TWI449187B - 太陽能電池的電解液與染料敏化太陽能電池 - Google Patents

Description

太陽能電池的電解液與染料敏化太陽能電池

本發明是有關於一種太陽能電池的電解液(electrolyte)，且特別是有關於一種太陽能電池的電解液與染料敏化太陽能電池(Dye－Sensitized Solar Cell，DSSC)。

太陽能電池是一種非常有希望的乾淨能源，其可直接從陽光產生電(electricity)。不過，必須要有效地降低太陽能電池的生產成本以便使其被廣泛接受而變成主要電源。

近年，由Grtzel提出一種所謂的染料敏化太陽能電池(DSSC)，可更有效地利用太陽能源，而成為繼矽晶太陽能電池後被視為最有潛力的第三代太陽電池之一。一般而言，染料敏化太陽能電池的結構如圖1所示，包括分別位於透明導電基板100a和100b上，提供電流流動通路的二氧化鈦(TiO₂ )工作電極102和Pt對電極104以及傳輸電洞的電解液106。

儘管上述染料敏化太陽能電池之架構已具備部分商品化條件，但仍有許多問題需要克服。例如：一般染料敏化太陽能電池所用的電解液，不外乎利用碘與三碘離子作為氧化還原對來還原染料，然而當光通過二氧化鈦工作電極時或是經由電解池，都有部份不會被利用到。因此，在光利用率上仍有改進空間。

本發明提供一種太陽能電池的電解液，可再利用被浪費的光，以提供更高的光電轉換率。

本發明另提供一種染料敏化太陽能電池(DSSC)，可提高電池的穩定性，繼而加廣染料敏化太陽能電池的可用性。

本發明提出一種太陽能電池的電解液，包括含有至少一種發光物質(luminescent material)之電解液，其中所述發光物質的放射波長大於400 nm。

本發明另提出一種染料敏化太陽能電池(DSSC)，包括工作電極、對電極以及電解液。其中，對電極相對工作電極配置，而電解液是位於工作電極與對電極之間。而且，電解液含有至少一種發光物質，其中所述發光物質的放射波大於400 nm。

在本發明之實施例中，上述發光物質的放射波長例如大於400 nm且小於600nm。

在本發明之實施例中，上述發光物質例如是選自8一羥基喹啉鋁(AlQ₃ )及其衍生物以及Ir(bpy)₃ 所組成的族群中的一種發光材料。

在本發明之實施例中，上述發光物質包括有機無機混成的發光材料。在本發明之實施例中，上述電解液包括液態電解液、膠態電解液或固態電解液。

在本發明之實施例中，上述發光物質佔所述電解液的總量的1%~10%。

在本發明之實施例中，上述電解液所含的發光物質包 括有機化合物或無機化合物。

在本發明之實施例中，上述對電極包括鍍有白金的透明導電基板。

在本發明之實施例中，上述工作電極包括一個透明導電基板以及一層形成於透明導電基板表面之金屬氧化物薄膜，其中金屬氧化物薄膜載有染料。

在本發明之實施例中，上述染料包括釕、鋨、鐵、鉯、鉑或鋅的金屬錯合物。

在本發明之實施例中，上述染料包括不含金屬之有機化合物“

在本發明之實施例中，上述金屬氧化物薄膜的材料包括TiO₂ 、ZnO、Al₂ O₃ 、SiO₂ 或Ti_x Al_y O_z (x＝1~3,y＝1~3,z＝1~6)。

在本發明之實施例中，上述透明導電基板包括透明導電玻璃、塑膠基材或金屬基材。

本發明因為在太陽能電池的電解液中添加發光物質，所以可將被浪費的光再次利用，如此使染料可以再次吸收到更多的光，而提高光電轉換率。另外，本發明之發光物質可以抑制在電解液中，因光而造成的部分副反應，因此可以提高電池的穩定性，繼而加廣染料敏化太陽能電池的可用性。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

下文中請參閱附圖來更充分地瞭解本發明，其中附圖顯示本發明之各實施例。不過，本發明還可用多種不同形式來實踐，且不應將其解釋為限於下文所陳述之實施例。實際上，提供這些實施例只是為了使本發明被揭露得更詳盡且完整，同時藉此將本發明之範疇完全傳達至所屬技術領域中具有通常知識者。在圖式中，為明確起見可能將各層的尺寸以及相對尺寸作誇張的描繪。

圖2是依照本發明之一實施例的一種染料敏化太陽能電池(Dye－Sensitized Solar Cell，DSSC)的剖面示意圖。

請參照圖2，本實施例的染料敏化太陽能電池200包括一個工作電極202、一個對電極204以及電解液206。其中，對電極204相對工作電極202配置，而電解液206是位於工作電極202與對電極204之間。而且，電解液206含有至少一種發光物質(luminescent material)208，其放射波長大於400 nm；舉例來說，發光物質208的放射波長可以在440~460 nm之間、在520~550 nm之間或在580~600 nm之間。至於電解液206例如是液態電解液、膠態電解液或固態電解液。而發光物質208則可以是有機化合物或無機化合物。在本實施例中，發光物質208佔所述電解液206的總量的1%~10%。

請繼續參照圖2，在本實施例中的對電極204例如鍍有白金210的透明導電基板212；工作電極202例如一個透明導電基板214以及一層形成於透明導電基板214表面之金 屬氧化物薄膜216，其中金屬氧化物薄膜216載有染料。上述染料例如釕、鋨、鐵、鉯、鉑或鋅的金屬錯合物；或是不含金屬之有機化合物。至於上述金屬氧化物薄膜216的材料例如TiO₂ 、ZnO、Al₂ O₃ 、SiO₂ 或Ti_x Al_y O_z (x＝1~3,y＝1~3,z＝1~6)。透明導電基板212與214則可以是透明導電玻璃、塑膠基材或金屬基材。而在對電極204和工作電極202之間設有間隔件(spacer)218，以便封住電解液206。

當入射光220往工作電極202入射時，光照射區域222勢必大於金屬氧化物薄膜218所涵蓋的範圍，因此在其中會有未被利用的入射光(以實心箭號代表)從區域224直接入射至電解液206中。此時，電解液206所含的發光物質208會吸收這些未被利用的入射光，而放射波長大於400 nm的光(以空心箭號代表)。此外，入射光220就算經過金屬氧化物薄膜216也未必會被完全吸收，如UV光。因此，電解液206中的發光物質208同樣會吸收這些未被金屬氧化物薄膜216吸收的光(以實心箭號代表)，而放射波長大於400 nm的光(以空心箭號代表)。此外，雖然在圖2中是以圓形小粒狀表示發光物質208，但是實際上發光物質208是溶解在電解液206中，並因此分布在工作電極202之金屬氧化物薄膜216內。

另外，由於金屬氧化物薄膜216上吸附的染料可以不同，所以本發明尚可配合染料的不同使用放射波長之發光物質，因此可以更有效地調配其光的利用率，並利用此特性抑制光對電解液206造成的副反應，達到高效與穩定的 染料敏化太陽能電池。

以下特舉一實例是針對本發明之含有至少一種發光物質之電解液與未添加發光物質之電解液所作的電性分析比較。

【實驗例一】

首先，準備一個透明導電基板，再在其上形成一層二氧化鈦(TiO₂ )層。然後，二氧化鈦層在室溫吸附N719染料約16~18小時，再以乙睛(AN)清洗完畢。接著，將二氧化鈦層(亦即，工作電極)與鍍有白金(Pt)的對電極組成一個電池，再注入含有發光物質之電解液。其中發光物質是用8－羥基喹啉鋁(Aluminum tris(8－hydroxyquinoline)，又稱AlQ₃ )，且於10毫升電解液中含有1毫克的發光物質。最後封住電解液注入孔，完成染料敏化太陽能電池的製作。

【對照例一】

除了電解液不含發光物質之外，依照【實驗例一】的步驟完成對照組的染料敏化太陽能電池。

圖3是依照上述實驗例(染料敏化太陽能電池中的是內含發光物質的電解液)與對照例(染料敏化太陽能電池中的是習知不含發光物質的電解液)之電性分析曲線圖。下表一則為圖3顯示之效率提升數據。

表一中的J_SC 是指短路電流(short circuit current)、Voc是指開路電壓(open circuit current)、FF是填充因子(fill－factor)、η是指能量轉換效率(conversion efficiency)。

從圖3和表一可知，根據本發明之內含發光物質的電解液，能提昇太陽能電池效率。

【實驗例二】

與【實驗例一】製作電池步驟相同，但注入含有不同濃度的8－羥基喹啉鋁於電解液中。然後，對發光物質的濃度對於電池特性影響進行討論。

【對照例二】

除了電解液不含發光物質之外，依照【實驗例一】的步驟完成對照組的染料敏化太陽能電池。

圖4是依照本發明之多重吸附的工作電極與習知單一吸附的工作電極之電性分析曲線圖。下表二則為圖4顯示之效率數據。

從圖4和表二可知，加入濃度1 mg/10ml或10mg/10ml的發光物質，都能提昇太陽能電池效率。

【實驗例三】

二氧化鈦層塗佈方式與【實驗例一】步驟相同，但染料選擇Z907，同樣注入含有不同濃度的8－羥基喹啉鋁。

【對照例三】

除了電解液不含發光物質之外，依照【實驗例一】的步驟完成對照組的染料敏化太陽能電池。

圖5是依照本發明之多重吸附的工作電極與習知單一吸附的工作電極之電性分析曲線圖。下表三則為圖5顯示之效率數據。

從圖5和表三可知，加入濃度不同的發光物質作為Z907染料之電解液，一樣能提昇太陽能電池效率。

綜上所述，本發明因為在電解液中添加發光物質，用以吸收未被利用的光，並利用發光物質之發光特性，繼而放射波長較長之光，因此可使吸附在二氧化鈦上的染料再次利用發光物質放出來的光，提升更高的光利用率，達到更高的效率。此外，由於不同染料可以配合不同波長之發光物質，因此可以更有效地調配其光的利用率，並利用此 特性抑制光對電解液造成的副反應，達到高效與穩定的染料敏化太陽能電池。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，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，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。

100a、100b‧‧‧透明導電基板

102‧‧‧二氧化鈦(TiO₂ )層

104‧‧‧Pt對電極

106‧‧‧電解液

200‧‧‧染料敏化太陽能電池

202‧‧‧工作電極

204‧‧‧對電極

206‧‧‧電解液

208‧‧‧發光物質

210‧‧‧白金

212、214‧‧‧透明導電基板

216‧‧‧金屬氧化物薄膜

218‧‧‧間隔件

220‧‧‧入射光

222‧‧‧光照射區域

224‧‧‧區域

圖1是習知的一種染料敏化太陽能電池的剖面示意圖。

圖2是依照本發明之一實施例的一種染料敏化太陽能電池的剖面示意圖。

圖3是依照本發明之實驗例一與對照例一之電性分析曲線圖。

圖4是依照本發明之實驗例二與對照例二之電性分析曲線圖。

圖5是依照本發明之實驗例三與對照例三之電性分析曲線圖。

200‧‧‧染料敏化太陽能電池

202‧‧‧工作電極

204‧‧‧對電極

206‧‧‧電解液

208‧‧‧發光物質

210‧‧‧白金

212、214‧‧‧透明導電基板

216‧‧‧金屬氧化物薄膜

218‧‧‧間隔件

220‧‧‧入射光

222‧‧‧光照射區域

224‧‧‧區域

Claims (16)

1. 一種太陽能電池的電解液，包括：含有至少一種發光物質之電解液，其中所述發光物質佔所述電解液的總量的1%~10%且所述發光物質的放射波長大於400nm。
2. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池的電解液，其中所述發光物質的放射波長大於400nm且小於600nm。
3. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池的電解液，其中所述發光物質是選自8-羥基喹啉鋁(AlQ₃ )及其衍生物以及Ir(bpy)₃ 所組成的族群中的一種發光材料。
4. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池的電解液，其中所述發光物質包括有機無機混成的發光材料。
5. 一種染料敏化太陽能電池，包括：一工作電極；一對電極，相對該工作電極配置；以及電解液，位於該工作電極與該對電極之間，其中該電解液含有至少一種發光物質，其中所述發光物質佔所述電解液的總量的1%~10%且所述發光物質的放射波大於400nm。
6. 如申請專利範圍第5項所述之染料敏化太陽能電池，其中該電解液所含的該發光物質的放射波長大於400nm且小於600nm。
7. 如申請專利範圍第5項所述之染料敏化太陽能電池，其中該電解液所含的該發光物質是選自8-羥基喹啉鋁 (AlQ₃ )及其衍生物以及Ir(bpy)₃ 所組成的族群中的一種發光材料。
8. 如申請專利範圍第5項所述之染料敏化太陽能電池，其中該電解液包括液態電解液、膠態電解液或固態電解液。
9. 如申請專利範圍第5項所述之染料敏化太陽能電池，其中該電解液所含的該發光物質包括有機化合物或無機化合物。
10. 如申請專利範圍第5項所述之染料敏化太陽能電池，其中該電解液所含的該發光物質包括有機無機混成的發光材料。
11. 如申請專利範圍第5項所述之染料敏化太陽能電池，其中該對電極包括鍍有白金的透明導電基板。
12. 如申請專利範圍第5項所述之染料敏化太陽能電池，其中該工作電極，包括：一透明導電基板；以及一金屬氧化物薄膜，形成於該透明導電基板表面，該金屬氧化物薄膜載有染料。
13. 如申請專利範圍第12項所述之染料敏化太陽能電池，其中所述染料包括釕、鋨、鐵、鉯、鉑或鋅的金屬錯合物。
14. 如申請專利範圍第12項所述之染料敏化太陽能電池，其中所述染料包括不含金屬之有機化合物。
15. 如申請專利範圍第12項所述之染料敏化太陽能電 池，其中金屬氧化物薄膜的材料包括TiO₂ 、ZnO、Al₂ O₃ 、SiO₂ 或Ti_x Al_y O_z ，其中x=1~3、y=1~3與z=1~6。
16. 如申請專利範圍第12項所述之染料敏化太陽能電池，其中該透明導電基板包括透明導電玻璃、塑膠基材或金屬基材。