TWI460865B - 染料敏化太陽能電池之陽極材料以及其製備方法 - Google Patents

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染料敏化太陽能電池之陽極材料以及其製備方法
本發明係關於一種染料敏化太陽能電池陽極材料及其製備方法，特別是關於具有氧化物包覆層之金屬奈米線之陽極材料。
能源科技，是目前全球市場相當重視的新興產業。這波綠色科技潮流，又以太陽能科技為舉足輕重的角色，政府亦將太陽能電池產業視為下世代的重點發展項目之一。自1954年貝爾實驗室發表6%光電轉換效率的太陽能電池起。一直到21世紀，太陽能發電逐漸成為各國極力開發的產業。
近年來由於奈米技術與先進材料之開發，有助於提升太陽能電池之轉換效率。染料敏化太陽能電池(Dye Sensitized Solar Cell,DSSC)，是由瑞士洛桑高等工業學校Grazel教授在1998年所發展之第三代太陽能電池，其利用多孔性二氧化鈦奈米粒薄膜，製作全固態染料敏化太陽能電池，在單色光光電轉換效率可達33%，也成為目前最有商品化潛力之技術。
然而，提升染料敏化太陽能電池之光電轉換效率，仍具有許多進步的空間，亦是各國研究之重點，在陽極材料及設計中增加光散射能力、減少光子逸失、增加光子在電極中的停留時間、以及提升陽極中二氧化鈦奈米粒子對電子之傳導能力等等技術之研發，皆能提升染料敏化太陽能電池的效率。
本發明提供一種染料敏化太陽能電池陽極材料，該陽極材料包含一陽極本體以及一氧化物包覆層。
陽極本體具有複數個金屬奈米線，金屬奈米線能夠減少光子逸失，增加在電極內的停留時間。本發明以銀奈米線為最佳實施例。
氧化物包覆層包覆於該些金屬奈米線之外層，並分別與該些金屬奈米線間形成一電位障壁，可提昇光電轉換效率。本發明將利用二氧化鈦吸附染料光敏化劑，以增加光電轉換，進而增強光催化效率，進而提高太陽能應用的效率。
本發明又提供一種染料敏化太陽能電池陽極材料之製備方法，其步驟包含：
Step1.　在一酯類溶液中加入一還原劑中充分混合，以得到一第一混合溶液；
Step2.　於該第一混合溶液中加入金屬奈米線材料充分混合，以得到一第二混合溶液；
Step3.　離心處理第二混合溶液；
Step4.　於該第二混合溶液加入一分散劑，且進行離心處理，以得到一受氧化物包覆之金屬奈米線材料。
藉由本發明所提供的染料敏化太陽能電池之陽極材料以及其製備方法，使用有包覆二氧化鈦的金屬奈米線，可增強陽極中電子之傳導能力，改善傳統陽極內電子與電洞容易結合之情況，可有效提升整體太陽能電池的效能，增加太陽能電池之可用性。
關於本發明之優點與精神，以及更詳細的實施方式可以藉由以下的實施方式以及所附圖式得到進一步的瞭解。
請參考第一圖，其係本發明染料敏化太陽能電池陽極材料之示意圖，本發明染料敏化太陽能電池之陽極材料包含一陽極本體以及一氧化物包覆層120。
陽極本體具有複數個金屬奈米線110，其中，該些金屬奈米線110係由銀或是金所構成，但並不以此為限；金屬奈米線110對光的吸收率相對較低，且具有高的光散射能力，有助於提高整體太陽能電池的效能，也就是金屬奈米線110能夠減少光子逸失，增加在電極內的停留時間。本發明以銀奈米線(AgNWs)為最佳實施例。
氧化物包覆層120包覆於該些金屬奈米線110之外層，並分別與該些金屬奈米線110間形成一電位障壁，該電位障壁為蕭特基障壁(Schottky barrier)，可提昇光電轉換效率。
其中，本發明之氧化物包覆層120以二氧化鈦(TiO2 )為最佳實施例，但不以此為限，該二氧化鈦之添加量約為0.01wt%至0.2wt%。此外，二氧化鈦具有光催化效應(photocatalyst)，且具有穩定性高、耐酸鹼及無毒性等優點，常被用來作為光觸媒材料。
使用有二氧化鈦包覆之金屬奈米線110可防止金屬奈米線110在製程中作高溫處理時，產生融結變形，其中高溫處理係例如二氧化鈦之燒結、退火等處理，金屬奈米線110透過二氧化鈦包覆可防止受到電解液侵蝕，具有極佳的結構穩定性及耐久性。
二氧化鈦電極照射紫外光(ultraviolet light)，可以分解水分子，二氧化鈦為半導體性質的物質，在價帶(valence band)及傳導帶(conduction band)之間，有能隙(band gapenergies)存在，透過紫外光照射給予足夠的能量，使價帶電子可躍遷至傳導帶進行電子傳遞，價帶上也會有電洞產生，所產生的電子與電洞可以分別進行氧化及還原的作用。
光催化效應就是利用這分開的電子與電洞分別進行氧化及還原的作用，若電子與電洞再結合的速率太快，表示二氧化鈦之光催化效率不佳，因此，增加電荷的分離，或減少電子與電洞再結合則可改善光催化效率。
本發明將利用二氧化鈦吸附染料光敏化劑(Ruthenium complex)130，以增加光電轉換，進而增強光催化效率。染料光敏化劑130照光後可被激發，激發的波長通常是較接近可見光區，激發後染料光敏化劑130的電子會轉移到二氧化鈦的傳導帶上，染料光敏化劑130增加了激發過程的效率及擴張了激發過程波長的吸收範圍，進而提高太陽能應用的效率。
請參考第二圖，其係本發明染料敏化太陽能電池陽極材料之製備方法，其步驟包含：
Step1.　在一酯類溶液中加入一還原劑中充分混合，以得到一第一混合溶液；其中，本發明所使用之酯類溶液為鈦酸四丁酯(Ti(OBu)4 )，但並不以此為限。本發明所使用之還原劑為二乙醇胺(diethanolamine,DEA)，但並不以此為限。其中，充分混合至少包含攪拌Ti(OBu)4 以及DEA 2個小時。
Step2.　於該第一混合溶液中加入金屬奈米線材料充分混合，以得到一第二混合溶液；本發明所使用之金屬奈米線材料係由銀或是金所構成，其中，以銀奈米線為最佳實施方式，但並不以此為限。且充分混合至少包含攪拌Ti(OBu)4 、DEA以及銀奈米線24個小時，所得到的第二混合溶液包含二氧化鈦包覆銀奈米線的膠體溶液(AgNWs-TiO2 )、Ti(OBu)4 溶液以及DEA溶液。
Step3.　離心處理第二混合溶液；本發明之離心處理至少包含2000r.p.m，且至少持續5分鐘。
Step4.　於該第二混合溶液加入一分散劑，且進行離心處理，以得到一受氧化物包覆之金屬奈米線材料。本發明所使用之分散劑為酒精(ethanol,EtOH)，但並不以此為限。本發明之離心處理至少包含2000r.p.m，且至少持續5分鐘。本發明所使用之受氧化物包覆之金屬奈米線材料為受二氧化鈦包覆之銀奈米線材料。
請再次參考第一圖，不論是包覆於銀奈米線110外的二氧化鈦120，或是外在的二氧化鈦140皆能夠吸附染料光敏化劑130，在太陽光照射下，雖然如雙粗箭頭所示，有部分光線以散射的方式散射出，但是藉由染料光敏化劑130的輔助下，如實線尖形箭頭所示，可增加光吸收率，進而傳遞光能至銀奈米線110；銀奈米線110再將光能傳送至一透明導電基板(FTO glass)，如實線圓形箭頭所示，再透過透明導電基板將光能轉換為電能；此外，如雙頭方形實線所示，確實減少電子與電洞再結合的情況發生；因此，本發明所提供的染料敏化太陽能電池之陽極材料可增加光電轉換，進而增強光催化效率。
請參考第三a圖，其係本發明電子顯微鏡下之銀奈米線實體照片，其中照片(a)以及(b)分別係沒有包覆二氧化鈦以及有包覆二氧化鈦之銀奈米線的實體圖，照片(c)以及(d)分別係前二者經過光催化反應後的實體圖，請同時參考第三b圖，其分別係本發明銀奈米線照片(c)以及(d)之示意圖，由圖可清楚得知，沒有包覆二氧化鈦120之銀奈米線110經過光催化反應後，電子容易產生再結合；包覆二氧化鈦120之銀奈米線110經過光催化反應後，電子不易產生再結合。
請參考第四a圖與第四b圖，其係本發明沒有包覆二氧化鈦以及有包覆二氧化鈦之銀奈米線的對照圖，沒有包覆二氧化鈦之銀奈米線以圓形連接線為表示，有包覆二氧化鈦之銀奈米線以三角形連接線為表示。
由第四a圖可得知，有包覆二氧化鈦之銀奈米線之光催化反應較沒有包覆二氧化鈦之銀奈米線之光催化反應提升了2.0% to 4.2%。
由第四a圖可得知，有包覆二氧化鈦之銀奈米線吸附了較多的染料光敏化劑130，可進而增強光催化效率。
如第四b圖可得知，有包覆二氧化鈦之銀奈米線的耐久性相較於沒有包覆二氧化鈦之銀奈米線，其耐久性有極佳的提昇。
因此，藉由本發明所提供的染料敏化太陽能電池之陽極材料以及其製備方法，使用有包覆二氧化鈦的金屬奈米線，可增強陽極中電子之傳導能力，改善傳統陽極內電子與電洞容易結合之情況，可有效提升整體太陽能電池的效能，增加太陽能電池之可用性。
本發明雖以較佳實例闡明如上，然其並非用以限定本發明精神與發明實體僅止於上述實施例爾。對熟悉此項技術者，當可輕易了解並利用其它元件或方式來產生相同的功效。是以，在不脫離本發明之精神與範圍內所作之修改，均應包含在下述之申請專利範圍內。
120．．．氧化物包覆層、二氧化鈦
110．．．金屬奈米線
130．．．染料光敏化劑
140．．．二氧化鈦
藉由以下詳細之描述結合所附圖示，將可輕易的了解上述內容及此項發明之諸多優點，其中：
第一圖：本發明染料敏化太陽能電池陽極材料之示意圖；
第二圖：本發明染料敏化太陽能電池陽極材料之製備方法；
第三a圖：本發明電子顯微鏡下之銀奈米線實體照片；
第三b圖：本發明銀奈米線照片(c)以及(d)之示意圖；
第四a圖：本發明沒有包覆二氧化鈦及有包覆二氧化鈦之銀奈米線光催化反應比較圖；以及
第四b圖：本發明沒有包覆二氧化鈦及有包覆二氧化鈦之銀奈米線耐久性比較圖。
120．．．氧化物包覆層、二氧化鈦
110．．．金屬奈米線
130．．．染料光敏化劑
140．．．二氧化鈦

Claims (9)

  1. 一種染料敏化太陽能電池之陽極材料，包含：一陽極本體，係為複數個金屬奈米線以不特定之方向交錯散佈的組合；以及一氧化物包覆層，係均勻包覆於該些金屬奈米線外表面，其厚度得分別與該些金屬奈米線間形成一蕭特基障壁(Schottky barrier)；其中該氧化物包覆層吸附有一染料光敏化劑(Ruthenium complex)。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之陽極材料，其中該些金屬奈米線係由銀或是金所構成。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之陽極材料，其中該氧化物包覆層為二氧化鈦。
  4. 一種染料敏化太陽能電池陽極材料之製備方法，其步驟包含：(a)在一酯類溶液中加入一還原劑中充分混合，以得到一第一混合溶液；(b)於該第一混合溶液中加入金屬奈米線材料充分混合，以得到一第二混合溶液；(c)離心處理該第二混合溶液；(d)於該第二混合溶液加入一分散劑，且進行離心處理，以得到一受氧化物包覆之金屬奈米線材料。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之製備方法，其中該酯類溶液為鈦酸四丁酯(Ti(OBu)4 )。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之製備方法，其中該還原劑為二乙醇胺(diethanolamine,DEA)。
  7. 如申請專利範圍第4項所述之製備方法，其中該金屬奈米線材料係由銀或是金所構成。
  8. 如申請專利範圍第4項所述之製備方法，其中該分散劑為酒精(ethanol,EtOH)。
  9. 如申請專利範圍第4項所述之製備方法，其中該受氧化物包覆之金屬奈米線材料為受二氧化鈦包覆之銀奈米線材料。
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