色元件相連。
圖5是依照本發明之第四實施例之一種多色系太陽光電電變色裝置的剖面示意圖，其中使用與第二實施例相同的元件符號來表示相同或類似的構件。
請參照圖5，本實施例之多色系太陽光電電變色裝置500與第二實施例的差異在於：變色元件502的第二電極120與第一電極122分別位在第二透明基板104與第一透明基板102上。如此，可使變色元件502成為互補型電變色元件。
圖6是依照本發明之第五實施例之一種多色系太陽光電電變色裝置的上視圖，其中使用與第二實施例相同的元件符號來表示相同或類似的構件，同時省略部分構件。請參照圖6，本實施例之多色系太陽光電電變色裝置600主要是為了設計具有不同之電位差薄膜太陽電池，所以光電致變色元件204可分為(1)由串聯的兩個薄膜太陽電池602a和602b以及(2)單個薄膜太陽電池110a的結構。其餘構件的位置與範例請參照第二實施例。當然，圖6的光電致變色元件204設計也可應用到上述其他實施例，因此不再贅述。
圖7A與圖7B分別是依照本發明之第六實施例之一種多色系太陽光電電變色裝置的上視圖與B-B線段之剖面示意圖，其中使用與第一實施例相同的元件符號來表示相同或類似的構件，同時省略部分構件。
請參照圖7A與圖7B，本實施例之多色系太陽光電電變色裝置700是和上一實施例一樣是為了設計具有不同之電位差薄膜太陽電池，而將光電致變色元件106分為具有串聯的10個薄膜太陽電池702以及具有串聯的8個薄膜太陽電池702，每個薄膜太陽電池702包括第一正極704、一光電轉換層706與第一負極708。因為薄膜太陽電池702的數量不同，所以可使連至第二電極120與第一電極122的上、下兩光電致變色元件106具有不同電位差。此外，還可在多色系太陽光電電變色裝置700中加上多個鈍化層710，分別設置於薄膜太陽電池702中的每一光電轉換層706的側壁，用以保護光電轉換層706不受液狀或膠狀電變色溶液之電變色材料112破壞。
圖8是第六實施例之變形例的剖面示意圖，其中使用與第六實施例相同的元件符號來表示相同或類似的構件，同時省略部分構件。
請參照圖8，其與第六實施例的差異在於其中的電變色材料是採用分別沉積於第一正極704的電變色薄膜802a與沉積於第一負極708的電變色薄膜802b。而且，可應用圖3的封裝方式，將已經製成膜的固態電解質212夾在第一透明基板102與第二透明基板104之間，再利用如疊合機或高壓斧之類的機器，將第一透明基板102、固態電解質212與第二透明基板104壓合。
圖9A是依照本發明之第七實施例之一種多色系太陽光電電變色裝置的上視圖，圖9B是圖9A之B-B線段之剖面示意圖。
請參照圖9A與圖9B，本實施例之多色系太陽光電電變色裝置900可作為顯示器使用，其中包括第一透明基板902、對向於第一透明基板902的一第二透明基板904、位於第一透明基板902上的至少一光電致變色元件906以及位於第一和第二透明基板902與904之間的變色元件908。上述光電致變色元件906包括數個薄膜太陽電池(如第二實施例之110a與110b)以及一電變色材料(如第二實施例之206)。具有不同之電位差的薄膜太陽電池包括一第一正極910a與910b、一光電轉換層(未繪示)與一第一負極912a與912b。變色元件908則包括一第一電極914、一第二電極916與分別位在第一電極914與第二電極916上的一第一變色材料918和一第二變色材料920。第七實施例之第一電極914與第二電極916分別連至第一負極912b與912a。由於第一電極914與第二電極916具有不同的圖案化結構，因此當多色系太陽光電電變色裝置900受到陽光照射時，薄膜太陽電池會直接提供電流，讓光電致變色元件906和變色元件908中的電變色材料與第一變色材料918和第二變色材料920變色。此外，變色元件908在第一透明基板902和第二透明基板904之間還可以有膠態或固態電解質922。上述各構件的材料可參照第二實施例所述。
圖9C是第七實施例之一種變形例，在此圖中使用與第一實施例類似的液狀或膠狀電變色溶液924來取代第一變色材料918、第二變色材料920以及膠態或固態電解質922。
在本發明之多色系太陽光電電變色裝置中，薄膜太陽電池例如是矽薄膜太陽電池、CIGS薄膜太陽電池或CdTe薄膜太陽電池。
以下列舉幾個實驗來證實本發明之功效，且於下列實驗中是以矽薄膜太陽電池模組為範例。
實驗一
將正極變色材料N,N,N’,N’-四甲基-1,4-苯二胺(TMPD)以及庚基威樂晶(HV)正、負極有機小分子電變色材料，依照其分子量分別配製0.1M，溶於碳酸丙烯酯(propylene carbonate)溶劑內，再添加LiClO4 0.1M，並攪拌配成均勻透明無色的電變色溶液。將以上電變色溶液進行循環伏安(cyclic voltammograms，C-V)圖掃瞄，掃瞄速率為100mV/s，掃瞄範圍是0V~1.6V，得到圖10的曲線。圖10顯示在0.8V的第一個氧化峰為TMPD的氧化著色峰，第二個為HV的氧化峰，還原一樣是HV先然後回到0.4V就是TMPD的還原峰。操作的最低著色電位在約0.6V就有著色的效果，可以搭配圖11的UV-Vis吸收觀察。由圖11中可以看到，反應的電位大於0.4V之時就有些微的著色，大於0.6V就有明顯的著色現象，兩個特徵吸收峰是由TMPD與HV共同貢獻的。操作大於0.8V之時，顏色的吸收就沒有呈現線性的增加，所以操作在0.8V之下是比較適合的操作電位。在電流響應的部分，控制在0~0.6V的操作電位之下，反應的時間可以在一秒之內完成，如圖12所示。
實驗二
將面積為5cm×5cm的一玻璃基材1300上呈矩陣排列狀且單一面積約為0.25cm2 之矽薄膜太陽電池1302a與1302b的其中兩個單一矩陣的正極1304接地，如圖13所示。以上兩個單一矩陣的矽薄膜太陽電池的負極1306設計成具至少0.6伏特(Volts)以上的電位差。其中，第一個單一矩陣的矽薄膜太陽電池1302a之開路電壓Voc為0.93V，電流密度Jsc為12.29mA/cm2 ，FF為73.03%，Pmax為2.1mW，而第二個單一矩陣的矽薄膜太陽電池1302b的Voc為1.57V，電流密度Jsc為7.23mA/cm2 ，FF為59.08%，Pmax為1.68mW以及效率為6.7%。以上矽薄膜太陽電池1302a與1302b之光電轉換特性如圖14及圖15之IV曲線所示。
再利用條狀(ribbon)導線1308的一端各別焊接在負極1306，並將條狀(ribbon)導線1308的另一端和兩片面積各別為1cm×1cm的導電玻璃1310a與1310b接觸。再將以上兩片導電玻璃1310a與1310b浸泡在含TMPD-HV電變色溶液1312的電化學槽1314裏，如圖13所示。當太陽光照射上述矽薄膜太陽電池1302a與1302b時，在5分鐘的時間內，在正極的導電玻璃1310a處產生TMPD正極變色而在負極的導電玻璃1310b處產生HV負極變色。
實驗三
將面積為5cm×5cm的第一玻璃基材上，呈矩陣排列狀且單一面積約為0.25cm2 之矽薄膜太陽電池的其中兩個單一矩陣的正極接地，以上兩單一矩陣的矽薄膜太陽電池的負極並設計成具至少0.6Volts的電位差。其中所使用的是矽薄膜太陽電池呈矩陣排列第一個單一矩陣的矽薄膜太陽電池之開路電壓Voc為0.93V，電流密度Jsc為12.29mA/cm2 ，FF為73.03%，Pmax為2.1mW，而第二個單一矩陣矽薄膜太陽電池的Voc為1.57V，電流密度Jsc為7.23mA/cm2 ，FF為59.08%，Pmax為1.68mW以及效率為6.7%。
再利用條狀(ribbon)導線各別焊接在以上具電位差的第一和第二矩陣的矽薄膜太陽電池的負極，並將條狀(ribbon)導線的另一端和兩片面積各別為1cm×1cm的導電玻璃接觸。將膠態狀之TMPD-HV塗佈於面積為10cm×10cm的第二透明玻璃基材上，再將以上具電位差的第一玻璃基材矽薄膜太陽電池覆蓋在第二透明玻璃基材上形成光電致變色元件。同時將以上兩片1cm×1cm的導電玻璃各別覆蓋在第二透明玻璃基材上形成電變色元件。當太陽光照射上述矽薄膜太陽電池時，在5分鐘的時間內，光電致變色元件的的正極及負極同時產生變色，而在正極導電玻璃處產生TMPD正極變色而在負極導電玻璃處產生HV負極變色。
從以上實驗可知本發明確實能夠實現多色系太陽光電電變色元件照光變色的效果。
此外，本發明之多色系太陽光電電變色裝置中的光電致變色元件可藉由加入耦合至薄膜太陽電池之輸出開關配置，控制由這些薄膜太陽電池提供的電流之輸出。以下幾種方式皆可以做成光電致變色元件的開關：
1.利用直流/交流轉換裝置(DC/AC Inverter)1600，將薄膜太陽電池產生的電流轉換為交流電之後可作為市電1602供應一般電器使用，如圖16所示。
2.運用薄膜電晶體(TFT)等製程，在薄膜太陽電池正負極兩端都製作薄膜電晶體1700當作開關，來單獨控制矽薄膜太陽電池與外接電路的開關(On/Off)，如此可達成主動式控制光電致變色元件如圖17所示。
綜上所述，本發明之多色系太陽光電電變色裝置為利用薄膜太陽電池驅動光電致變色元件中的固態或膠狀之電變色材料，並使薄膜太陽電池之正、負極同時扮演光電致變色元件之正極及負極。同時，設計不同薄膜太陽電池之負極和負極間產生電位差，並藉由薄膜太陽電池間之電位差來驅動電變色元件中之變色材料。因此，以上的多色系太陽光電電變色元件除了可提高整體元件之透光面積，同時也可以設計為電變色顯示器。在不同的照光強度下呈現不同的顏色變色以提高顏色多樣性。
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，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故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。
100、200、400、500、600、700、900．．．多色系太陽光電電變色裝置
102、902．．．第一透明基板
104、904．．．第二透明基板
106、204、906．．．光電致變色元件
108、202、402、502、908．．．變色元件
110a、110b、602a、602b、702．．．薄膜太陽電池
112、206．．．電變色材料
114a、114b、704、910a、910b．．．第一正極
116a、116b、706．．．光電轉換層
118a、118b、708、912a、912b．．．第一負極
120、916．．．第二電極
122、914．．．第一電極
124、208、210、918、920．．．變色材料
126．．．反射鍍膜
212、922．．．膠態或固態電解質
710．．．鈍化層
802a、802b．．．電變色薄膜
924．．．液狀或膠狀電變色溶液
1300．．．玻璃基材
1302a、1302b．．．矽薄膜太陽電池
1304．．．正極
1306．．．負極
1308．．．條狀導線
1310a、1310b．．．導電玻璃
1312．．．含TMPD-HV電變色溶液
1314．．．電化學槽
1600．．．直流/交流轉換裝置
1602．．．市電
1700．．．薄膜電晶體
圖1A是依照本發明之第一實施例之一種多色系太陽光電電變色裝置的上視圖。
圖1B是圖1A之B-B線段之剖面示意圖。
圖2A是依照本發明之第二實施例之一種多色系太陽光電電變色裝置的上視圖。
圖2B是圖2A之B-B線段之剖面示意圖。
圖3是本發明之第二實施例的多色系太陽光電電變色裝置之一種封裝方式的剖面示意圖。
圖4是依照本發明之第三實施例之一種多色系太陽光電電變色裝置的剖面示意圖。
圖5是依照本發明之第四實施例之一種多色系太陽光電電變色裝置的剖面示意圖。
圖6是依照本發明之第五實施例之一種多色系太陽光電電變色裝置的上視圖。
圖7A是依照本發明之第六實施例之一種多色系太陽光電電變色裝置的上視圖。
圖7B是圖7A之B-B線段之剖面示意圖。
圖8是第六實施例之變形例的剖面示意圖。
圖9A是依照本發明之第七實施例之一種多色系太陽光電電變色裝置的上視圖。
圖9B是圖9A之B-B線段之剖面示意圖。
圖9C是第七實施例之一種變形例。
圖10是TMPD以及HV正、負極有機小分子電變色材料之循環伏安圖。
圖11是TMPD以及HV正、負極有機小分子電變色材料之吸收光譜圖。
圖12是TMPD以及HV正、負極有機小分子電變色材料之電流響應。
圖13是實驗二的設計示意圖。
圖14是矽薄膜太陽電池之光電轉換特性之IV曲線圖。
圖15是矽薄膜太陽電池之光電轉換特性之IV曲線圖。
圖16是本發明之多色系太陽光電電變色裝置的電變色元件與一種輸出開關配置之間的電路示意圖。
圖17是本發明之多色系太陽光電電變色裝置的電變色元件與薄膜電晶體的電路示意圖。
100．．．多色系太陽光電電變色裝置
102．．．第一透明基板
104．．．第二透明基板
106．．．光電致變色元件
108．．．變色元件
110a、110b．．．薄膜太陽電池
112．．．電變色材料
114a、114b．．．第一正極
116a、116b．．．光電轉換層
118a、118b．．．第一負極
120．．．第二電極
122．．．第一電極
124．．．變色材料

Claims (31)

  1. 一種多色系太陽光電電變色裝置，包括：一第一透明基板；一第二透明基板，對向於該第一透明基板；至少一光電致變色元件，位於該第一透明基板上，其中該光電致變色元件包括：數個薄膜太陽電池，該些薄膜太陽電池之間具有不同之電位差，且各該薄膜太陽電池包括一第一正極、一光電轉換層與一第一負極，其中每一薄膜太陽電池之該第一正極與該第一負極同時扮演該光電致變色元件之正極及負極；以及至少一電變色材料，該電變色材料位在該些薄膜太陽電池上；以及至少一變色元件，位於該第一透明基板與該第二透明基板之間，其中該變色元件包括：一第一電極與一第二電極；以及至少一變色材料，該變色材料位在該第一電極與該第二電極上，其中具有不同之電位差的該些薄膜太陽電池之該些第一負極分別連至該變色元件的該第一電極與該第二電極。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之多色系太陽光電電變色裝置，其中該些薄膜太陽電池中具有電位差的彼此串聯。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之多色系太陽光電電變色裝置，其中該第一電極與該第二電極都位在該第一透明基板上、該第一電極與該第二電極都位在該第二透明基板上；或者該第一電極與該第二電極分別位在第二透明基板與該第一透明基板上。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之多色系太陽光電電變色裝置，其中該第一電極與該第二電極包括不同的圖案化結構。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之多色系太陽光電電變色裝置，其中該些薄膜太陽電池包括呈矩陣排列或呈條狀排列。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之多色系太陽光電電變色裝置，其中該電變色材料或該變色元件的該變色材料包括位於該第一透明基板與該第二透明基板之間的液狀或膠狀電變色溶液。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之多色系太陽光電電變色裝置，其中該液狀或膠狀電變色溶液的成分包括氧化/還原型有機小分子電變色材料。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之多色系太陽光電電變色裝置，其中該氧化/還原型有機小分子電變色材料是選自包括負極變色材料以及正極變色材料所組成之材料群中選擇的一種材料或其組合。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之多色系太陽光電電變色裝置，其中該負極變色材料包括甲基威樂晶(methyl viologen)、乙基威樂晶(ethyl viologen)、苯基威樂晶(benzyl viologen)或丙基威樂晶(propyl viologen)。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之多色系太陽光電電變色裝置，其中該正極變色材料包括二甲基吩嗪(dimethylphenazine)、苯二胺(phenylene diamine)或N,N,N’,N’-四甲基-1,4-苯二胺(TMPD)。
  11. 如申請專利範圍第6項所述之多色系太陽光電電變色裝置，其中該液狀或膠狀電變色溶液的成分更包括液態電解質。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之多色系太陽光電電變色裝置，其中該液態電解質包括鹼金屬鹽以及溶劑。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之多色系太陽光電電變色裝置，其中該鹼金屬鹽包括三氟甲基磺酸鋰(lithium triflate)、高氯酸鋰(lithium perchlorate)或四烷基銨鹽(tetra alkyl ammonium salt)。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之多色系太陽光電電變色裝置，其中該溶劑包括碳酸異丙烯酯(propylene carbonate)、碳酸乙二酯(ethylene carbonate)、γ-丁內酯(γ-butyrolactone)、乙腈(acetonitrile)、四氫呋喃(tetrahydrofuran，THF)或甲基吡咯烷酮(N-methyl-2-pyrrolidone，NMP)。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之多色系太陽光電電變色裝置，其中該電變色材料或該變色元件的該變色材料包括沉積形成的電變色薄膜。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之多色系太陽光電電變色裝置，其中該電變色薄膜的成分包括由苯胺單體、二氧乙基噻吩(EDOT)單體或威樂晶(Viologen)單體聚合而成的高分子聚合物；或者普魯士藍。
  17. 如申請專利範圍第15項所述之多色系太陽光電電變色裝置，其中該電變色薄膜之材料包括過渡金屬氧化物。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之多色系太陽光電電變色裝置，其中該過渡金屬氧化物是選自包括氧化鎢(WO3 )、MoO3 、V2 O5 、Nb2 O5 、NiO、SnO、Fe2 O3 、CoO、Ir2 O3 、Rh2 O3 以及MnO2 所組成的過渡金屬氧化物群。
  19. 如申請專利範圍第15項所述之多色系太陽光電電變色裝置，其中該光電致變色元件或該變色元件更包括與該電變色薄膜接觸之膠態或固態電解質。
  20. 如申請專利範圍第19項所述之多色系太陽光電電變色裝置，其中該膠態或固態電解質包括鹼金屬鹽、溶劑以及高分子。
  21. 如申請專利範圍第20項所述之多色系太陽光電電變色裝置，其中該鹼金屬鹽包括三氟甲基磺酸鋰、高氯酸鋰或四烷基銨鹽。
  22. 如申請專利範圍第20項所述之多色系太陽光電電變色裝置，其中該溶劑包括碳酸異丙烯酯、碳酸乙二酯、γ-丁內酯、乙腈、四氫呋喃(THF)或甲基吡咯烷酮(NMP)。
  23. 如申請專利範圍第20項所述之多色系太陽光電電變色裝置，其中該高分子包括聚環氧乙烯(polyethylene oxide)、聚環氧丙烷(polypropylene oxide)、聚乙烯醇縮丁醛(PVB)或聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmetha acrylate)。
  24. 如申請專利範圍第1項所述之多色系太陽光電電變色裝置，其中該變色元件的該變色材料包括熱變色材料。
  25. 如申請專利範圍第24項所述之多色系太陽光電電變色裝置，其中該熱變色材料包括二氧化釩(VO2 )。
  26. 如申請專利範圍第1項所述之多色系太陽光電電變色裝置，其中該些薄膜太陽電池包括矽薄膜太陽電池、CIGS薄膜太陽電池或CdTe薄膜太陽電池。
  27. 如申請專利範圍第1項所述之多色系太陽光電電變色裝置，其中該第一透明基材或該第二透明基材包括玻璃、塑膠或可撓性基材。
  28. 如申請專利範圍第1項所述之多色系太陽光電電變色裝置，更包括多數個鈍化層，分別設置於該些薄膜太陽電池中的每一光電轉換層的側壁。
  29. 如申請專利範圍第1項所述之多色系太陽光電電變色裝置，更包括一反射鍍膜，設置於該第二透明基板的表面。
  30. 如申請專利範圍第1項所述之多色系太陽光電電變色裝置，更包括：一輸出開關配置，與該些薄膜太陽電池相連；以及一直流/交流轉換裝置，與該輸出開關配置相連，以將該些薄膜太陽電池提供的電流轉換為市電。
  31. 如申請專利範圍第1項所述之多色系太陽光電電變色裝置，更包括薄膜電晶體，分別連接到每一薄膜太陽電池之該第一正極與該第一負極，以便單獨控制每一薄膜太陽電池與外接電路的開關。
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