TWI473314B - 有機太陽能電池 - Google Patents

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Kun Mu Lee
Chun Guey Wu
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    • 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
    • Y02E10/549—Organic PV cells

Description

有機太陽能電池
本發明係關於一種有機太陽能電池，特別關於一種可過濾光線之有機太陽能電池。
由於石油的供應漸趨吃緊使其價格也居高不下，以及核能發電的安全疑慮未除，故世界各國正積極尋求替代能源。在替代能源中，太陽能因為在發電過程中不會產生污染，因此，是一種乾淨且取之不盡的綠色能源。
太陽能電池的種類繁多，諸如矽基(silicon-based)太陽能電池、半導體化合物(compound semiconductor)太陽能電池或有機(organic)太陽能電池。其中，常見的有機太陽能電池包括有染料敏化太陽能電池(Dye Sensitized Solar Cell,DSSC)、高分子有機太陽能電池、小分子有機太陽能電池及有機/無機奈米複合型有機太陽能電池。
以染料敏化太陽能電池為例，習知之染料敏化太陽能電池的結構包含兩個具有導電電極之一第一基板及一第二基板相對封裝貼合。其中，第一基板上設有二氧化鈦以吸附染料，而第二基板上設有一催化層，以加速電力的產生。當太陽光入射染料敏化太陽能電池時，染料分子會吸收光能並釋放出電子，電子會傳遞至第一基板或第二基板上的導電層，並經外部迴路而產生電流。
然而，當太陽光入射染料敏化太陽能電池時，由於太 陽光中除了有利於染料產生電子的波長的光線外，尚有其它波長的光線會對染料敏化太陽能電池產生不良的影響。例如波長較長之光線(如紅外光或遠紅外光等)會使太陽能電池的工作溫度上升，進而降低太陽能電池的開環電壓。
因此，如何提供一種有機太陽能電池，可在不影響光電轉換效率的情況下有效降低其工作溫度，已成為目前的重要課題之一。
有鑑於上述課題，本發明之目的為提供一種可在不影響光電轉換效率的情況下有效降低其工作溫度之有機太陽能電池。
有鑑於上述之目的，本發明提供一種有機太陽能電池具有一入光面，並包括一第一基板、一第一電極、一主動層、一第二電極以及一濾光層。第一電極設置於第一基板。主動層設置於第一電極遠離第一基板之一側。第二電極設置於主動層遠離第一電極之一側。第二基板設置於第二電極遠離主動層之一側，並與第一基板相對而設。濾光層設置於入光面及第一電極之間，濾光層阻斷波長範圍介於900奈米至1200奈米之間的光線入射主動層。另外，濾光層亦阻斷波長小於400奈米之光線入射主動層。
在本發明一實施例中，第一基板或第二基板的材質包含玻璃、塑膠或金屬。
在本發明一實施例中，第一電極或第二電極的材質包含氟摻雜氧化錫、氟鋰摻雜氧化錫、氧化銦錫、氧化銦鋅、氧化鋅鋁或氧化鋅鎵，或其組合。
在本發明一實施例中，第一電極係摻雜氟及鋰。
在本發明一實施例中，第一電極阻斷波長範圍大於1500奈米的光線入射主動層。
在本發明一實施例中，主動層包含高分子有機材料、小分子有機材料、有機分子與無機分子的混合、或染料敏化材料。
在本發明一實施例中，濾光層設置於第一基板，且濾光層具有入光面。
在本發明一實施例中，濾光層設置於第一基板與第一電極之間。
在本發明一實施例中，濾光層為一多層鍍膜結構或一光子晶體結構。
在本發明一實施例中，多層鍍膜的材料包含氮化矽、氧化矽、五氧化二鉭或二氧化鈦。
在本發明一實施例中，有機太陽能電池更包括一染料吸附層以及一電解液層，染料吸附層設置於主動層，電解液層設置於主動層與第二電極之間。
在本發明一實施例中，染料吸附層的材質包含二氧化鈦、氧化鋅或二氧化錫，或其組合。
承上所述，因本發明之有機太陽能電池中，主動層設置於第一電極遠離第一基板之一側，第二電極設置於主動 層遠離第一電極之一側，第二基板設置於第二電極遠離主動層之一側，並與第一基板相對而設。另外，濾光層設置於入光面及第一電極之間，且濾光層可阻斷波長範圍介於900奈米至1200奈米之間的光線入射主動層。另外，濾光層亦阻斷波長小於400奈米之光線入射主動層。藉此，可在不影響有機太陽能電池的光電轉換效率的情況下有效降低其工作溫度。
以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例之有機太陽能電池，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。
請參照圖1A所示，其為本發明較佳實施例之一種有機太陽能電池1的側視示意圖。
有機太陽能電池1具有一入光面I，並包括一第一基板11、一第一電極12、一主動層13、一第二電極14、一第二基板15以及一濾光層16。於此，入光面I即是太陽光線L入射至有機太陽能電池1之表面。
第一電極12設置於第一基板11。在本實施例中，第一電極12係貼合於第一基板11。
主動層13設置於第一電極12遠離第一基板11之一側。在本實施例中，主動層13係設置於第一電極12上，並與第一電極12遠離第一基板11的表面連結。其中，主動層13可包含高分子有機材料、小分子有機材料、有機 分子與無機分子的混合、或染料敏化材料。於此，主動層13係以包含染料敏化材料為例，並例如可為釕(Ru)等金屬錯合物色素、或是甲基、酞菁等有機色素。
第二電極14設置於主動層13遠離第一電極12之一側。於此，主動層13係夾置於第一電極12與第二電極14之間。其中，第一電極12或第二電極14可為透光材質，並例如可包含氟摻雜氧化錫(Fluorinedoped Tin Oxide,FTO)、氟鋰摻雜氧化錫、氧化銦錫(indium-tin oxide,ITO)、氧化銦鋅(indium-zinc oxide,IZO)、氧化鋅鋁(aluminum-zinc oxide,AZO)或氧化鋅鎵(GZO)，或其組合，並例如以印刷、塗佈、電鍍、濺鍍或蒸鍍(含化學及物理蒸鍍)等方式對應形成於第一基板11或第二基板15上。另外，第一電極12或第二電極14可為單層或多層的結構，於此，並不加以限定。藉由光線L進入主動層13，可使主動層13產生電子，並經第一電極12及第二電極14的傳遞，再經外部迴路，可使有機太陽能電池1輸出電流。於此，第二電極14與主動層13電性連結，並例如可成為電池的正極，而第一電極12與主動層13電性連結，並例如可成為電池的負極。
本實施例之第一電極12及第二電極14係分別以氟鋰摻雜氧化錫電極為例。特別注意的是，本實施例之第一電極12及第二電極14係分別以沉積製程製作於第一基板11及第二基板15上，且係共摻雜氟元素及鋰元素(加入LiF)。藉此與習知的氟摻雜氧化錫(FTO)電極相較，由 於習知的FTO沒有摻雜鋰，因此只可阻斷(cut off)波長大於1800奈米以上的太陽光線L進入主動層13。但是因本發明於製備第一電極12及第二電極14時共摻雜氟元素及鋰元素，因此使得第一電極12及第二電極14可阻斷波長範圍大於1500奈米以上的光線L入射至主動層13。換言之，本發明之第一電極12及第二電極14可控制波長在1500奈米以下才會有光穿透，且對1400奈米以上的光線具有較高的反射率。
第二基板15設置於第二電極14遠離主動層13之一側，並與第一基板11相對而設。其中，第一基板11或第二基板15的材質可例如包含玻璃、塑膠或金屬，並例如可為聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚萘二甲酸乙二酯(PEN)、聚醯亞胺(PI)或鈦金屬、鋁金屬、不鏽鋼或其它材料，或其組合，並不加以限定。另外，第一基板11或第二基板15可分別為一透光基板或為不透光基板，且光線L可由第一基板11或第二基板15進入有機太陽能電池1。在本實施例中，第一基板11係以可透光的玻璃基板為例，而第二基板15不限定為透光或不透光的基板。因此，光線L係由第一基板11入射至主動層13。
濾光層16設置於入光面I及第一電極12之間。在本實施例中，濾光層16係設置於第一基板11上，且濾光層16具有入光面I。換言之，如圖1A所示，本實施例之有機太陽能電池1中，各元件的堆疊次序由上而下依序為濾光層16、第一基板11、第一電極12、主動層13、第二電 極14及第二基板15。因此，光線L係先通過濾光層16之入光面I，並通過第一基板11、第一電極12，以入射至有機太陽能電池1的主動層13。其中，濾光層16可包含一層或多層的結構。另外，濾光層16可為一多層鍍膜結構或一光子晶體結構。多層鍍膜的材料例如可包含氮化矽(SiNX )、氧化矽(SiOX )、五氧化二鉭(Ta2 O5 )、或二氧化鈦(TiO2 )，或其它材料。在本實施例中，濾光層16係為多層鍍膜，並例如為布拉格反射鏡為例。布拉格反射鏡係由至少兩種不同折射係數的材料交替堆疊而成，且可依鍍膜厚度與交替鍍膜層數控制光反射的波長範圍。本發明之濾光層16可阻斷波長範圍介於900奈米至1200奈米之間的光線L入射主動層13。另外，本發明結合濾光層16以及共摻雜氟元素及鋰元素的氧化錫透明第一電極12，幾乎可完全阻斷900奈米到2100奈米波長之間的光線進入主動層16。
請參照圖1B所示，其為本發明另一實施態樣之有機太陽能電池1a的側視示意圖。
與有機太陽能電池1主要的不同在於，有機太陽能電池1a更可包括一染料吸附層17及一電解液層18。染料吸附層17設置於主動層13，而電解液層18設置於主動層13與第二電極14之間。在本實施例中，染料吸附層17用以吸附主動層13之染料敏化材料，並可為一多孔性金屬氧化物層。多孔性金屬氧化物層可例如但不限為二氧化鈦、氧化鋅或二氧化錫，或其組合。於此，係以二氧化鈦 為例。
另外，電解液層18內具有電解液，而電解液與主動層13之染料敏化材料電性連結，以藉由第二電極14將電流導引出。此外，有機太陽能電池1a更可包括一催化層(圖未顯示)，催化層設置於第二電極14上靠近電解液層18之一側，並接觸電解液層18。其中，催化層例如可為一鉑金屬層，並可加速有機太陽能電池1a電力的產生。
另外，請參照圖1C所示，其為本發明另一實施態樣之有機太陽能電池1b的示意圖。
如圖1C所示，與圖1B之有機太陽能電池1a主要的不同在於，有機太陽能電池1b的第一基板11具有入光面I，且濾光層16係設置於第一基板11與第一電極12之間。於此，濾光層16係夾置於第一基板11與第一電極12之間。如圖1C所示，光線L係先通過第一基板11之入光面I，並通過濾光層16、第一電極12而入射至有機太陽能電池1b的主動層13。
此外，有機太陽能電池1b其它元件的技術特徵可參照有機太陽能電池1a，於此不再贅述。
另外，請參照圖2所示，其為本發明較佳實施例之有機太陽能電池的光學特性示意圖。其中，橫座標係為光線的波長(奈米)，而縱座標為光線的穿透率(%)。
由圖2之第一電極的曲線之切線(虛線P)所示，本發明之第一電極12因共摻雜氟元素及鋰元素，故可阻斷波長範圍大於約1500奈米以上的光線入射主動層13，並 例如可濾除波長較長的紅外光或遠紅外光。另外，濾光層16除可濾除波長低於400奈米的光線外，濾光層16也可阻斷波長範圍介於900奈米至1200奈米之間的光線入射主動層13(400奈米~900奈米的光線可穿透濾光層16)。因此，本發明之有機太陽能電池同時具有第一電極12及濾光層16，故除可阻斷波長低於400奈米的光線進入主動層13之外，超過900奈米以上的光線也幾乎可被阻斷。
另外，請分別參照圖3A及圖3B所示，其分別為本發明之基板及有機太陽能電池在1sun光強度(1000 W/M2 )連續照射下，溫度與時間的關係示意圖。其中，圖3A係量測圖1B之有機太陽能電池1a的第一電極12與染料吸附層17之連結面的溫度變化。於此，係比較只有第一電極時，及第一電極加上濾光層時，其溫度的不同。另外，圖3B係量測圖1B之有機太陽能電池1a的背面(第二基板15之外側)的溫度變化。同樣地，圖3B仍比較只有第一電極時，及第一電極加上濾光層時，其溫度的不同。
如圖3A及圖3B所示，由實際的量測可得知，於同樣光強度的太陽光的照射之下，於相同時間時，只有第一電極之太陽能電池的溫升較快，而同時有濾光層16及第一電極11時，太陽能電池的溫升較慢。此外，本發明之有機太陽能電池於開環電壓的量測上因溫升較慢，因而可得到較高的電壓值。值得一提的是，可應用本發明之設計，將有機太陽能電池與建築物進行結合應用(Building-integrated photovoltaic,BIPV)，除了可有效降 低太陽能電池的工作溫度外，更可有效地阻隔會造成溫升的光線而降低室內空調的電力損耗。
綜上所述，因本發明之有機太陽能電池中，主動層設置於第一電極遠離第一基板之一側，第二電極設置於主動層遠離第一電極之一側，第二基板設置於第二電極遠離主動層之一側，並與第一基板相對而設。另外，濾光層設置於入光面及第一電極之間，且濾光層可阻斷波長範圍介於900奈米至1200奈米之間的光線入射主動層。另外，濾光層亦阻斷波長小於400奈米之光線入射主動層。藉此，可在不影響有機太陽能電池的光電轉換效率的情況下有效降低其工作溫度。
以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。
1、1a~1b‧‧‧有機太陽能電池
11‧‧‧第一基板
12‧‧‧第一電極
13‧‧‧主動層
14‧‧‧第二電極
15‧‧‧第二基板
16‧‧‧濾光層
17‧‧‧染料吸附層
18‧‧‧電解液層
I‧‧‧入光面
L‧‧‧光線
P‧‧‧虛線
圖1A為本發明較佳實施例之一種有機太陽能電池的側視示意圖；圖1B~圖1C分別為本發明另一實施態樣之有機太陽能電池的側視示意圖；圖2為本發明較佳實施例之有機太陽能電池的光學特性示意圖；以及圖3A及圖3B分別為本發明之不同基板及有機太陽能電池在1sun光強度連續照射下，溫度與時間的關係示意 圖。
1‧‧‧有機太陽能電池
11‧‧‧第一基板
12‧‧‧第一電極
13‧‧‧主動層
14‧‧‧第二電極
15‧‧‧第二基板
16‧‧‧濾光層
I‧‧‧入光面
L‧‧‧光線

Claims (10)

  1. 一種有機太陽能電池，具有一入光面，該有機太陽能電池包括：一第一基板；一第一電極，設置於該第一基板，且該第一電極係摻雜氟及鋰；一主動層，設置於該第一電極遠離該第一基板之一側；一第二電極，設置於該主動層遠離該第一電極之一側；一第二基板，設置於該第二電極遠離該主動層之一側，並與該第一基板相對而設；以及一濾光層，設置於該入光面及該第一電極之間，該濾光層阻斷波長範圍介於900奈米至1200奈米之間的光線入射該主動層，且該第一電極阻斷波長範圍大於1500奈米的光線入射該主動層。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之有機太陽能電池，其中該第一基板或該第二基板的材質包含玻璃、塑膠或金屬。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之有機太陽能電池，其中該第一電極或該第二電極的材質包含氟摻雜氧化錫、氟鋰摻雜氧化錫、氧化銦錫、氧化銦鋅、氧化鋅鋁或氧化鋅鎵，或其組合。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之有機太陽能電池，其中該主動層包含高分子有機材料、小分子有機材料、有機分子與無機分子的混合、或染料敏化材料。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之有機太陽能電池，其中該濾光層設置於該第一基板，且該濾光層具有該入光面。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之有機太陽能電池，其中該濾光層設置於該第一基板與該第一電極之間。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之有機太陽能電池，其中該濾光層為一多層鍍膜結構或一光子晶體結構。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之有機太陽能電池，其中該多層鍍膜的材料包含氮化矽、氧化矽、五氧化二鉭或二氧化鈦。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之有機太陽能電池，更包括：一染料吸附層，設置於該主動層；以及一電解液層，設置於該主動層與該第二電極之間。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之有機太陽能電池，其中該染料吸附層的材質包含二氧化鈦、氧化鋅或二氧化錫，或其組合。
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