TWI407579B - 基板電極結構的製造方法 - Google Patents

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Description

基板電極結構的製造方法
本發明係有關於基板電極結構的製造方法，特別有關於提升染料敏化太陽電池輸出電流與輸出電壓的方法。
染料敏化太陽電池(Dye-Sensitized Solar Cell，簡稱DSSC)或稱為染料增感型太陽電池，具有成本低、效率高、製作簡易以及可塑性高等優勢，且室內光源可發電、不受日照角度影響等特點。傳統染料敏化太陽電池的結構包含基板(玻璃或薄膜基板)、透明導電膜、工作電極(含半導體層與染料)、電荷傳輸材料(電解質)，和由基板上鍍有透明導電膜、鉑觸媒之相對電極等所構成。由於染料敏化太陽電池次模組目前的輸出效率約只有6-8%，且輸出功率尚不夠高。提升染料敏化太陽電池次模組的效率與輸出功率為目前開發的一大重點。
於製造染料敏化太陽電池的次模組電池時，一般會使用網印法印刷銀線與保護銀線之保護膠於導電基板上。一般在製造製程設計上，於工作電極與銀線保護膠之間，會預留特定的空間，卻因此降低了次模組工作電極的活性面積。
另外，電泳沉積法具有快速成膜速度、設備簡單且可以沉積在具有導電性之各種形狀的物體上等優點。因此，於習知技術中亦被選擇用來製備染料敏化太陽電池的TiO2 電極。廣義上電泳沉積法是屬於膠體製程的一種，藉由控制膠體粒子的表面狀態，使其均勻分散懸浮於溶液中，再將兩電極浸入懸浮液中，並於兩電極間施加直流電場，使表面帶有電荷的粒子在電場的作用下，朝向與本身電性相反的電極方向移動，最終沉積於基板上，而形成一鍍層。
中國專利第CN 1763261A號揭露一種以定電位方式電泳沉積TiO2 膜於玻璃導電基板上的方法。所述具電極結構的導電基板可應用於染料敏化太陽電池。然而，傳統電泳沉積TiO2 膜的方法具許多技術上的限制於，例如必須以定電壓方式製備TiO2 電極，限制在電泳槽的陰極沉積，電泳液中需含有鹽類電解質，以及需要再經400-500℃或微波處理電極，使得單純以電泳沉積法無法得到所欲的電極品質。
本發明之一實施例提供一種基板電極結構的製造方法，包括：提供一基板，其上面具有一圖案化金屬層定義出一電極區域，其中一保護膠覆蓋該圖案化金屬層，且一電極層填充在該電極區域內；以及實施一填補步驟以沉積一奈米氧化物於該電極層上，使其填滿整個電極區域。
本發明另一實施例提供一種基板電極結構的製造方法，包括：提供一透明導電基板，其上面具有一圖案化金屬層定義出一電極區域，其中一保護膠覆蓋該圖案化金屬層，且一電極層填充於該電極區域內、其中該電極層包含一細粒徑電極次層和一粗粒徑電極次層；實施一第一電泳沉積步驟沉積細粒徑的奈米氧化物顆粒於該電極層與該保護膠之間的間隙；以及實施一第二電泳沉積步驟沉積粗粒徑的奈米氧化物顆粒於該電極層與該保護膠之間的間隙。
為使本發明能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
以下以各實施例詳細說明並伴隨著圖式說明之範例，做為本發明之參考依據。在圖式或說明書描述中，相似或相同之部分皆使用相同之圖號。且在圖式中，實施例之形狀或是厚度可擴大，並以簡化或是方便標示。再者，圖式中各元件之部分將以分別描述說明之，值得注意的是，圖中未繪示或描述之元件，為所屬技術領域中具有通常知識者所知的形式，另外，特定之實施例僅為揭示本發明使用之特定方式，其並非用以限定本發明。
本揭露的各實施例主要利用電泳沉積法填補工作電極與銀線保護膠之間空隙，提升工作電極的活性面積，並作為染料敏化太陽電池的工作電極以提高元件之輸出電流與輸出功率。
第1圖顯示本發明之實施例中電泳沉積設備10的示意圖。於第1圖中，將氧化物粉體15(例如TiO2 粉體)均勻分散於電泳溶液槽體12內的溶劑18(例如IPA)中。將製作好的TiO2電極(製作TiO2電極可包括許多方式，電極網印法為其中一種)作為陰極14，將FTO玻璃作為陽極16，配置好之電泳溶液置於兩電極間，距離為D，透過直流電源供應器20以定電流或定電位方式進行電泳沉積，一般而言，分散於IPA中的TiO2 粒子因表面帶正電荷，會沉積於陰極14上。電泳沉積法基本上分為電泳及沉積兩個步驟，電泳步驟即通過一外加電場，使懸浮在溶液中帶有電荷之粒子受到電場作用移動，以及沉積步驟是將基板附近的粒子沉積至基板上，形成一層由粒子緊密堆積而成之鍍層。
第2A和2B圖顯示根據本發明之實施例的基板電極結構的製造方法示意圖。請參閱第2A圖，首先，提供一基板102(例如透明導電基板TCO)，其上面具有一圖案化金屬層104定義出一電極區域A，其中一保護膠106覆蓋圖案化金屬層104。一電極層110包含一細粒徑電極次層112和一粗粒徑電極次層114，填充於電極區域A內。為了使製程方便與順利，實際填充的電極層110面積B會小於電極區域A，使得電極層110與保護膠106之間，預留特定的空間。為了使這些空間得到充分利用，於本發明實施例中，通過電泳法來沉積TiO2 於剩餘面積的步驟。
接著，請參閱第2B圖，實施一填補步驟以沉積一奈米氧化物層120於該電極層110上，使其填滿整個電極區域。填補步驟包括實施一電沉積法，例如電泳沉積法。所述電極層110與奈米氧化物120的組成可相同亦可不相同。所述奈米氧化物120可包括氧化鈦(TiOx )、二氧化鈦、氧化鋅、氧化錫、氧化矽、其他適合的氧化物半導體材料或前述之組合。於一實施例中，經過電泳沉積的電極厚度約為0.1μm到50μm之間。電泳沉積的奈米氧化物之粒徑大小可選用約為5nm到400nm之間。
於另一實施例中，實施一第一電泳沉積步驟沉積細粒徑的奈米氧化物顆粒122於該電極層與該保護膠之間的間隙，其中該細粒徑的奈米氧化物顆粒之粒徑範圍可為約5nm到50nm；以及實施一第二電泳沉積步驟沉積粗粒徑的奈米氧化物顆粒124於該電極層與該保護膠之間的間隙，其中該粗粒徑的奈米氧化物顆粒之粒徑範圍可為約50nm到400nm。應注意的是，粗粒徑的奈米氧化物顆粒有助於入射光子的散射，進而增加光子的吸收效率。於另一實施例中，電泳沉積的奈米氧化物可隨機摻混，也可以控制分佈沉積。例如，先沉積細粒徑的奈米氧化物，再沉積粗粒徑的奈米氧化物。
上述揭露的實施例所使用的電泳沉積步驟，除了可以填補網印製備的散射層中的孔隙外，也可以沉積在工作電極與保護膠之間空隙面積，約可提升活性面積20%。進一步可藉由多次沉積過程，改變不同TiO2 的粒徑及型態來進行沉積，以沉積出不同分佈型態的TiO2 電極，以增加入射光線利用率，提升輸出電流。
【第一實施範例】
以下茲特別以數個實施範例，具體例示本發明之技術手段與精神：
步驟1.　製備工作電極：以網印方式製備二氧化鈦電極層(厚度18微米)、圖案化銀線及保護銀線之玻璃膠至透明導電基板(FTO/glass)後，送入高溫爐於500℃進行燒結30分鐘。
步驟2.　製備對電極：以網印方式製備白金對電極、圖案化銀線及保護銀線之玻璃膠至透明導電基板(FTO/glass)後，送入高溫爐於500℃進行燒結30分鐘。
步驟3.　將1.25克的二氧化鈦奈米粉末(購自Degussa公司，產品型號P90，粒徑15~20nm)加入500毫升的IPA溶液中，攪拌6小時，使二氧化鈦奈米粒子均勻分散。
步驟4.　將步驟1中製備好的電極基板浸置於步驟3中的溶液中，將電源供應器(Keithley 2400)之負極與基板連接，而正極與底部導電基板連接，正負兩極距離約1公分。
步驟5.　電源供應器設定為定電流100毫安培，並以不同時間電泳沉積二氧化鈦於步驟1中製備的工作電極上，沉積時間可以1分鐘、3分鐘、5分鐘和7分鐘。另外，可視需要再沉積4分鐘粒徑約為100nm之二氧化鈦。
步驟6.　電泳完畢後，靜置於室溫25℃下3小時後，進入高溫爐中以500℃進行二次燒結。
步驟7.　將步驟五中的電極浸泡於3×10-4 M之N719染料溶液中，於室溫下浸泡24小時後，以丙酮清洗後靜置。
步驟8.　將步驟2中的對電極與步驟7吸附染料後的工作電極以熱塑型塑膠進行對組黏合，並將含有I- /I3 - 的電解液注入兩電極間並封裝後，進行電池效能測試。
各條件下的實驗結果，如表一所示。
條件：染料/電解液：N719/0.6M PMII+0.1 M LiI+0.05 M I2 +0.5 M TBP於乙腈中，圖案化之銀線高度：10μm。
【第二實施範例】
步驟1.製備工作電極：以網印方式製備二氧化鈦電極層(TiO2 粒徑50-100nm，厚度18微米)、圖案化銀線及保護銀線之玻璃膠至透明導電基板(FTO/glass)後，送入高溫爐於500℃進行燒結30分鐘。
步驟2.　製備對電極：以網印方式製備白金對電極、圖案化銀線及保護銀線之玻璃膠至透明導電基板(FTO/glass)後，送入高溫爐於500℃進行燒結30分鐘。
步驟3.　將1.25克的二氧化鈦奈米粉末(購自Degussa公司，產品型號P90，粒徑15~20nm)加入500毫升的IPA溶液中，攪拌6小時，使二氧化鈦奈米粒子均勻分散。
步驟4.　將步驟1中製備好的電極基板浸置於步驟3中的溶液中，將電源供應器(Keithley 2400)之負極與基板連接，而正極與底部導電基板連接，正負兩極距離約1公分。
步驟5.　電源供應器設定為定電流100毫安培，並以電泳沉積100nm二氧化鈦於步驟1中製備的的電極上，沉積時間為1分鐘。
步驟6.　電泳完畢後，靜置於室溫25℃下3小時後，進入高溫爐中以500℃進行二次燒結。
步驟7.　將步驟五中的電極浸泡於3×10-4 M之N719染料溶液中，於室溫下浸泡24小時後，以丙酮清洗後靜置。
步驟8.　將步驟2中的對電極與步驟7吸附染料後的工作電極以熱塑型塑膠進行對組黏合，並將含有I- /I3 - 的電解液注入兩電極間並封裝後。
根據本發明實施例，比較僅藉由網印印刷形成染料敏化太陽電池的工作電極(省略前述步驟3.至6.)和經過電泳沉積填補形成染料敏化太陽電池的工作電極的入射波長和入射光子-電子轉換效率(incident photon-to-electron conversion efficiency，IPCE)，其比較結果如第3圖所示，電泳步驟亦可提升電池對於較長波長(500-750nm)的光線之利用率。
上述揭露的實施例可利用電泳沉積法填補工作電極與銀線保護膠之間空隙，以提升TiO2 電極的活性面積，並作為染料敏化太陽電池的工作電極以提高元件之輸出電流與輸出功率。例如電泳沉積步驟可有效地填補TiO2 電極與銀線保護膠之間的空隙，提升活性面積約20%(以0.5 cm×4 cm的電池實驗)，且明顯提升電池之輸出電流(從31.6mA提升到35.8 mA，提升約13%)與輸出功率(13.28mW提升到15.32 mW，提升約15%)。
本發明雖以各種實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，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，當可做些許的更動與潤飾，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。
10．．．電泳沉積設備
12．．．電泳溶液槽體
14．．．陰極
15．．．帶電荷的氧化物粉體
16．．．陽極
18．．．溶劑
20．．．直流電源供應器
D．．．兩電極間的距離
102．．．基板
104．．．圖案化金屬層
106．．．保護膠
110．．．電極層
112．．．細粒徑電極次層
114．．．粗粒徑電極次層
120．．．電泳沉積奈米氧化物層
122．．．細粒徑的奈米氧化物顆粒
124．．．粗粒徑的奈米氧化物顆粒
A．．．電極區域
B．．．實際印刷的電極層面積
第1圖顯示本發明之實施例中電泳沉積設備10的示意圖。
第2A和2B圖顯示根據本發明之實施例的基板電極結構的製造方法示意圖。
第3圖顯示根據本發明實施例的基板電極結構的入射波長和入射光子-電子轉換效率(IPCE)的比較結果。
102．．．基板
104．．．圖案化金屬層
106．．．保護膠
110．．．電極層
112．．．細粒徑電極次層
114．．．粗粒徑電極次層
120．．．電泳沉積奈米氧化物層
122．．．細粒徑的奈米氧化物顆粒
124．．．粗粒徑的奈米氧化物顆粒
A．．．電極區域
B．．．實際印刷的電極層面積

Claims (11)

  1. 一種基板電極結構的製造方法，包括：提供一基板，其上面具有一圖案化金屬層定義出一電極區域，其中一保護膠覆蓋該圖案化金屬層，且一電極層製備在該電極區域內；以及實施一填補步驟以沉積一奈米氧化物於該電極區域，使其填滿整個電極區域。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之基板電極結構的製造方法，其中該填補步驟包括實施一電沉積法。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之基板電極結構的製造方法，其中該電沉積法包括實施一電泳沉積法，以沉積該奈米氧化物顆粒於該電極層與該保護膠之間的間隙。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之基板電極結構的製造方法，其中該奈米氧化物包括氧化鈦、二氧化鈦、氧化鋅、氧化錫、或氧化矽。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之基板電極結構的製造方法，其中該填補步驟包括：實施一第一電泳沉積法，以沉積細粒徑的奈米氧化物顆粒於該電極層與該保護膠之間的間隙；以及實施一第二電泳沉積法，以沉積粗粒徑的奈米氧化物顆粒於該電極層與該保護膠之間的間隙。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之基板電極結構的製造方法，其中該細粒徑的奈米氧化物顆粒之粒徑大小係介於5nm到50nm，且該粗粒徑的奈米氧化物顆粒之粒徑大小係介於50nm到400nm。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之基板電極結構的製造方法，更包括一乾燥步驟和一煆燒步驟，其中該煆燒步驟的溫度為介於100~550℃之間。
  8. 一種基板電極結構的製造方法，包括：提供一透明導電基板，其上面具有一圖案化金屬層定義出一電極區域，其中一保護膠覆蓋該圖案化金屬層，且一電極層形成於該電極區域內；實施一第一電泳沉積步驟沉積細粒徑的奈米氧化物顆粒於該電極層與該保護膠之間的間隙；以及實施一第二電泳沉積步驟沉積粗粒徑的奈米氧化物顆粒於該電極層與該保護膠之間的間隙。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之基板電極結構的製造方法，其中該奈米氧化物包括氧化鈦、二氧化鈦、氧化鋅、氧化錫、或氧化矽。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之基板電極結構的製造方法，其中該細粒徑的奈米氧化物顆粒之粒徑大小係介於5nm到50nm，且該粗粒徑的奈米氧化物顆粒之粒徑大小係介於50nm到400nm。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之基板電極結構的製造方法，更包括一乾燥步驟和一煆燒步驟，其中該煆燒步驟的溫度為介於100~550℃之間。
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