TWI438914B - 具有高透光率相對電極之染料敏化太陽能電池 - Google Patents

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Description

具有高透光率相對電極之染料敏化太陽能電池
本發明係有一種太陽能電池，其特別有關於一種具有高透光相對電極之染料敏化太陽能電池，其可降低相對電極之白金使用量，並提高催化電解液氧化還原之效率。
太陽能電池係一種將太陽能直接轉化為電能之裝置。二十世紀九十年代應用奈米晶體(nano crystal)開發之光電化學太陽能電池(Photo-electrochemical cell)，可望在傳統之矽太陽能電池之外，提供新的低成本太陽能電池的新選擇。
染料敏化太陽能電池(dye sensitized solar cell，DSSC)是光化學太陽能電池的代表，其採用形成於基板之半導體奈米晶膜，在其表面吸附一光敏染料(dye)，由此形成其工作電極。通常半導體奈米晶膜可以是二氧化鈦或氧化鋅，但較佳是採用二氧化鈦。由於二氧化鈦之能隙(energy bandgap)為3.2電子伏特(eV)，習知用於染料敏化太陽能電池之二氧化鈦所能吸收的光子數無法提高。藉由光敏化染料大量吸附於二氧化鈦上可有效提高其光電轉換效率。
影響染料敏化太陽能電池光電轉換性能之因素之一為光化學反應後電子向導電基片遷移之速率。單一半導體奈米晶膜電極在傳輸電子方面存在一定缺陷，故其電子遷移率低；其與周圍所存在的電子受體(如奈米晶膜之表面態陷阱及氧化態電解質)之復合機率大大提高，進而降低光電轉換率。另一方面，傳統之光敏化染料因受限於二氧化鈦層之比表面積S(specific surface area,㎡/g)，使吸附於其上之光敏化染料減少，進而減少吸收的光子數目，其中比表面積S定義為1g固体物質所占有的總表面積。
參照美國專利案第5,084,365號，其標題為“光電化學元件及其製程方法，Photo-electrochemical cell and process of making same”該專利揭示一種以溶膠-凝膠法製備之光電化學元件，用以降低製造成本，並藉由薄膜表面粗糙度之控制，進而提升光電轉換效率。然而，該發明並未揭示其工作電極與相對電極之透光率。
參照台灣專利公開案第201021222號，其標題為“太陽能電池之金屬薄膜電極及其形成方法”，該專利揭示一種微影技術，經由穿透性孔洞陣列之製程方法，藉此提升金屬薄膜電極之光穿透率。然而，其製程需要微影及電漿蝕刻技術，較為複雜。
此外，傳統之染料敏化太陽能電池之相對電極需以物理氣相沈積出白金相對電極，因而增加了製程成本。本發明所揭示之具有高透光率相對電極之染料敏化太陽能電池，其所有製程皆係以濕式製程為基礎，不需真空環境及設備，因此可大幅降低成本需求。
有鑑於此，本發明之發明人乃細心研究，提出具有高透光率相對電極之染料敏化太陽能電池，並且能有效地提高光電轉換效率或消除習用染料敏化太陽能電池之缺點，使其可有效應用於建築物之玻璃窗、落地窗、車窗及公共運輸交通工具之玻璃上。此外，提供一簡單、迅速之方法製作出於可見光區有高穿透率之染料敏化太陽能電池，可降低相對電極之白金使用量，並提高催化電解液氧化還原之效率。
本發明主要在提供一種具有高透光率相對電極之染料敏化太陽能電池，由於工作電極與相對電極之透光率提升之故，可使其有效地應用於建築物之玻璃窗、落地窗、車窗及公共運輸交通工具之玻璃上。
為達本發明之目的，本發明提出一種具有高透光率相對電極之染料敏化太陽能電池，其至少包含：一第一透明基板；一第一透明導電層；一針狀結構的半導體氧化層；一第二透明基板；一白金複合層；一電解質層及一光敏化層。其中，該第一透明導電層，披覆於該第一透明基板上，形成一第一透明導電基板。該針狀結構的半導體氧化層，經由一溶膠-凝膠法製備並披覆於該第一導電基板之上，以形成一工作電極。其中該白金複合層係由一透明導電氧化物與一白金粒子所組成，該白金粒子係鑲埋於該透明導電氧化物之中，其有較高導電率。
根據本發明之具有高透光率相對電極之染料敏化太陽能電池之一特徵，其中該染料敏化太陽能電池於可見光波段範圍內之透光率係介於40%~60%之間。
本發明之具有高透光率相對電極之染料敏化太陽能電池具有以下功效：
1.　工作電極與相對電極之光透光率提升之故，可使其有效地應用於建築物之玻璃窗、落地窗、車窗及公共運輸交通工具之玻璃上。
2.　該高透光相對電極係以一簡單、迅速的方法製作，可大幅減少Pt使用量，因此可降低染料敏化太陽能電池之製作成本。
3.　由於該具有高透光率相對電極之染料敏化太陽能電池可藉由使用不同顏色之染料以調整其外觀顏色，應用於智能窗上可因應不同的需求達到美觀的效果。
4.　高透光率之工作電極可使光敏化層吸收較多的光能，進而提升電子之導通率。
5.　高透光相對電極使得入射光可經由相對電極之方向入射，使得工作電極的材料或改質有更多元的選擇。
6.本發明所揭示之染料敏化太陽能電池之所有製程皆以濕式製程為基礎，不需真空環境及設備，因此可大幅降低成本需求。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉數個較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
雖然本發明可表現為不同形式之實施例，但附圖所示者及於下文中說明者係為本發明可之較佳實施例，並請了解本文所揭示者係考量為本發明之一範例，且並非意圖用以將本發明限制於圖示及/或所描述之特定實施例中。
本發明將揭示一種具有高透光率相對電極之染料敏化太陽能電池100之結構。請參照第1圖，其顯示為本發明之具有高透光率相對電極之染料敏化太陽能電池100之結構之第一實施例示意圖，其至少包含：一第一透明基板10、第一透明導電層20、一針狀結構的半導體氧化層30、一第二透明基板40、一白金複合層60、一電解質層70以及一光敏化層80。該第一透明基板10與該第二透明基板40係選自於玻璃基板、塑膠基板、可撓性基板之一。較佳係，該第一透明基板10與該第二透明基板40係玻璃基板。該第一透明導電層20，披覆於該第一透明基板10上，形成一第一透明導電基板。本發明之針狀結構的半導體氧化層30，經由一第一溶膠-凝膠法製備並披覆於該第一導電基板之上，以形成一工作電極。其中該白金複合層60係由一透明導電氧化物61與一白金粒子62所組成，該白金粒子係鑲埋於該透明導電氧化物61之中。該白金複合層60係經由一濕式化學法製備而成，係由一透明導電溶膠與一白金化合物化合而成。藉由透明導電溶膠之添加，可有效減少白金化合物之用量並提高白金複合層60之導電率。
請參照第2圖，其顯示為本發明之具有高透光率相對電極之染料敏化太陽能電池100之結構之第二實施例示意圖，其主要包含：一第一透明基板10、第一透明導電層20、一針狀結構的半導體氧化層30、一第二透明基板40、一第二透明導電層50、一白金複合層60、一電解質層70以及一光敏化層80。與第一實施例相似，但在該第二透明基板40與該白金複合層60之間係更包含有一第二透明導電層50。該第二透明導電層50，披覆於該第二透明基板40表面。需注意的是，該第二透明導電層50在本發明中，可以增加該白金複合層60的披覆能力。該第二透明導電層50，披覆於該第二透明基板40上，形成一第二透明導電基板。該第一導電基板與該第二導電基板可以是氧化銦鍚薄膜(indium-doped tin oxide，ITO)披覆之玻璃基板、摻氟氧化錫薄膜(fluorine-doped tin oxide，FTO)披覆之玻璃基板、摻鋁氧化鋅薄膜(aluminum-doped zinc oxide，AZO)披覆之玻璃基板、摻銻氧化錫薄膜(antimony-doped tin oxide，ATO)披覆之玻璃基板、摻鎵氧化鋅薄膜(gallium-doped zinc oxide，AZO)披覆之玻璃基板、ITO披覆之軟基板、FTO披覆之軟性基板，也可以是不銹鋼等可導電之金屬。較佳地，在本發明中，係使用摻氟氧化錫薄膜將可增加第一導電基板及第二導電基板之導電度。
另一方面，若所選用之透明導電溶膠與透明導電層50之材質相同時，該白金複合層60塗佈至該透明導電層50上時，有較佳的披覆能力。
其中第一透明導電層20及第二透明導電層50的成膜方法可可採用周知的真空蒸鍍法、濺鍍法或濕式化學法。真空蒸鍍之加熱方法中，有電阻加熱方式或電子射線加熱方式等，惟為金屬以外的材料的蒸鍍，電子射線加熱方式較適合。又，將作為原料之化合物作成液狀，並將此塗佈於表面後藉由應有的處理而作成氧化物膜之方法亦可採用。濕式化學法係以溶膠凝膠法之方式製備一化學溶膠後，再以旋塗、噴塗或浸漬的方式塗佈至基板上，最後再以一溫度進行高溫烘烤，即可製備而成。
在本發明中，該第一透明導電層20及第二透明導電層50的的成膜方法係與該白金複合層60的成膜方法相似，主要差異只是沒有加入白金化合物到透明導電溶膠中。該第一透明導電層20之厚度係介於10nm~500nm之間，較佳者係介於100nm~300nm之間。而該第二透明導電層50之厚度係介於10nm~300nm之間，較佳者係介於50nm~100nm之間。
一般製備白金電極所使用之方式係選自一物理方式或一化學方式來沉積白金層。物理方式係使用濺鍍、蒸鍍或物理氣相沉積方式，將白金均勻的沉積至一透明導電基板上，即可得到相對電極。化學方式係將H2 PtCl6 以旋塗、噴塗或浸漬的方式塗佈至一透明導電基板上，並以380℃以上之溫度烘烤之後，即可得到白金電極。而上述幾種一般常見之方式所製備之白金電極，皆形成一均勻緻密之白金連續膜，而如此緻密之白金連續膜會嚴重的遮蔽光線的穿透。
請參照第1圖與第2圖，根據本發明所提出之具有高透光率相對電極之染料敏化太陽能電池100，其中在該白金複合層60中，該透明導電溶膠經由一水解縮合反應後形成一組成式為-(M-O-M)x -之透明導電氧化物61之緻密結構。由於該白金化合物不與該透明導電溶膠反應，因此在成膜過程中，白金粒子62會析出於該透明導電溶膠所形成的透明導電氧化物61之中，因而均勻分散於該透明導電氧化物61所形成之緻密結構中，形成一不連續薄膜。由該白金粒子62為一不連續薄膜，可減少光線的遮蔽，因此可有效的增加光線穿透。
當白金複合層60之厚度過小時，其中之白金含量過少，其導電度會降低，影響其光電元件之應用；當白金複合層60之厚度過大時，一方面浪費白金的使用量，另一方面則會降低該相對電極之可見光穿透率。該白金複合層60之厚度係介於10nm~800nm之間，較佳者係介於100nm~300nm之間。
其中，該白金化合物中之之白金之固含量佔該透明導電溶膠與該白金化合物之總量的0.1%~4%之間，因此，該高透光相對電極於可見光波段範圍內之透光率係介於55%~80%之間。
該白金在該透明導電溶膠與該白金化合物之總量之固含量係關亦於該相對電極之可見光穿透率。當白金之固含量為0.5%時，該相對電極之可見光穿透率約為80%；當白金之固含量為2%時，該相對電極之可見光穿透率約為70%；當白金之固含量為4%時，該相對電極之可見光穿透率則降55%。
該工作電極通常由具有半導體性質之金屬氧化物所組成，例如二氧化鈦(TiO2 )、氧化鋅(ZnO)或氧化錫(SnO)等。該工作電極的要求是(1)高比表面積，(2)多孔性，(3)高導電性，(4)透明化，以及(5)高穩定性等。
該第一溶膠-凝膠法係包含下列步驟：(1)以化學合成的方式將一有機金屬化合物與一碳氫化合物送入一反應系統中，該反應系統之溫度係在25℃至100℃之間；(2)形成一第一溶膠，該第一溶膠係由該有機金屬化合物與該碳氫化合物化合而成；(3)將該第一透明導電基板浸鍍於該第一溶膠中，形成一第一半導體薄膜；(4)以一第一溫度加熱該第一半導體薄膜，使該第一半導體薄膜形成緻密結構；(5)將該第一半導體薄膜浸鍍於該第一溶膠中，形成一第二半導體薄膜；以及(6)以一第二溫度加熱該第二半導體薄膜，使該第二半導體薄膜形成一針狀結構。其中，該第一溫度與該第二溫度係介於400℃至800℃之間，其最佳溫度係為500℃。該針狀結構的半導體氧化層30係經由一第一有機金屬化合物與一第一碳氫化合物化合而成，其孔洞大小係介於5奈米至25奈米之間，其針狀物長度係介於10nm至5μm之間，平均粗糙度係介於2奈米至20奈米之間。其中，該工作電極於可見光波段範圍內之透光率係介於40%~80%之間。
在本發明，該有機金屬化合物係為(OR)x M-O-M(OR)x 、(R)y (OR)x-y M-O-M(OR)x-y (R)y、 M(OR)x 、M(OR)x-y (R)y 、(OR)x M-O-M(OR)x 。其中，R可為烷(alkyl)基、烯基(alkenyl)，芳基(aryl)、鹵烷基(alkylhalide)、氫(hydrogen)；M可為鋁、鐵、鈦、鋯、铪、矽、銠、銫、鉑、銦、錫、金、鍺、銅或鉭等；其中，x＞y，且x為1.2.3.4.5，y為1.2.3.4.5。此外，該碳氫化合物係為醇類、酮類、醚類、酚類、醛類、酯類與胺類之一。需注意的是，該有機金屬化合物係為Ti(OR)4 、Si(OR)4 、(NH4 )2 Ti(OR)2 、CH3 Si(OCH3 )3 、Sn(OR)4 、In(OR)3 之一。
另外，隨著針狀結構的半導體氧化層30之針狀結構之直徑變小，比表面積將會顯著增大，也就是表面原子數所佔的百分比將會顯著的增加，直徑10 nm的顆粒大約有15%的原子位在顆粒表面，而直徑1 nm的奈米粒子上幾乎所有的原子都是表面原子。半導體氧化層之比表面積S將可以提高至80 ㎡/g以上，提高吸附於其上之光敏化染料，進而提高吸收的光子數目。此外，該工作電極可增加透光率至60%以上，因此可使光敏化層80吸收較多的光能，進而提升電子之導通率，且由於工作電極之半導體氧化層具有針狀結構，亦可以提高其電子導通率。一般來說表面積較高的奈米粒子會有較高的化學反應活性。奈米粒子表面的高原子數目造成表面活性的增加，可應用來發展觸媒微粒子及高效率催化劑。
較佳地，作為該工作電極之針狀結構的半導體氧化層30更包含一施加能量之加熱，以使針狀結構的半導體氧化層30形成針狀結構。其中，施加能量方式係為在介於300℃至700℃之間施加電漿與施加雷射已對薄膜表面改質，藉以提升薄膜抵抗酸鹼與機械強度之功效，進而增加染料敏化太陽能電池之使用年限。
請參照第3圖，其顯示為本發明之工作電極之透光率示意圖。需注意的是，在本發明中，該工作電極係為一針狀電極亦即是具有針狀結構之金屬氧化物所組成之電極，其厚度約為500 nm，且於可見光波段範圍內之透光率約為60%。其中，該針狀結構係指結構類似奈米柱或奈米線之結構，其柱或線結構由底端到頂端的直徑寬度係可以逐漸地變小。
此外，光敏化層80係吸附於該工作電極之上，其可為方酸類染料、部花菁類染料、羅丹明類染料、偶氮苯類染料、半菁類染料或金屬錯合物中一種或其組合，而其金屬錯合物可以為釕錯合物，例如N3，N719和Black染料等商用之染料。
該白金複合層60係披覆於該第二透明導電基板表面，形成一高透光相對電極。其中該白金複合層60係經由一第二溶膠-凝膠法製備而成，係由一白金化合物、二種以上之有機金屬化合物與一碳氫化合物化合而成。此外，該白金化合物、該二種以上之有機金屬化合物與該碳氫化合物之化合溫度係在25℃至100℃之間。
該第二溶膠-凝膠法主要包含下列步驟：
(1)以化學合成的方式將一白金化合物、二種以上之有機金屬化合物與一碳氫化合物送入一反應系統中，該反應系統之溫度係在25℃至100℃之間；
(2)形成一第二溶膠，該第二溶膠係由該白金化合物、該有機金屬化合物與該碳氫化合物化合而成，其中該有機金屬化合物經由水解縮合反應會形成一透明導電溶膠，其中該透明導電溶膠經由一水解縮合反應後形成一緻密結構，且該白金化合物係均勻分散於該透明導電溶膠所形成之該緻密結構中；
(3)將該第二溶膠以浸漬法、旋塗法或噴塗法的方式沈積於一第二透明基板40上；以及
(4)以一溫度加熱該第二溶膠以形成一白金粒子62鑲埋於一透明導電氧化物61之該白金複合層60。其中，該溫度係介於200℃至600℃之間，其最佳溫度係為500℃，於該溫度底下，該第二溶膠中之有機物可充分反應完全並去除。
需注意的是，在步驟(3)中，該第二溶膠亦可能以浸漬法、旋塗法或噴塗法的方式沈積於含有一透明導電層50之一第二透明基板40上。亦即，該第二透明基板40上有先沈積一透明導電層50以形成一第二透明導電基板。其中該加熱的方式可以是使用雷射，UV光，或傳統可以通氣或不通氣的爐管，或快速退火爐。
該白金化合物係選自於係為PtO2 、PtCl2 、PtCl4 、Pt(NH3 )4 (NO3 )2 、H2 Pt(OH)6 、H2 PtCl6 及其他Pt化合物等之一，由於H2 PtCl6 係為液態材料，加入上述反應系統後可均勻混合反應，因此較佳者係選自於H2 PtCl6 。該碳氫化合物係為醇類、酮類、醚類、酚類、醛類、酯類與胺類之一。
該有機金屬化合物係為(OR)x M-O-M(OR)x 、(R)y (OR)x-y M-O-M(OR)x-y (R)y 、M(OR)x 、M(OR)x-y (R)y 、(OR)x M-O-M(OR)x 。其中，R可為烷(alkyl)基、烯基(alkenyl)，芳基(aryl)、鹵烷基(alkylhalide)、氫(hydrogen)；M為金屬元素，係選自於銦、錫、銻、鋁、鋅、鎵、鈦、鍺、鋯、鎘、鉑、金、銅之一；其中，x＞y，且x為1.2.3.4.5，y為1.2.3.4.5。此外，碳氫化合物係為醇類、酮類、醚類、酚類、醛類、酯類與胺類之一。有機金屬化合物係為Ti(OR)4 、Zn(OR)4 、(NH4 )2 Ti(OR)2 、CH3 Al(OCH3 )3 、Sn(OR)4 、In(OR)3 之一。該碳氫化合物係為醇類、酮類、醚類、酚類、醛類、酯類與胺類之一，其較佳係為C2 H5 OH、C3 H7 OH、C4 H9 OH、CH3 OC2 H5 或CH2 O。
值得需注意的是，一有機酸或一無機酸更可加入該溶膠中，藉由該有機酸或該無機酸之催化與水進行縮合反應後形成一均勻緻密薄膜。該有機酸通式可為R-(COOH)、(HO)-R-(COOH)、(HOOC)-R-(COOH)及(R1 O),(R2 O)-(POOH)。R可為烷基、烯基、芳基、鹵烷基或氫或炔基之一。若R為烷基，該有機酸為烷酸；若R為烯基，該有機酸為烯酸；若R為芳基，該有機酸為芳酸；若R為鹵烷基，該有機酸為鹵烷酸；若R為氫，該有機酸為甲酸；若R為炔基，該有機酸為炔酸。而該無機酸可為鹽酸、硝酸或硫酸之一。
該二種以上之有機金屬化合物經由一水解縮合反應以形成一導電化合物。當金屬元素M選擇為銦與錫時，則經由一水解縮合反應後可得到摻錫氧化銦化合物；當金屬元素M選擇為氟與錫時，則經由一水解縮合反應後可得到摻氟氧化錫化合物；當金屬元素M選擇為鋁與鋅時，則經由一水解縮合反應後可得到摻鋁氧化鋅化合物；當金屬元素M選擇為銻與鋅時，則經由一水解縮合反應後可得到摻銻氧化鋅化合物；當金屬元素M選擇為鎵與鋅時，則經由一水解縮合反應後可得到摻鎵氧化鋅化合物。
該溶膠更可包含一保護基，使得該溶膠得以穩定儲藏。該保護基之化學式為A-(CO-B-CO)-C，其可使得該奈米陶瓷溶液得以穩定儲藏。其中，A係可為烷基、烯基、芳基、鹵烷基、氫以及炔基之一。B係可為烷基、烯基、芳基、鹵烷基、氫以及炔基之一。C係可為烷基、烯基、芳基、鹵烷基、氫以及炔基之一。
該透明導電溶膠係為二種以上之一金屬氧化物所配置而成，並藉由一有機酸或一無機酸之催化與水進行縮合反應後形成具有一保護基之透明導電溶膠，該保護基使得該透明導電溶膠得以穩定儲藏。
該白金化合物與該透明導電溶膠混合時，並不參與反應，當該混合溶膠塗佈至第二透明基板40上，經過500℃之溫度燒結過後，該白金化合物會反應成為不連續之均勻白金粒子62分散於該透明導電氧化物61之中。由於白金粒子62為非連續薄膜，因此遮光效果不明顯，使得該白金複合層60於可見光之透光率可提高至80%。
該合成方法為濕式化學法中的溶膠-凝膠法(sol-gel)，薄膜製程則為浸漬法(dip-coating)、旋塗法(spin-coating)、噴塗法(spray-coating)之一，其為簡單、迅速且可大面積製備之方法，使其於未來商業量產化有很大的潛力。常見的旋鍍法為利用塗佈機(Spin coating)將溶液均勻的塗佈在基材上。而常見之浸鍍法為將基材浸泡入含有批覆溶液之槽來進行塗佈的一種方法，當浸泡完成後再將基材以懸臂或者是托盤將多餘的批覆溶液滴回槽中，以達到回收的效果，且此種批覆方式可以利用運輸帶來作批次處理，相當的便利。但使用此種方式則需相當注意控制批覆溶液的循環、過濾以及溫度和粘度。
請參照第4圖，其顯示為本發明之高透光相對電極之透光率示意圖。首先取0.5g的H2 PtCl4 ，5g的乙醯丙酮銦及0.5g的乙醯丙酮錫分別加入50g的異丙醇中，放在加熱板上加熱80℃，3小時，即可得到該白金複合溶膠。將該白金複合溶膠以噴塗之方式塗佈於導電基板上，形成厚度約為300nm之白金複合層，即得到高透光相對電極。較佳地，在本發明中，使用白金複合薄膜將可增加該高透光相對電極之導電度，且可完整的披覆於導電基板上而不會脫落。該高透光相對電極於可見光波段範圍內之透光率係約75%。
其中，該第二透明導電層50塗佈至該第二透明基板40上之方式較佳者為一第三溶膠凝膠法。該第三溶膠凝膠法之製作步驟與該第二溶膠凝膠法之製作步驟類似，唯啟始反應物不含白金化合物，僅以化學合成的方式二種以上之有機金屬化合物與一碳氫化合物送入一反應系統中反應。利用此方式所製作出來之第二透明導電基板與該白金複合層60之接觸能力較佳，因此該白金複合層60披覆於該第二透明導電基板上較不容易脫落，以增加其實用性。
該電解質層70係填充於該工作電極之上與該高透光相對電極之間，其作用主要是在於提供氧化還原反應，含碘離子的電解質最常被使用，其他各式固態電解質以及擬固態電解質亦可以被使用於本發明之中。其中以液態電解質(I- /I3 - )效率為最高。
吸附在該工作電極的光敏化層80之染料分子，吸收光子能量能後快速注入電子到緊鄰的該工作電極，在光敏化層80中失去的電子則很快可從該電解質層70中獲得到補償，而進入該工作電極的電子經由外部的導線對負載充電，最終電子會到達高透光相對電極上形成循環。
請參照第5圖，其顯示為本發明之具有高透光率相對電極之染料敏化太陽能電池100之透光率示意圖，其係將透明工作電極及透明相對電極組裝成染料敏化太陽能電池。由於該工作電極於可見光波段範圍內之透光約為60%，該相對電極於可見光波段範圍內之透光約為75%，因此當組裝成染料敏化太陽能電池後於可見光波段範圍內之透光則約為45%，其電流密度為14.3 mA/cm2 ，開路電壓為0.73 V，填充因子為0.65，效率為6.8%。根據本發明之具有高透光率相對電極之染料敏化太陽能電池100之透光率可知，由於工作電極與相對電極之透光率提升之故，可使其有效地應用於建築物之玻璃窗、落地窗、車窗及公共運輸交通工具之玻璃上。且藉由針狀電極之多孔性吸附大量的光敏化染料，進而有效地提高其光電轉換效率。
本發明以一簡單、迅速之方法製作出於可見光區有高穿透率之工作電極及相對電極，最終組裝成一高光穿透之染料敏化太陽能電池，可使其有效地應用於建築物之玻璃窗、落地窗、車窗及公共運輸交通工具之玻璃上。
綜上所述，本發明具有下列之功效：
1.　由於該具有高透光率相對電極之染料敏化太陽能電池可藉由使用不同顏色之染料以調整其外觀顏色，應用於智能窗上可因應不同的需求達到美觀的效果。
2.　該高透光相對電極係以一簡單、迅速的方法製作，可大幅減少Pt使用量，因此可降低染料敏化太陽能電池之製作成本。
3.　工作電極與相對電極之光透光率提升之故，可使其有效地應用於建築物之玻璃窗、落地窗、車窗及公共運輸交通工具之玻璃上。
4.　高透光率之工作電極可使光敏化層吸收較多的光能，進而提升電子之導通率。
5.　高透光相對電極使得入射光可經由相對電極之方向入射，使得工作電極的材料或改質有更多元的選擇。
6.　本發明所揭示之染料敏化太陽能電池之所有製程皆以濕式製程為基礎，不需真空環境及設備，因此可大幅降低成本需求。
雖然本發明已以前述較佳實施例揭示，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內，當可作各種之更動與修改。如上述的解釋，都可以作各型式的修正與變化，而不會破壞此發明的精神。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。
100．．．具有高透光率相對電極之染料敏化太陽能電池
10．．．第一透明基板
20．．．第一透明導電層
30．．．針狀結構的半導體氧化層
40．．．第二透明基板
50．．．第二透明導電層
60．．．白金複合層
61．．．透明導電氧化物
62．．．白金粒子
70．．．電解質層
80．．．光敏化層
為了讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯，下文特舉本發明較佳實施例，並配合所附圖示，作詳細說明如下：
圖1顯示為本發明之具有高透光率相對電極之染料敏化太陽能電池之第一實施例之結構示意圖；
圖2顯示為本發明之具有高透光率相對電極之染料敏化太陽能電池之第二實施例之結構示意圖；
圖3顯示為本發明之工作電極之透光率示意圖；
圖4顯示為本發明之高透光相對電極之透光率示意圖；以及
圖5顯示為本發明之具有高透光率相對電極之染料敏化太陽能電池之透光率示意圖。
100．．．具有高透光率相對電極之染料敏化太陽能電池
10．．．第一透明基板
20．．．第一透明導電層
30．．．針狀結構的半導體氧化層
40．．．第二透明基板
60．．．白金複合層
61．．．透明導電氧化物
62．．．白金粒子
70．．．電解質層
80．．．光敏化層

Claims (12)

  1. 一種具有高透光率相對電極之染料敏化太陽能電池，其至少包含：一第一透明基板；一第一透明導電層，披覆於該第一透明基板上，形成一第一透明導電基板；一針狀結構的半導體氧化層，經由一第一溶膠-凝膠法製備並披覆於該第一導電基板之上，以形成一工作電極，該針狀結構之孔洞大小係介於5奈米至25奈米之間，該工作電極於可見光波段範圍內之透光率係介於40%~80%之間；一第二透明基板；一白金複合層，經由一第二溶膠-凝膠法製備並披覆於該第二透明基板表面，形成一高透光相對電極，其中該白金複合層係由一透明導電氧化物與一白金粒子所組成，該白金粒子係鑲埋於該透明導電氧化物之中，其中該高透光相對電極於可見光波段範圍內之透光率係介於55%~80%之間；一電解質層，填充於該工作電極與該高透光相對電極之間；以及一光敏化層，吸附於該針狀結構的半導體氧化層所形成之工作電極上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池，其中該透明電極更包含：一第二透明導電層，披覆於該第二透明基板上，形成一第二透明導電基板，且該白金複合層係披覆於該透明導電層表面。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池，其中該染料敏化太陽能電池於可見光波段範圍內之透光率係介於40%~60%之間。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池，其中該白金複合層係經由一濕式化學法製備而成，係由一透明導電溶膠與一白金化合物化合而成，且該白金之固含量佔該透明導電溶膠與該白金化合物之總量的0.1%~4%之間。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之染料敏化太陽能電池，其中該白金化合物係選自於PtO2 、PtCl2 、PtCl4 、Pt(NH3 )4 (NO3 )2 、H2 Pt(OH)6 、H2 PtCl6 及其他Pt化合物之一。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之染料敏化太陽能電池，其中該白金化合物係選自於H2 PtCl6 。
  7. 如申請專利範圍第4項所述之染料敏化太陽能電池，其中該透明導電溶膠經由一水解縮合反應後形成一緻密結構，且該白金化合物係均勻分散於該透明導電溶膠所形成之該緻密結構中，經由一溫度加熱後形成一具有該白金粒子鑲埋於該透明導電氧化物之該白金複合層。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池，其中該第一溶膠-凝膠法係包含下列步驟：以化學合成的方式將一有機金屬化合物與一碳氫化合物送入一反應系統中，該反應系統之溫度係在25℃至100℃之間；形成一第一溶膠，該第一溶膠係由該有機金屬化合物與該碳氫化合物化合而成；將該第一透明導電基板浸鍍於該第一溶膠中，形成一第一半導體薄膜；以一第一溫度加熱該第一半導體薄膜，使該第一半導體薄膜形成緻密結構；將該第一半導體薄膜浸鍍於該第一溶膠中，形成一第二半導體薄膜；以及以一第二溫度加熱該第二半導體薄膜，使該第二半導體薄膜形成針狀結構；其中，該第一溫度與該第二溫度係介於400℃至800℃之間。
  9. 如申請專利範圍第5項所述之染料敏化太陽能電池，其中該第一溫度與該第二溫度之最佳溫度係為500℃。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池，其中該第二溶膠-凝膠法係包含下列步驟：以化學合成的方式將一白金化合物、二種以上之有機金屬化合物與一碳氫化合物送入一反應系統中，該反應系統之溫度係在25℃至100℃之間；形成一第二溶膠，該第二溶膠係由該白金化合物、該有機金屬化合物與該碳氫化合物化合而成；將該第二溶膠沈積於該第二透明基板上；以及以一溫度加熱該第二溶膠，使該第二溶膠形成一白金粒子鑲埋於一透明導電氧化物之緻密結構；其中，該第二溶膠係以浸漬法、旋塗法或噴塗法的方式之一沈積於該第二透明基板上，且該溫度係介於200℃至600℃之間。
  11. 如申請專利範圍第2項及第10項所述之染料敏化太陽能電池，其中該第二溶膠係沈積於該第二透明導電基板上，以形成該白金複合層。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之染料敏化太陽能電池，其中該溫度係介於450℃至500℃。
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