TWI453926B

TWI453926B - 太陽能電池及其電極層結構

Info

Publication number: TWI453926B
Application number: TW099130471A
Authority: TW
Inventors: Wen Ti Wu
Original assignee: Chi Lin Technology Co Ltd
Priority date: 2010-09-09
Filing date: 2010-09-09
Publication date: 2014-09-21
Also published as: TW201212245A

Description

太陽能電池及其電極層結構

本發明係關於一種電極層及太陽能電池，更特別關於一種多重電極層及具有該多重電極層的太陽能電池。

太陽能電池是一種利用太陽光將光能轉換為電能的光電半導體元件，藉由光照，瞬間就可輸出電壓及電流。太陽能電池發電是一種可再生的綠色發電方式，發電過程中不會產生二氧化碳等有害氣體，可減少對於環境所造成污染。按照其製作材料的不同可分為矽基半導體電池、光敏染料電池、有機材料電池等。

其中，光敏染料太陽能電池(dye sensitized solar cell，簡稱DSSC)和一般光伏特電池不同的是，DSSC之上基板通常是玻璃或透明可彎曲的聚合箔(polymer foil)。玻璃上有一層透明導電的氧化物如掺雜氟之氧化錫(SnO₂ :F，簡稱FTO)或銦錫氧化物(ITO)。在透明導電物上具有一層約10微米厚的孔洞材料，一般為TiO₂ 粒子(約10~20 nm)組成之奈米孔洞薄膜。接著在奈米孔洞薄膜上塗上一層染料如聚吡啶基之釕錯合物(ruthenium polypyridyl complex)，即形成所謂的上基板。下基板通常亦是玻璃或透明可彎曲的聚合箔，玻璃上有一層透明導電的氧化物如FTO外，一般為鍍上一層鉑作為電解質反應的催化物(platinum catalyst)。上下基板之間，則注入含有碘化物之電解質(electrolyte)。雖然目前DSSC的最高轉換效率約12%左右，但是製造過程簡單，所以一般認為DSSC的問市將大幅降低太陽電池的生產成本，同時伴隨的效益亦能降低每度電的電費。

在美國公告之第US 7,094,441號專利中，以溶膠-凝膠法(sol-gel)製備TiO₂ 電極。上述作法極易殘留烷氧基(alkoxy)於TiO₂ 電極層中，造成電子不易傳輸。

另一種習知方法係先以無機酸根改質TiO₂ 粒子表面，接著以靜電斥力將改質之TiO₂ 粒子吸附於基板上。然而上述作法會有多餘的無機酸根殘留造成電子不易傳輸，且吸附之TiO2層與基板之間並無化學鍵結，極易因外力碰撞造成分層、龜裂、甚至剝落的問題。

在美國公開第US2006/0107994號申請案中，係以黏著劑(binder)搭配TiO2粒子，形成漿料後塗佈於基板上。接著以高壓去除漿料中的黏著劑。但，此高壓製程無法應用於大面積之基板。

另一種去除漿料中黏著劑的方法為高溫燒結，但高溫燒結無法應用於熱穩定性較差的軟式基板上。

上述製程都面臨到一個問題，即無法形成一個能兼具於低溫、常壓製程、且能製作出大面積、產能好、傳輸效能佳的電極層，特別是作為電化學式太陽能電池之陽極。綜上所述，目前極需新的方法及結構用以形成太陽電池電極，俾利降低製程時間及成本。

本發明提供一種電極層結構，包括第一基板；以及第一n型層位於第一基板上，第一n型層包含複數個第一金屬氧化物與複數個第一n型導電高分子交聯；其中至少部分第一n型導電高分子與第一金屬氧化物之表面之間具有化學鍵結，至少部分第一n型導電高分子與第一基板表面之間具有化學鍵結。

本發明亦提供一種太陽能電池，包括第一基板；第一n型層，第一n型層包含複數個第一金屬氧化物與複數個第一n型導電高分子交聯，至少部分第一n型導電高分子與第一金屬氧化物之表面之間具有化學鍵結，至少部分第一n型導電高分子與第一基板表面之間具有化學鍵結；第二基板，相對配置於第一基板；以及第一電解質層，電解質層係填充於第一基板與第二基板之間。

本發明亦提供另一種太陽能電池，包括第一基板；至少一電極層，電極層包含：第一n型層，第一n型層包含複數個第一金屬氧化物與複數個第一n型導電高分子交聯，至少部分第一n型導電高分子與第一金屬氧化物之表面之間具有化學鍵結，至少部分第一n型導電高分子與第一基板表面之間具有化學鍵結；第一電解質層位於第一n型層上，且第一電解質層與第一n型層之間具有p-n接面；第一觸媒層，位於第一電解質層上；第二n型層位於第一觸媒層上，第二n型層包含複數個第二金屬氧化物與複數個第二n型導電高分子交聯，至少部分第二n型導電高分子與第二金屬氧化物之表面之間具有化學鍵結，至少部分第二n型導電高分子與第一觸媒層表面之間具有化學鍵結；第二電解質層位於第二n型層上，且第二電解質層與第二n型層之間具有p-n接面；第二觸媒層，配置於第二電解質層之上；以及第二基板，相對配置於第一基板。

本發明提供可應用於太陽能電池之電極層結構，以及對應之製備方法。首先如第1圖所示，提供一第一基板10，該第一基板10可為透明材質如玻璃或高分子，亦可為反射材質如金屬，端視陽光入射方向而定。在本發明一實施例中，第一基板10亦可為可撓性基板，以符合軟性元件的需求。

請參考第1圖至第3圖，形成第一n型層11A於第一基板10上。第一n型層11A之厚度較佳係介於1μm至50μm之間。第一n型層11A為本發明之關鍵特徵，其組成成分為第一金屬氧化物23與第一n型導電高分子21的複合材料，為第一金屬氧化物23與第一n型導電高分子21交聯而成。在本發明一實施例中，第一金屬氧化物23與第一n型導電高分子21之重量比較佳約500:50000。本發明以化學法或電漿處理等製程修飾第一n型導電高分子21之側鏈，再進一步接枝適當的官能基，以與第一金屬氧化物23表面產製生化學鍵結。

在本發明一實施例中，將改質後之第一n型導電高分子21及第一金屬氧化物23粒子加入一般有機溶劑混合後，即可塗佈或印刷於第一基板10上形成第一n型層11A，再將該第一n型層11A浸置於一具有第一染料25之溶液，使該第一染料25吸附於該第一金屬氧化物23粒子及填充於部分之第一n型層11A之中。在本發明另一實施例中，將第一金屬氧化物23、第一染料25、改質之第一n型導電高分子21單體、及起始劑加入有機溶劑(圖未視)後，以光起始或熱起始進行聚合反應，形成第一n型導電高分子21與吸附第一染料25之第一金屬氧化物23的混合物。接著將上述混合物塗佈或印刷於第一基板10上形成第一n型層11A。不論採用何種作法，第一n型導電高分子21側鏈改質之酸根或官能基與第一金屬氧化物23之表面之間具有化學鍵結，與第一基板10接觸之第一n型導電高分子21其側鏈改質之酸根或官能基與第一基板10表面具有化學鍵結。

第一金屬氧化物23與第一n型導電高分子21之間的相對關係如第2A圖所示，吸附第一染料25之第一金屬氧化物23係均勻地分散在第一n型導電高分子21組成之網狀結構中，且第一金屬氧化物23與第一n型導電高分子21之間具有化學鍵結。如第3A圖所示，在本發明一實施例中，第一n型導電高分子21的兩端分別與兩個第一金屬氧化物23之表面之間具有化學鍵結，且每一第一金屬氧化物23之表面與複數個第一n型導電高分子21之間具有化學鍵結。如第4A圖所示，在本發明另一實施例中，多個第一金屬氧化物23之表面只與某一第一n型導電高分子具有化學鍵結。可以理解的是，本發明中第一金屬氧化物與第一n型導電高分子之間的型態可為第3A圖、第4A圖、其他可能的型態、或上述之組合，係取決於第一金屬氧化物23與第一n型導電高分子21之間的比例、兩者的混合條件、兩者的種類、兩者的大小、及/或其他可能的參數。巨觀來看，不論如何變化第一金屬氧化物23與第一n型導電高分子21之間的參數，第一金屬氧化物23都可視作均勻的分散於第一n型導電高分子21之中，甚至有部份的第一金屬氧化物23會露出複合材料的表面。此外，第一金屬氧化物23與第一n型導電高分子21兩者之間必然含有化學鍵結。

上述第一金屬氧化物23可包含二氧化鈦(TiO₂ )、二氧化錫(SnO₂ )、氧化鋅(ZnO)、三氧化鎢(WO₃ )、氧化鐵(Fe₂ O₃ )、五氧化二鈮(Nb₂ O₅ )、氧化銦錫(ITO)、三氧化二銦(In₂ O₃ )、鈦酸鍶(SrTio₃ )、一氧化鎳(NiO)或上述金屬氧化物之組合。第一金屬氧化物23之粒徑約介於1μm至100μm之間。

上述第一n型導電高分子21之重均分子量較佳介於500至50000間。適用於本發明之第一n型導電高分子21主要分為三種，其結構特徵為主鏈含有共軛之雙鍵與芳香環，上述n型導電高分子之最高占有電子軌域(HOMO)介於-4.5eV至-7.0eV之間，其最低未占有電子軌域(LUMO)介於-3.5eV至-5.0eV之間。

上述第一染料25可為順-二(硫氰酸酯基)雙(2,2’-聯吡啶基-4,4’-二羧酸酯基)釕(II)(cis-di(thiocyanato)bis(2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylate)ruthenium(II)，簡稱N3)、順-雙(異硫氰酯基)雙(2,2’-聯吡啶基-4,4’-二羧酸酯基)釕(II)雙四丁基銨鹽(cis-bis(isothiocyanato)bis(2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylato)-ruthenium(II)bis-tetrabutylammonium，簡稱N719)、或無金屬之有機染料(請參考Angew. Chem. Int. Ed. 2009,48,2474-2499)。

接著形成第一電解質層13A於上述之第一n型層11A上，其形成方法可為塗佈法。在本發明一實施例中，第一電解質層13A可為膠態電解質如或固態電解質。不論第一電解質層13A屬於何種組成，均為電化學電位介於+2.5eV至-0.5eV之間的p型材料。如此一來，第一n型層11A與第一電解質層13A之間將形成p-n接面。上述第一電解質層13A之厚度介於約20nm至10μm之間。

請參照第5圖，係本發明之另一實施例太陽能電池之多重電極層結構，其係接續第一實施例後接著形成第一觸媒層15A於第一電解質層13A上，其形成方法可為塗佈法。第一觸媒層15A之材質可為鉑、石墨、碳奈米管、或上述材質之組合，其厚度較佳約介於0.3nm至10nm之間。若第一觸媒層15A之厚度過薄，將有製程上的困難。若第一觸媒層15A之厚度過厚，其材質均為反光或吸光材質，可能造成陽光不易穿透。

接著形成一第二n型層11B於第一觸媒層15A上，形成方法可為塗佈法或印刷法。一般而言，第二n型層11B之組成及尺寸與前述之第一n型層11A大致相同，其差異在於第一n型層11A中的第一金屬氧化物23(如第2A至4A圖所示)粒徑，可不同於第二n型層11B中的第二金屬氧化物23’(如第2B至4B圖所示)粒徑。若陽光之入射方向為第6圖所示之100時，第一n型層11A中的第一金屬氧化物23粒徑小於第二n型層11B中的第二金屬氧化物23’粒徑。相反地，若陽光之入射方向為第6圖所示之100’時，第一n型層11A中的第一金屬氧化物23粒徑大於第二n型層11B中的第二金屬氧化物23’粒徑。這是為了使光在穿過透明基板後，先接觸較小粒徑之金屬氧化物，再接觸較大粒徑之金屬氧化物。經過較大粒子的光散射後能更有效的應用長波長段的光線。全光譜的光波如太陽光，其較短波長的光如藍光在入射至電池後的穿透距離較短，而較長波長的光如紅光在入射電池後的穿透距離較長。如此一來，較短波長且能量較強的光經較小粒徑之金屬氧化物將會較易被染料吸收。另一方面，較長波長且能量較弱的光經較大粒徑之金屬氧化物散射後，將增加光線於電極中的光路徑，以增加長波長波段的吸收。若先接觸光之金屬氧化物其粒徑大於後接觸光之金屬氧化物層之粒徑，則短波長的光無法搭配距基板較遠之粒徑較小的金屬氧化物，而長波長的光無法搭配距基板較近之粒徑較大的金屬氧化物。如此一來，將無法達到增加可利用光波長範圍的效果。

在本發明一實施例中，第一n型層11A與第二n型層11B內所含的金屬氧化物為相同材質。在本發明另一實施例中，第一n型層11A與第二n型層11B內所含的金屬氧化物為不同材質。

除了調整金屬氧化物粒徑以外，亦可採用相同粒徑之金屬氧化物於第一n型層11A與第二n型層11B中，但兩者分別吸附不同吸收波長之染料。如上所述，吸收波長較短之染料應吸附於先接觸光的n型層之金屬氧化物上，而吸收波長較長之染料應吸附於後接觸光的n型層之金屬氧化物上。

接著依序形成第二電解質層13B與第二觸媒層15B於上述結構上，其形成方法及材料選擇如上述，在此不贅述。第二電解質層13B與第二n型層11B之間亦具有p-n接面。

請參閱第6圖，該圖係本發明之一實施例多重接面之太陽能電池，係形成另一第二基板17於第二觸媒層15B上，並以封裝材料封裝上述結構後，即形成多重接面之太陽能電池。

上述之第二基板17之材質可為環氧樹脂、矽膠、或聚丙烯酸酯等透明材料。若第6圖之太陽能電池其光入射方向為100，則第一基板10需為透明材質，且可在第二基板17與第二觸媒層15B之間夾射反光層狀材料，以提高光轉換效率。另一方面，若第6圖之太陽能電池其光入射方向為100’，則第一基板10可採用金屬材質之反射基板，第二基板17可為透明材質之材料。此外，若太陽能電池架設於需要採光的位置，則第一基板10及第二基板17均採用透明材質。

值得注意的是，雖然第6圖中包含兩個各自具有p-n接面之子電池，但其僅為說明本發明之一實施態樣，可以推知的是子電池數目並不限於兩個，可依需求配置多重電極之太陽能能電池。且由於本發明採用低溫製程形成上述多層結構，可依前述之n型層、電解質層、觸媒層的循環形成多重接面之太陽能電池，其子電池數目(即p-n接面數目)端視需要而定。

另一實施例中，本發明之太陽能電池亦可只包含單一接面，比如只具有第一基板10、第一n型層11A、第二基板17並將第一電解質層13A填充於第一基板10及第二基板17之間。

因此，不論太陽能電池有多少個子電池，均可採用外部電路分別連接子電池之觸媒層(陰極)與n型層(陽極)，使太陽能電池產生之電流驅動連接外部電路之元件。

雖然本發明已以數個較佳實施例揭露如上，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，當可作任意之更動與潤飾，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。

10‧‧‧第一基板

17‧‧‧第二基板

11A‧‧‧第一n型層

11B‧‧‧第二n型層

13A‧‧‧第一電解質層

13B‧‧‧第二電解質層

15A‧‧‧第一觸媒層

15B‧‧‧第二觸媒層

21‧‧‧第一n型導電高分子

21’‧‧‧第二n型導電高分子

23‧‧‧第一金屬氧化物

23’‧‧‧第二金屬氧化物

25‧‧‧第一染料

25’‧‧‧第二染料

100、100’‧‧‧陽光入射方向

第1圖係本發明一實施例之太陽能電池之電極層結構示意圖；第2A圖係本發明一實施例之第一n型層之結構示意圖；第2B圖係本發明一實施例之第二n型層之結構示意圖；第3A圖係本發明一實施例中第一n型導電高分子與第一金屬氧化物之鍵結示意圖；第3B圖係本發明一實施例中第二n型導電高分子與第二金屬氧化物之鍵結示意圖；第4A圖係本發明另一實施例中第一n型導電高分子與第一金屬氧化物之鍵結示意圖；第4B圖係本發明另一實施例中第二n型導電高分子與第二金屬氧化物之鍵結示意圖；第5圖係本發明一實施例之太陽能電池之多重電極層結構示意圖；以及第6圖係本發明一實施例之染料敏化太陽能電池示意圖。

10．．．第一基板

17．．．第二基板

11A．．．第一n型層

11B．．．第二n型層

13A．．．第一電解質層

13B．．．第二電解質層

15A．．．第一觸媒層

15B．．．第二觸媒層

100、100’．．．陽光入射方向

Claims

一種太陽能電池，包括：一第一基板；至少一電極層，該電極層包含：一第一n型層，該第一n型層包含複數個第一金屬氧化物與複數個第一n型導電高分子交聯，至少部分該些第一n型導電高分子與該些第一金屬氧化物之表面之間具有化學鍵結，至少部分該些第一n型導電高分子與該第一基板表面之間具有化學鍵結；一第一電解質層位於該第一n型層上，且該第一電解質層與該第一n型層之間具有p-n接面；一第一觸媒層，位於該第一電解質層上；一第二n型層位於該第一觸媒層上，該第二n型層包含複數個第二金屬氧化物與複數個第二n型導電高分子交聯，至少部分該些第二n型導電高分子與該些第二金屬氧化物之表面之間具有化學鍵結，至少部分該些第二n型導電高分子與該第一觸媒層表面之間具有化學鍵結；一第二電解質層位於該第二n型層上，且該第二電解質層與該第二n型層之間具有p-n接面；一第二觸媒層，配置於該第二電解質層之上；以及一第二基板，相對配置於該第一基板。
如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中該些第一金屬氧化物表面吸附一第一染料，且該些第二金屬氧化物表面吸附一第二染料。
如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中部份該些第一n型導電高分子的兩端分別與兩個第一金屬氧化物之表面之間具有化學鍵結，且部分該些第一金屬氧化物之表面與複數個第一n型導電高分子之間具有化學鍵結。
如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中部份該些第二n型導電高分子的兩端分別與兩個第二金屬氧化物之表面之間具有化學鍵結，且部分該些第二金屬氧化物之表面與複數個第二n型導電高分子之間具有化學鍵結。
如申請專利範圍第2項所述之太陽能電池，其中該第二染料之吸收波長係小於該第一染料之吸收波長。
如申請專利範圍第2項所述之太陽能電池，其中該第二染料之吸收波長係大於該第一染料之吸收波長。