TWI422046B - 可撓式染料敏化太陽能電池及其光電陽極 - Google Patents

可撓式染料敏化太陽能電池及其光電陽極 Download PDF

Info

Publication number
TWI422046B
TWI422046B TW99139964A TW99139964A TWI422046B TW I422046 B TWI422046 B TW I422046B TW 99139964 A TW99139964 A TW 99139964A TW 99139964 A TW99139964 A TW 99139964A TW I422046 B TWI422046 B TW I422046B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
titanium dioxide
dye
sensitized solar
substrate
dense layer
Prior art date
Application number
TW99139964A
Other languages
English (en)
Other versions
TW201222835A (en
Inventor
Jyh Ming Ting
Yu Wei Lo
Original Assignee
Univ Nat Cheng Kung
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Univ Nat Cheng Kung filed Critical Univ Nat Cheng Kung
Priority to TW99139964A priority Critical patent/TWI422046B/zh
Publication of TW201222835A publication Critical patent/TW201222835A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI422046B publication Critical patent/TWI422046B/zh

Links

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/542—Dye sensitized solar cells

Landscapes

  • Photovoltaic Devices (AREA)
  • Hybrid Cells (AREA)

Description

可撓式染料敏化太陽能電池及其光電陽極
本發明係關於一種染料敏化太陽能電池及其光電陽極，尤指一種可撓式染料敏化太陽能電池及其光電陽極。
隨著人類文明發展，全球面臨嚴重的能源危機及環境污染等問題。為解決上述問題，目前已發展出可將太陽光光能直接轉換成電能之太陽能電池。由於太陽能發電過程中不會產生二氧化碳等溫室氣體，故為一種可再生之環保能源供應裝置。
其中，目前已發展出矽晶太陽能電池、薄膜太陽能電池、染料敏化太陽能電池等各種不同類型之太陽能電池。其中，染料敏化太陽能電池以其製造成本低、可製成大面積、可撓性、透光性可用於建築物上等優異特性，而成為一種有前景的新型太陽能電池。
一般而言，染料敏化太陽能電池之光電陽極之製造方法，係於一表面具有透明導電電極之基板上形成一二氧化鈦(TiO2 )層，再將一染料附著於二氧化鈦層上。通常染料係為一釕金屬化合物，而基板多為如玻璃基板等硬質基板。此外，隨著可撓性電子元件需求增加，目前已發展出使用塑膠基板之可撓式染料敏化太陽能電池(flexible DSC,FDSC)。同時，因FDSC可以捲對捲(roll-to-roll)製程大量生產，而極具有商業化之潛能。
於以玻璃作為基板材料之硬質染料敏化太陽能電池中，目前已發展製作銳鈦礦相之二氧化鈦緻密層而形成光電陽極，以提升電池之轉換效率(約30%)。其中，二氧化鈦緻密層可採用噴霧熱解法(spray pyrolysis)、濺鍍沉積法、或浸沾式塗佈法形成。然而，以此種方法所製成之光電陽極，二氧化鈦緻密層須在高溫下製作(約450℃)，且二氧化鈦緻密層之厚度約為100~200 nm。
然而，以上述方法製作二氧化鈦緻密層，因須於高溫下製作，故無法應用於以塑膠基板所製成之FDSC。因此，目前亟需發展出一種可應用於塑膠基板之製作方法，其可製作出具有高轉換效率之可撓式染料敏化太陽能電池。
本發明之主要目的係在提供一種可撓式染料敏化太陽能電池之光電陽極，俾能提升電池之轉換效率。
本發明之另一目的係在提供一種可撓式染料敏化太陽能電池，相較於未設有二氧化鈦緻密層之可撓式染料敏化太陽能電池，本發明之太陽能電池具有較高之轉換效率。
為達成上述目的，本發明之可撓式染料敏化太陽能電池之光電陽極，包括：一可撓式基板，其上方設置有一透明電極；一二氧化鈦緻密層，係設於透明電極上；一多孔二氧化鈦層，係設於二氧化鈦緻密層上；以及一染料，係附著於多孔二氧化鈦層上。
此外，本發明之可撓式染料敏化太陽能電池，包括：一陰極；一如上述之光電陽極；以及以及一電解質，係設於陰極及光電陽極之間。
本發明之可撓式染料敏化太陽能電池及其光電陽極，係包含兩層具有不同結構之二氧化鈦層，分別為二氧化鈦緻密層及多孔二氧化鈦層。透果此一二氧化鈦緻密層，可大幅提升光電陽極及太陽能電池之轉換效率。
於本發明之可撓式染料敏化太陽能電池及其光電陽極中，二氧化鈦緻密層之厚度可為5~20 nm。較佳為，二氧化鈦緻密層之厚度係為5~15 nm。因此，相較於以往需形成約100 nm之二氧化鈦緻密層，本發明僅需濺鍍形成奈米等級厚度之二氧化鈦緻密層，不需任何後處理步驟，即可達到提升電池效率之目的。
此外，於本發明之可撓式染料敏化太陽能電池及其光電陽極中，二氧化鈦緻密層係具有銳鈦礦相(anatase)、金紅石相(rutile)、或銳鈦礦相及金紅石相之混合晶相、或非晶相。較佳為，二氧化鈦緻密層係具有銳鈦礦相。
再者，於本發明之可撓式染料敏化太陽能電池及其光電陽極中，透明電極係為由透明導電化合物所組成之透明導電電極，如ITO電極、一IZO電極、一FTO(SnO2 :F)電極等。
於本發明之可撓式染料敏化太陽能電池及其光電陽極中，可撓式基板可為本技術領域常用之具光穿透性之可撓式基板，如塑膠基板。較佳為，可撓式基板係一聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)基板、一聚苯二甲酸乙二酯(PEN)基板、一聚碳酸酯(PC)基板、一聚丙烯(PP)基板、或一聚醯胺(PI)基板。
此外，於本發明之可撓式染料敏化太陽能電池及其光電陽極中，染料可為一般染料敏化太陽能電池常用之染料，如N3染料、N712染料、N719染料、N749染料等釕金屬化合物染料。
於本發明之可撓式染料敏化太陽能電池及其光電陽極中，多孔二氧化鈦層之厚度可約為2~15 μm，且較佳為2~10 μm。再者，多孔二氧化鈦層係由具有約10~30 nm粒徑之二氧化鈦粒子所組成，且具有奈米級孔洞尺寸。
此外，於本發明之可撓式染料敏化太陽能電池及其光電陽極中，電解質可採用一般染料敏化太陽能電池常用之電解質，如I- /I3- 電解質。再者，陰極亦可採用一般染料敏化太陽能電池常用之電極，如鉑(Pt)塗佈之透明導電電極。
以下係藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟習此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本發明之其他優點與功效。本發明亦可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節亦可針對不同觀點與應用，在不悖離本創作之精神下進行各種修飾與變更。
實施例1-使用氧氣電漿形成二氧化鈦緻密層
圖1A至圖1C係為本實施例之可撓式染料敏化太陽能電池之光電陽極之製作流程剖面示意圖。
如圖1A所示，提供一可撓式基板10，其上方設置有一透明電極11。在此，可撓式基板10係為一PEN基板，而透明電極11則為一ITO電極(ITO/PEN基板之方塊電阻為15 ohm/□、厚度為200 mm)。而後，於透明電極11上，以一濺鍍製程形成一二氧化鈦緻密層12，如圖1B所示。
接下來，將詳細描述二氧化鈦緻密層12之濺鍍製程。於本實施例中，係透過RF濺鍍法進行濺鍍，且此濺鍍系統包含幫浦、濺鍍槍、RF電源供應器、氣體流量控制器、真空計和真空腔體。濺鍍所用的靶材是二氧化鈦靶材(純度為99.99%,Admat Midas Inc.)，靶材的半徑和厚度分別為3 cm和3 mm。濺鍍能量為75 W，濺鍍時的背景壓力是2x10-5 torr，濺鍍所用的氣體為氧氣(O2 ,>99.99%)，氣體流量是15 sccm。在濺鍍形成二氧化鈦緻密層前，為移除靶材表面的雜質，會先進行5分鐘的預濺鍍。同時，在濺鍍過程中，基板(即上方形成有透明電極11之可撓式基板10)會以一定的速度旋轉。經高分辨穿透式電子顯微鏡(HRTEM)影像分析後，使用氧氣電漿所形成之二氧化鈦緻密層之晶相為銳鈦礦相，且二氧化鈦緻密層12之厚度為10 nm。
而後，如圖1C所示，於該二氧化鈦緻密層12上塗佈一多孔二氧化鈦層13。接下來，將詳細描述多孔二氧化鈦層13之塗佈製程。首先，提供一二氧化鈦漿料，其組成如下：叔丁醇(t-butanol)(4mL)、無水酒精(2.5mL)、去離子水(0.5mL)、以及二氧化鈦商業粉末(P25,Degussa)(0.6g)。在配製漿料的過程中，交替使用磁石攪拌和震盪。當二氧化鈦漿料配製好後，用磁石攪拌24小時，再將漿料以旋轉式塗佈在基板上，而後進行熱處理。
由於PEN的玻璃轉換溫度在150℃左右，只能在小於150℃的溫度下進行熱處理。因此，於形成多孔二氧化鈦層13的過程中，熱處理溫度設定在140℃。首先，用30分鐘從室溫升到140℃，持溫30分鐘後，再將試片爐冷。為防止水氣被二氧化鈦層吸附，當爐冷到100℃時，即試片取出。於本實施例中，多孔二氧化鈦層13之厚度為4 μm。
而後，將形成有二氧化鈦緻密層12及多孔二氧化鈦層13之可撓式基板10整夜浸泡至一含有染料之無水酒精溶液中，而染料14則會吸附在多孔二氧化鈦層13之二氧化鈦粒子上，如圖1C所示。於本實施例中，所使用的染料為N719，染料的濃度為5x10-4 M。此外，為了移除多餘的染料聚集物，可在染料吸附後，將可撓式基板10浸在無水酒精裡10分鐘，而後乾燥之。
經上述製程後，則製得本實施例之染料敏化太陽能電池之光電陽極，如圖1C所示，其包括：一可撓式基板10，其上方設置有一透明電極11；一二氧化鈦緻密層12，係設於透明電極11上；一多孔二氧化鈦層13，係設於二氧化鈦緻密層12上；以及一染料14，係附著於多孔二氧化鈦層13上。
最後，再以一般之染料敏化太陽能電池組裝製程，將上述所形成之光電陽極進行電池組裝，而得本實施例之染料敏化太陽能電池，如圖2所示，其包括：一陰極20，其包括一可撓式基板15、以及一透明電極16；一光電陽極21，其包括：一可撓式基板10，其上方設置有一透明電極11；一二氧化鈦緻密層12，係設於透明電極11上；一多孔二氧化鈦層13，係設於二氧化鈦緻密層12上；以及一染料14，係附著於多孔二氧化鈦層13上；以及一電解質17，係設於陰極20及光電陽極21之間。
於本實施例中，陰極20之可撓式基板15為一PEN基板；而透明電極16為一ITO電極，其上方更塗佈一鉑反射膜(圖中未示)。此外，電解質17係由0.41M碘化鋰(LiI)、0.5 M叔丁基吡啶(4-tert-butylpyridine)、0.05 M碘(I2 )、以及0.6M DMPII導電添加劑(1,2-dimethyl-3-n-propylimidazolium iodide)溶解於3-甲氧基丙腈(3-methoxypropionitrile,MPN)所組成。
實施例2-使用氬氣電漿形成二氧化鈦緻密層
本實施例之光電陽極及包含其之染料敏化太陽能電池之結構及製作方法係與實施例1相同，除了使用氬氣電漿取代氧氣電漿。經高分辨穿透式電子顯微鏡(HRTEM)影像分析後，使用氧氣電漿所形成之二氧化鈦緻密層之晶相為金紅石相。
實施例3-使用氮氣電漿形成二氧化鈦緻密層
本實施例之光電陽極及包含其之染料敏化太陽能電池之結構及製作方法係與實施例1相同，除了使用氮氣電漿取代氧氣電漿。經高分辨穿透式電子顯微鏡(HRTEM)影像分析後，使用氧氣電漿所形成之二氧化鈦緻密層之晶相為銳鈦礦相及金紅石相之混合晶相。
比較例-未形成有二氧化鈦緻密層
本比較例之光電陽極及包含其之染料敏化太陽能電池之結構及製作方法係與實施例1相同，除了未形成有二氧化鈦緻密層。
染料敏化太陽能電池之電池效率評估
將上述實施例1~3及比較例之染料敏化太陽能電池進行UV-可見光光譜測試，以評估染料敏化太陽能電池之光穿透率，其結果係表示於圖3中。
如圖3所示，實施例1~3及比較例之染料敏化太陽能電池具有幾乎相同之光學特性；更詳細而言，實施例1~3及比較例之光電陽極之光穿透率幾乎一樣。換言之，鍍上二氧化鈦緻密層不會損失光的進入量，則所有進入的光均會被染料所吸收。因此，二氧化鈦緻密層不會造成光電流的下降而導致電池效率降低。
另外，亦將實施例1~3及比較例之染料敏化太陽能電池，於100 mW‧cm-2 下(AM1.5)光源強度下，測試電池效率，其結果係表示於圖4及下表1。
*提升：實施例1~3較比較例之染料敏化太陽能電池效率提升比例。
如圖4及表1所示，相較於比較例之染料敏化太陽能電池，實施例1~3之染料敏化太陽能電池其電流密度和填充因子都有明顯的提升。此外，如圖5所示，藉由增益行為的分析，實施例1之電池電流的起始電壓(0.35V)較比較例之電池起始電壓(0.8V)大。這代表著二氧化帶緻密層需要施加更大的電壓才能使電子傳遞回I3- ，也意味著二氧化鈦緻密層對暗電流有著較佳的阻擋能力。再者，如圖5所示，實施例1~3之染料敏化太陽能電池抑制暗電流能力約在0~0.75V，但比較例之電池抑制按電流能力僅在0~0.3V。相較於比較例之染料敏化太陽能電池，實施例1~3之電池可增加電池之光電流。因此，加入二氧化鈦緻密層可以有效阻擋電子從透明電極回到電解液，進而減少暗電流，增加填充因子和電流密度的上升。所以，藉由加入此緻密且薄的二氧化鈦緻密層，可以將電池效率提升近20%。
上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。
10,15．．．可撓式基板
11,16．．．透明電極
12．．．二氧化鈦緻密層
13．．．多孔二氧化鈦層
14．．．染料
17．．．電解質
20．．．陰極
21．．．光電陽極
圖1A至圖1C係為本發明實施例1之光電陽極之製作流程剖面示意圖。
圖2係本發明實施例1之可撓式染料敏化太陽能電池之剖面示意圖。
圖3係本發明實施例1~3及比較例之染料敏化太陽能電池之光穿透率-波長圖。
圖4係本發明實施例1及比較例之染料敏化太陽能電池之電流密度-電壓圖。
圖5係本發明實施例1~3及比較例之染料敏化太陽能電池之電流密度-電壓圖。
10．．．可撓式基板
11．．．透明電極
12．．．二氧化鈦緻密層
13．．．多孔二氧化鈦層
14．．．染料

Claims (12)

  1. 一種可撓式染料敏化太陽能電池之光電陽極，包括：一可撓式基板，其上方設置有一透明電極；一二氧化鈦緻密層，係設於該透明電極上；一多孔二氧化鈦層，係設於該二氧化鈦緻密層上；以及一染料，係附著於該多孔二氧化鈦層上；其中該二氧化鈦緻密層係具有銳鈦礦相(anatase)、金紅石相(rutile)、或銳鈦礦相及金紅石相之混合晶相。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之光電陽極，其中該二氧化鈦緻密層係以一濺鍍製程所形成。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之光電陽極，其中該二氧化鈦緻密層係使用一二氧化鈦靶材，並透過一射頻濺鍍法所形成。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之光電陽極，其中該二氧化鈦緻密層之厚度係為5~20nm。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之光電陽極，其中該透明電極係為一透明導電電極。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之光電陽極，其中該可撓式基板係為一PET基板、一PEN基板、一聚碳酸酯(PC)基板、一聚丙烯(PP)基板、或一聚醯胺(PI)基板。
  7. 一種可撓式染料敏化太陽能電池，包括：一陰極； 一光電陽極，其包括：一可撓式基板，其上方設置有一透明電極；一二氧化鈦緻密層，係設於該透明電極上；一多孔二氧化鈦層，係設於該二氧化鈦緻密層上；一染料，係附著於該多孔二氧化鈦層上；以及一電解質，係設於該陰極及該光電陽極之閘；其中該二氧化鈦緻密層係具有銳鈦礦相(anatase)、金紅石相(rutile)、或銳鈦礦相及金紅石相之混合晶相。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之染料敏化太陽能電池，其中該二氧化鈦緻密層係以一濺鍍製程所形成。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之染料敏化太陽能電池，其中該二氧化鈦緻密層係使用一二氧化鈦靶材，並透過一射頻濺鍍法所形成。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之染料敏化太陽能電池，其中該二氧化鈦緻密層之厚度係為5~20nm。
  11. 如申請專利範圍第7項所述之染料敏化太陽能電池，其中該透明電極係為一透明導電電極。
  12. 如申請專利範圍第7項所述之染料敏化太陽能電池，其中該可撓式基板係為一PET基板、一PEN基板、一聚碳酸酯(PC)基板、一聚丙烯(PP)基板、或一聚醯胺(PI)基板。
TW99139964A 2010-11-19 2010-11-19 可撓式染料敏化太陽能電池及其光電陽極 TWI422046B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW99139964A TWI422046B (zh) 2010-11-19 2010-11-19 可撓式染料敏化太陽能電池及其光電陽極

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW99139964A TWI422046B (zh) 2010-11-19 2010-11-19 可撓式染料敏化太陽能電池及其光電陽極

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW201222835A TW201222835A (en) 2012-06-01
TWI422046B true TWI422046B (zh) 2014-01-01

Family

ID=46725334

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW99139964A TWI422046B (zh) 2010-11-19 2010-11-19 可撓式染料敏化太陽能電池及其光電陽極

Country Status (1)

Country Link
TW (1) TWI422046B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW201517352A (zh) * 2013-10-17 2015-05-01 Metal Ind Res & Dev Ct 染料敏化太陽能電池的光陽極之製備方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW201025627A (en) * 2008-12-30 2010-07-01 Taiwan Textile Res Inst A solar cell and the method of manufacturing thereof

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW201025627A (en) * 2008-12-30 2010-07-01 Taiwan Textile Res Inst A solar cell and the method of manufacturing thereof

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
M. Shanmugam et al., "High Voc Dye Sensitised Solar Cell Using RF-Sputtering TiO2 Compact Layers", Electronics Letters, Vol. 45, No. 12, pp. 648-649, 2009. *
Seigo Ito et al., "Fabrication of Thin Film Dye Sensitized Solar Cells with Solar to Electric Power Conversion Efficiency over 10%", Thin Solid Films, Vol. 516, No. 14, pp. 4613-4619, 2008. *

Also Published As

Publication number Publication date
TW201222835A (en) 2012-06-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Chiu et al. Nanoclimbing-wall-like CoSe2/carbon composite film for the counter electrode of a highly efficient dye-sensitized solar cell: a study on the morphology control
Zhang et al. Effects of TiO2 film thickness on photovoltaic properties of dye-sensitized solar cell and its enhanced performance by graphene combination
Zhang et al. SnO2 nanorod arrays with tailored area density as efficient electron transport layers for perovskite solar cells
Zhang et al. Hole-conductor-free perovskite solar cells prepared with carbon counter electrode
Hwang et al. Improved photovoltaic response of nanocrystalline CdS-sensitized solar cells through interface control
Liu et al. Composite photoanodes of Zn2SnO4 nanoparticles modified SnO2 hierarchical microspheres for dye-sensitized solar cells
Wu et al. Electrochemical formation of transparent nanostructured TiO 2 film as an effective bifunctional layer for dye-sensitized solar cells
Shikoh et al. Optimization of ITO glass/TiO2 based DSSC photo-anodes through electrophoretic deposition and sintering techniques
Bu Sol–gel deposition of fluorine-doped tin oxide glasses for dye sensitized solar cells
Kim et al. Surface modification of TiO2 electrode by various over-layer coatings and O2 plasma treatment for dye sensitized solar cells
Punnoose et al. Highly catalytic nickel sulfide counter electrode for dye-sensitized solar cells
Casillas et al. Substituting TiCl 4-Carbon Nanohorn Interfaces for Dye-Sensitized Solar Cells.
Siddika et al. Improved performance of dye sensitized solar cell by exploration of photoanode and ruthenium based dye
Huang et al. The effect of boric acid concentration on the TiO2 compact layer by liquid-phase deposition for dye-sensitized solar cell
Abdullah et al. RF sputtered tri-functional antireflective TiO2 (arc-TiO2) compact layer for performance enhancement in dye-sensitised solar cell
Miao et al. Effect of oxygen vacancies in the electron transfer layer SiZnSnO on the performance of perovskite solar cells
Hou et al. Preparation of mesoporous titanium dioxide anode by a film-and pore-forming agent for the dye-sensitized solar cell
Zhao et al. Nickel foam supported Pt as highly flexible counter electrode of dye-sensitized solar cells
US20070034254A1 (en) Photoelectrode substrate of dye sensitizing solar cell, and method for producing same
Chou et al. Bilayer structure of TiO 2/TiO 2-graphene for optimizing working electrode applied in dye sensitized solar cells
Kiran et al. Preparation and thickness optimization of TiO2/Nb2O5 photoanode for dye sensitized solar cells
KR101200766B1 (ko) 차단층을 포함하는 염료감응태양전지
JP5661965B1 (ja) 有機系太陽電池用材料及びそれを用いた有機系太陽電池、並びに、その材料の製造方法
Huang et al. Low-temperature growth of uniform ultrathin TiO2 blocking layer for efficient perovskite solar cell
Fazli et al. Effect of annealing temperatures on TiO2 thin films prepared by spray pyrolysis deposition method

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A Annulment or lapse of patent due to non-payment of fees