TWI481047B - 染料敏化太陽能電池、其光電極及光電極製作方法 - Google Patents
染料敏化太陽能電池、其光電極及光電極製作方法 Download PDFInfo
- Publication number
- TWI481047B TWI481047B TW101131793A TW101131793A TWI481047B TW I481047 B TWI481047 B TW I481047B TW 101131793 A TW101131793 A TW 101131793A TW 101131793 A TW101131793 A TW 101131793A TW I481047 B TWI481047 B TW I481047B
- Authority
- TW
- Taiwan
- Prior art keywords
- photoelectrode
- layer
- titanium dioxide
- dye
- solar cell
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 21
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 13
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 119
- 239000004408 titanium dioxide Substances 0.000 claims description 58
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 44
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 41
- 238000007747 plating Methods 0.000 claims description 30
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 claims description 28
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 24
- 239000002071 nanotube Substances 0.000 claims description 19
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 15
- 239000002077 nanosphere Substances 0.000 claims description 14
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 12
- 239000002202 Polyethylene glycol Substances 0.000 claims description 7
- 238000001027 hydrothermal synthesis Methods 0.000 claims description 7
- 229920001223 polyethylene glycol Polymers 0.000 claims description 7
- SOQBVABWOPYFQZ-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);titanium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Ti+4] SOQBVABWOPYFQZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims description 6
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 109
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 24
- 239000010408 film Substances 0.000 description 18
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 16
- 239000000975 dye Substances 0.000 description 16
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 9
- 230000008569 process Effects 0.000 description 7
- VXUYXOFXAQZZMF-UHFFFAOYSA-N titanium(IV) isopropoxide Chemical compound CC(C)O[Ti](OC(C)C)(OC(C)C)OC(C)C VXUYXOFXAQZZMF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 5
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 4
- 230000005281 excited state Effects 0.000 description 4
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- 238000001354 calcination Methods 0.000 description 3
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 3
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 230000027756 respiratory electron transport chain Effects 0.000 description 3
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- WCUXLLCKKVVCTQ-UHFFFAOYSA-M Potassium chloride Chemical compound [Cl-].[K+] WCUXLLCKKVVCTQ-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 238000000149 argon plasma sintering Methods 0.000 description 2
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 2
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 230000005283 ground state Effects 0.000 description 2
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- -1 iodide ions Chemical class 0.000 description 2
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N Nitric acid Chemical compound O[N+]([O-])=O GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N Ruthenium Chemical compound [Ru] KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002378 acidificating effect Effects 0.000 description 1
- 238000005054 agglomeration Methods 0.000 description 1
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 1
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 230000003284 homeostatic effect Effects 0.000 description 1
- 230000007062 hydrolysis Effects 0.000 description 1
- 238000006460 hydrolysis reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052740 iodine Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011630 iodine Substances 0.000 description 1
- 239000011244 liquid electrolyte Substances 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 1
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 1
- 229910017604 nitric acid Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- 238000005554 pickling Methods 0.000 description 1
- 239000001103 potassium chloride Substances 0.000 description 1
- 235000011164 potassium chloride Nutrition 0.000 description 1
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 238000006479 redox reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010992 reflux Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 238000002791 soaking Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N tin dioxide Chemical compound O=[Sn]=O XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001887 tin oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 1
- 239000010938 white gold Substances 0.000 description 1
- 229910000832 white gold Inorganic materials 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/02—Details
- H01L31/0224—Electrodes
- H01L31/022408—Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
- H01L31/022425—Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for solar cells
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G9/00—Electrolytic capacitors, rectifiers, detectors, switching devices, light-sensitive or temperature-sensitive devices; Processes of their manufacture
- H01G9/20—Light-sensitive devices
- H01G9/2027—Light-sensitive devices comprising an oxide semiconductor electrode
- H01G9/2031—Light-sensitive devices comprising an oxide semiconductor electrode comprising titanium oxide, e.g. TiO2
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
- H01L31/1884—Manufacture of transparent electrodes, e.g. TCO, ITO
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- 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
- Y02E10/542—Dye sensitized solar cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Hybrid Cells (AREA)
- Photovoltaic Devices (AREA)
Description
本發明係關於一種染料敏化太陽能電池，特別是一種由具有三層不同型態奈米結構之光電極所構成之染料敏化太陽能電池及製作該光電極之方法。
染料敏化太陽能電池具有原料成本低、製程容易且成形後具備可撓性、多彩性與可透光性等優勢，其潛在市場商機固然龐大，近年來已為多數產業廣泛使用。
染料敏化太陽能電池主要是由透明導電板、光電極、染料、電解液及對應電極所構成，以透過光電極吸附染料，並在染料吸光致使電子呈激發態後，係可經電子轉移過程將電子注入該光電極之導電帶，以致使該光電極帶電而於電子導出後產能。是故，該光電極與染料間的電子轉移速率是為該染料敏化太陽能電池能否具有較佳光電轉化效率的重要關鍵，以致光電極之改良早已為業界所重視。
如中華民國公告第M403755號專利案所示，其揭示一種染料敏化太陽能電池之多層薄膜奈米二氧化鈦光陽極，以由水熱及電弧法製備出包含有H200/Tnt-C550/SF不同型態奈米顆粒之多層奈米二氧化鈦薄膜光陽極，藉此提升該光陽極對光源的吸收效果，並達到提升染料敏化太陽能電池光電轉換效率之功效。其中，該H200奈米顆粒的平均粒徑是為20nm；該Tnt-C550奈米顆粒的平均粒徑是為25nm；該SF奈米顆粒為針狀且平均粒徑是為35nm。
雖然習知光陽極可藉由多層薄膜增進光能之吸收，但由不同型態之二氧化鈦顆粒依序成形H200/Tnt-C550/SF為光陽極時，僅單純以H200/Tnt-C550/SF取代傳統之單層薄膜，以透過各層間的些微粒徑差對光源之吸收及散射作適當調整。惟，構成該光陽極之H200/Tnt-C550/SF各層並不具有其他用途，顯然其能改善之光吸收及散射效果仍有所限，縱使增加了光能吸收效率，卻也始終無法提升電子於光陽極間的傳遞速度，以致該光陽極仍無法在既有的光電轉化效率中呈現大幅增進之功效。
此外，製作習知光陽極之方式除了必須透過水熱法分次製成Tnt-C550及H200奈米顆粒之外，還必需再以真空潛弧手段額外製備出SF奈米顆粒，方能以該三種不同形貌之奈米顆粒成形該光陽極。如此可知，習知透過水熱法搭配真空潛弧手段之製程顯然耗時且繁複，不僅無法作連續性的量產，更可能在Tnt-C550、H200及SF三種不同粒徑之奈米顆粒作堆疊成膜時，因粒徑差異衍生接觸面不均，進而導致彼此間的契合度不佳，致使該光陽極的成形品質及其應有之光電轉換效率著實為人所堪慮。
有鑑於此，確實有必要發展一種具有新穎設計之光電極，以將製成之光電極應用於染料敏化太陽能電池，進而解決如上所述之各種問題。
本發明主要目的乃改善上述缺點，以提供一種染料敏化太陽能電池，其係能夠提升光電轉化效率者。
本發明次一目的係提供一種染料敏化太陽能電池之光電極，其係能夠同時增進光源使用率、降低暗電流產生並提升載子遷移率者。
本發明另一目的係提供一種染料敏化太陽能電池之光電極製作方法，其係能夠簡化製程，以相對降低工時及成本並可作連續量產者。
本發明又一目的係提供一種染料敏化太陽能電池之光電極製作方法，其係能夠增進膜間契合度，以維持光電極之成形品質及應有之光電轉換效率者。
為達到前述發明目的，本發明染料敏化太陽能電池，係包含：一負極導電基板；一正極導電基板；一光電極，設於該負極導電基板與正極導電基板之間，並用以吸附一染料，該光電極具有相堆疊的一緻密層、一散射層及一載子傳遞層，該緻密層係由粒徑為15~20nm之二氧化鈦奈米粒子所構成，且該光電極之緻密層厚度為3~6微米，該散射層係由直徑為200~500nm之二氧化鈦奈米球所構成，且該光電極之散射層厚度為8~11微米，該載子傳遞層係由管長為300~800nm之二氧化鈦奈米管所構成，且該光電極之載子傳遞層厚度為5~8微米；及一電解材，設於該光電極與正極導電基板之間。
其中，該光電極係依序由該緻密層、散射層及載子傳遞層堆疊所構成，且該緻密層設於該負極導電基板上。或者，該光電極係依序由該緻密層、載子傳遞層及散射層堆疊所構成，且該緻密層設於該負極導電基板上。
為達到前述發明目的，本發明染料敏化太陽能電池之
光電極，其係包含相堆疊的一緻密層、一散射層及一載子傳遞層，該緻密層係由粒徑為15~20nm之二氧化鈦奈米粒子所構成，且該光電極之緻密層厚度為3~6微米，該散射層係由直徑為200~500nm之二氧化鈦奈米球所構成，且該光電極之散射層厚度為8~11微米，該載子傳遞層係由管長為300~800nm之二氧化鈦奈米管所構成，且該光電極之載子傳遞層厚度為5~8微米。
其中，該光電極係依序由該緻密層、散射層及載子傳遞層堆疊所構成。或者，該光電極係依序由該緻密層、載子傳遞層及散射層堆疊所構成。
為達到前述發明目的，本發明染料敏化太陽能電池之光電極製作方法，係包含：分別混合粒徑15~20nm之二氧化鈦奈米粒子粉體、直徑200~500nm之二氧化鈦奈米球粉體及管長300~800nm之二氧化鈦奈米管粉體於一溶劑中，並添加一多孔基質，致使二氧化鈦奈米粒子粉體、二氧化鈦奈米球粉體及二氧化鈦奈米管粉體分別與該溶劑混合為勻相，而形成一粒形鍍液、一球形鍍液及一管形鍍液；分別由該粒形鍍液、球形鍍液及管形鍍液成形一緻密層、一散射層及一載子傳遞層，並將厚度為3~6微米之該緻密層、厚度為8~11微米之散射層及厚度為5~8微米之載子傳遞層堆疊於一基板上，以構成光電極。
其中，該多孔基質為聚乙二醇。且，該聚乙二醇之重量百分比係為二氧化鈦奈米粒子粉體、二氧化鈦奈米球粉體或二氧化鈦奈米管粉體之其一的40%。
其中，該粒徑15~20nm之二氧化鈦奈米粒子粉體、
直徑200~500nm之二氧化鈦奈米球粉體及管長300~800nm之二氧化鈦奈米管粉體皆係以水熱法各別製成。
其中，該緻密層、散射層及載子傳遞層係以刮刀成膜法堆疊於該基板上。
為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：請一併參照第1及2圖所示，其係為本發明一較佳實施例，該染料敏化太陽能電池係包含一負極導電板1、一正極導電板2、一光電極3及一電解材4，該光電極3設於該負極導電板1及正極導電板2之間，該電解材4則設於該光電極3與正極導電板2之間。
該負極導電板1可以為一般玻璃基板、可撓基板或鍍有透明導電膜之薄膜基板，如本實施例之負極導電板1係為鍍有氧化氟錫〔fluorine-doped tin oxide,FTO〕之薄膜基板。此乃本領域技術人員視需求可任意更換，且非本案主要技術特徵所在，故不以此為限亦不再多加贅述。
該正極導電板2相對該負極導電板1設置，且該正極導電板2亦為一般玻璃基板、可撓基板或鍍有透明導電膜之薄膜基板，以能供電子傳遞為較佳原則。同樣係屬本領域技術人員可輕易理解並替換，亦非本案主要技術特徵所在，容不再多加贅述。惟，該正極導電板2相對該負極導電板1之一表面係可另貼附有一催化層21，該催化層21
係位於該正極導電板2與電解材4之間，以加速該電解材4進行氧化-還原反應，本實施例之催化層21較佳係為由白金奈米顆粒所堆疊而成的一膜層。
該光電極3可以為半導體材所製成，並用以吸附一染料D，該染料D為釕金屬化合物，以當光源經該光電極3產生散射時，能致使該染料D吸收光子而躍遷為電子激發態為佳。本實施例之光電極3係選擇由三種不同態樣之二氧化鈦構置而成，以致使該光電極3具有相堆疊的一緻密層31、一散射層32及一載子傳遞層33，且各層間之相堆疊次序並不需加以限制。例如，該光電極3可以選擇如第1圖所示，依序由該緻密層31、散射層32及載子傳遞層33堆疊所構成，且該緻密層31設於該負極導電基板1上；或者，該光電極3亦可以選擇如第2圖所示，依序由該緻密層31、載子傳遞層33及散射層32堆疊所構成，且該緻密層31同樣設於該負極導電基板1上。藉此，以能透過各層間的型態差異而致使該染料敏化太陽能電池之光電轉換效率獲得提升為主要原則，容於下輔以實驗證明之。
承上所述，該緻密層31係由粒徑為15~20nm之二氧化鈦奈米粒子所構成，以由二氧化鈦奈米粒子的緊密排列致使該緻密層31內僅存在有微細間隙，而可防止暗電流產生，且該緻密層31之厚度可以為3~6微米；該散射層32係由直徑為200~500nm之二氧化鈦奈米球所構成，以由二氧化鈦奈米球增進與光源的接觸面積，進而致使該散射層32可充份吸收太陽光而產生光散射效果，且該散射層32之厚度可以為8~11微米；該載子傳遞層33係由管長為
300~800nm之二氧化鈦奈米管所構成，以由二氧化鈦奈米管交錯成的無數隙縫及本身管形的一維態樣，致使該載子傳遞層33不僅可提升其滲透性更可助於電子傳遞，且該載子傳遞層33之厚度可以為5~8微米。
續之，請再閱第1及2圖所示，該電解材4乃為本領域人員所知悉之液態電解液或膠態電解液，並可以為碘離子及碘錯離子所組成之常用電解質，其非本案主要技術特徵所在，故不在此作限制亦不再多加贅述。
如此，當本發明染料敏化太陽能電池於實際使用，透過吸附於該光電極3上的染料D吸收光子能量時，不僅可仰賴該光電極3之散射層32致使光源產生較佳光散射效果，而迫使該染料D充分吸收光子能量，以進一步誘發染料D分子由基態躍遷為激發態；再者，當該染料D呈激發態而欲傳送電子時，更可藉由該光電極3之載子傳遞層33加速電子的傳送，以能快速將電子注入該光電極3之導電帶，致使該光電極3充份帶電；並在電子通過該光電極3之緻密層31，以順勢朝向該負極導電基板1流動後，則可藉由該緻密層31迫使電子不致反向注入該電解材4中，以避免暗電流之產生；最終當電子通過外部迴路並隨之導至該正極導電基板2時便可成一循環而產生光電流，同時該染料D亦可由該電解材4補償所失去之電子而重新轉變為基態，再次重複進行如前所述之光致電原理。
為了證實本發明染料敏化太陽能電池之光電極確實可具有如上所述之功效，本發明係選擇對設置有該光電極之染料敏化太陽能電池作光電轉換效率之測試，並藉由下
述方法製作而成，依序說明如下。
該染料敏化太陽能電池之光電極製作方法，係先分別混合粒徑為15~20nm之二氧化鈦奈米粒子粉體、直徑為200~500nm之二氧化鈦奈米球粉體及管長為300~800nm之二氧化鈦奈米管粉體於一溶劑中，並添加一多孔基質，以致使二氧化鈦奈米粒子粉體、二氧化鈦奈米球粉體及二氧化鈦奈米管粉體分別與該溶劑混合為勻相，而形成一粒形鍍液、一球形鍍液及一管形鍍液；再分別由該粒形鍍液、球形鍍液及管形鍍液成形一緻密層、一散射層及一載子傳遞層；並將該緻密層、散射層及載子傳遞層堆疊於一基板上，以構成光電極。特別地，該緻密層、散射層、載子傳遞層的堆疊順序係可視情況作更替，較佳係依序以該粒形鍍液、管形鍍液、球形鍍液披覆該基板，並經煅燒、烘烤後，以在該基板上順序層疊成形該緻密層、載子傳遞層及散射層，以提升光電子的傳導效率。
其中，該多孔基質可以為聚乙二醇〔polyethylene glycol,PEG〕…等，以能透過該多孔基質降低粉粒子間的團聚現象，進而增加製成之鍍液成膜性、附著性，更致使鍍液經燒結後成為多孔膜層結構，而能充分吸附染料於其中為較佳者。
舉例而言，本實施例係以水熱法各別製成粒徑為15~20nm之二氧化鈦奈米粒子粉體〔如第3A圖所示，以下稱〝NP20〞〕、直徑為200~500nm之二氧化鈦奈米球粉體〔如第3B圖所示，以下稱〝NS〞〕，以及管長為300~800nm之二氧化鈦奈米管粉體〔如第3C圖所示，以
下稱〝NT〞〕；再取NP20、NS及NT三種不同型態之二氧化鈦粉體各約1.3克，以加入約8.7毫升二次水中，進行30分鐘攪拌後，遂可加入約0.52克〔相當於二氧化鈦粉體重量百分比之40%〕的PEG，充分攪拌24小時，直至NP20、NS及NT三種不同型態之二氧化鈦粉體皆成勻相，以獲得該粒形鍍液、球形鍍液及管形鍍液。
如此一來，依據所需堆疊層的順序不同，便可以再接續利用刮刀成膜法操作以下各實施例所述之過程，以在工作面積為0.25cm2
下構成本發明所述光電極，說明如下。
(實施例一：NP20/NS/NT)
選擇將該粒形鍍液〔即含NP20〕塗佈於鍍有氧化氟錫之基板上，以經80℃以下乾燥30分鐘後，再置於一煅燒爐內，控制該煅燒爐之升溫速率為10℃/min，以持續加熱至450℃並持溫30分鐘，待冷卻至室溫而可再基板表面成形厚度約4.8微米的一NP20底層〔即本文所述之緻密層31，其表面型態如第4A圖〕；續將該球形鍍液〔即含NS〕塗佈覆蓋於該NP20底層之上，以在室溫下乾燥後，再利用階段性煅燒，控制該煅燒爐之升溫速率為5℃/min，以依序在100℃持溫15分鐘、150℃持溫15分鐘、450℃持溫30分鐘，同樣待冷卻至室溫而可在該NP20底層上成形厚度約6.0微米的一NS層〔即本文所述之散射層32，其表面型態如第4B圖〕；最後將該管形鍍液〔即含NT〕塗佈覆蓋於該NS層之上，以利前述相同手段，再經階段性煅燒並冷卻後，便可於該NS層上成形厚度約9.6微米的一NT層〔即本文所述之載子傳遞層33，其表面型態如第4C
圖〕。藉此，該基板上則可堆疊有如第5圖之NP20/NS/NT所構成之光電極，且該光電極整體厚度約為20.4微米。
(實施例二：NP20/NT/NS)
仿照如實施例一所述之製作方法，更替各層的堆疊次序，以依序在該基板上製作出由NP20/NT/NS堆疊所構成之光電極，容不再重複贅述。
(實施例三：NT/NP20/NS)
仿照如實施例一所述之製作方法，更替各層的堆疊次序，以依序在該基板上製作出由NT/NP20/NS堆疊所構成之光電極，容不再重複贅述。
除前述NP20/NS/NT、NP20/NT/NS及NT/NP20/NS三種實施例之外，本發明還另以相同方法製作成NP20/NS、NP20/NT等雙層光電極，以及NP20單層光電極，藉此作為比較例與上述各實施例比較之。
以上，透過水熱法製作具不同型態二氧化鈦粉體的詳細流程乃為本領域技術人員可加以變化，僅需以能製作出15~20nm之二氧化鈦奈米粒子粉體、直徑為200~500nm之二氧化鈦奈米球粉體及管長為300~800nm之二氧化鈦奈米管粉體為主要原則，以下僅簡述本發明之水熱製法供參考，並不需以此為限制。
(NP20：粒徑15~20nm)
取約54毫升的0.1M硝酸水溶液混合9毫升的異丙氧基鈦〔titanium isopropoxide〕，經劇烈攪拌30分鐘，隨即升溫至85~90℃，以持續攪拌並持溫8小時；接著將混合液冷卻至室溫，以再經220℃高溫持續進行12小時之水熱
反應，最後經冷卻、烘乾而得第3A圖所示之NP20奈米顆粒，其粒徑約為15~18nm。
(NT：管長300~800nm)
取前述NP20奈米顆粒與氫氧化鈉固體〔二者重量比為1：12〕，加入去離子水〔30毫升/克的奈米顆粒〕中，持續攪拌並於110℃進行加熱迴流約48小時；冷卻後進行酸洗，直至混合水溶液成酸性並有部份固體粉末沉澱，持續浸泡後在以去離子水清洗至混合水溶液呈中性，再予以冷卻、烘乾，且以450℃之高溫煅燒30分鐘後，即可獲得結晶型態為銳鈦礦的二氧化鈦奈米管，即如第3C圖所示之NT奈米管，其管長約為400~800nm，且具單層管壁，外管徑約為16.0nm，內管徑則約為6.0nm。
(NS：直徑200~500nm)
取0.4毫升的0.1M氯化鉀水溶液混合100毫升酒精，並於其中加入2.5毫升之異丙氧基鈦，並且藉由觸媒來控制異丙氧基鈦的水解效率，持續室溫攪拌10分鐘並靜置24小時，以停止晶粒老化而產生白色沉澱物之後，即可隨之經清洗、冷卻、烘乾而得第3B圖所示之NS奈米球，其粒徑約為135~243nm。
為了證明以上各實施例之光電極所製成染料敏化太陽能電池可以具有不同之光電轉換效率，本發明遂依本領域人員所知悉之方法製出含不同光電極之染料敏化太陽能電池，製作染料敏化太陽能電池之方法可為本領域具有通常知識者可理解，容不再此詳加贅述之。
請參閱表一所示，其係為使用太陽光模擬器照射前述
由NP20、NP20/NS、NP20/NT、P20/NS/NT、NP20/NT/NS及NT/NP20/NS等光電極各自構成之染料敏化太陽能電池，且使用電流-電壓產生器量測各電池之電流-電壓並予以數據化之比較表。其中，該太陽光模擬器的光照強度為100mW/cm2
(即1 sun)。
由表一得知，含NP20光電極之染料敏化太陽能電池，其光電轉換效率僅為4.58%；含NP20/NS或NP20/NT光電極之染料敏化太陽能電池，其光電轉換效率亦僅能達5.06%~5.96%；反觀本發明，以NP20/NS/NT、NP20/NT/NS及NT/NP20/NS等具三層膜之光電極所製成之染料敏化太陽能電池，其光電轉換效率皆可達到6.57%以上，且利用NP20/NS/NT為光電極還能致使染料敏化太陽能電池之光電轉化效率再提升至7.83%，甚至利用NP20/NT/NS為光電極時，其製成之染料敏化太陽能電池更可以具有相當於8.53%的較佳光電轉化效率。
據上所述，本發明染料敏化太陽能電池當然可藉由該光電極同時達到增進光源使用率、提升載子遷移率及降低暗電流產生等功效，以致使該染料敏化太陽能電池在光電轉化效率上獲得顯著性的提升。此外，本發明染料敏化太陽能電池之光電極製作方法，係能夠以水熱法連續製出具有各種不同型態之二氧化鈦粉體，以便接續製成由三種型態二氧化鈦所堆疊之光電極，不僅相對降低工時及成本，更以簡化製程而可達到作連續量產之功效；甚至，藉由製作過程的該多孔基質之添加，更能夠使鍍液具有較佳成膜性、附著性，進而增進膜間契合度，並致使染料可充分吸附於呈多孔特性之各膜間，以維持光電極之成形品質，並達到提升光電轉換效率之功效。
雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，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之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，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。
〔本發明〕
1‧‧‧負極導電板
2‧‧‧正極導電板
21‧‧‧催化層
3‧‧‧光電極
31‧‧‧緻密層
32‧‧‧散射層
33‧‧‧載子傳遞層
4‧‧‧電解材
D‧‧‧染料
第1圖：本發明染料敏化太陽能電池之結構示意圖。
第2圖：本發明染料敏化太陽能電池之另一結構示意圖。
第3A~3C圖：本發明製成不同型態二氧化鈦之影像示意圖。
第4A~4C圖：本發明成形光電極之各膜層的表面型態
影像示意圖。
第5圖：本發明光電極之斷面型態影像示意圖。
1‧‧‧負極導電板
2‧‧‧正極導電板
21‧‧‧催化層
3‧‧‧光電極
31‧‧‧緻密層
32‧‧‧散射層
33‧‧‧載子傳遞層
4‧‧‧電解材
D‧‧‧染料
Claims (11)
- 一種染料敏化太陽能電池，係包含：一負極導電基板；一正極導電基板；一光電極，設於該負極導電基板與正極導電基板之間，並用以吸附一染料，該光電極具有相堆疊的一緻密層、一散射層及一載子傳遞層，該緻密層係由粒徑為15~20nm之二氧化鈦奈米粒子所構成，且該光電極之緻密層厚度為3~6微米，該散射層係由直徑為200~500nm之二氧化鈦奈米球所構成，且該光電極之散射層厚度為8~11微米，該載子傳遞層係由管長為300~800nm之二氧化鈦奈米管所構成，且該光電極之載子傳遞層厚度為5~8微米；及一電解材，設於該光電極與正極導電基板之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池，其中，該光電極係依序由該緻密層、散射層及載子傳遞層堆疊所構成，且該緻密層設於該負極導電基板上。
- 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池，其中，該光電極係依序由該緻密層、載子傳遞層及散射層堆疊所構成，且該緻密層設於該負極導電基板上。
- 一種染料敏化太陽能電池之光電極，該光電極包含相堆疊的一緻密層、一散射層及一載子傳遞層，該緻密層係由粒徑為15~20nm之二氧化鈦奈米粒子所構成，且該光電極之緻密層厚度為3~6微米，該散射層係由直徑 為200~500nm之二氧化鈦奈米球所構成，且該光電極之散射層厚度為8~11微米，該載子傳遞層係由管長為300~800nm之二氧化鈦奈米管所構成，且該光電極之載子傳遞層厚度為5~8微米。
- 如申請專利範圍第4項所述之染料敏化太陽能電池之光電極，其中，該光電極係依序由該緻密層、散射層及載子傳遞層堆疊所構成。
- 如申請專利範圍第4項所述之染料敏化太陽能電池之光電極，其中，該光電極係依序由該緻密層、載子傳遞層及散射層堆疊所構成。
- 一種染料敏化太陽能電池之光電極製作方法，係包含：分別混合粒徑15~20nm之二氧化鈦奈米粒子粉體、直徑200~500nm之二氧化鈦奈米球粉體及管長300~800nm之二氧化鈦奈米管粉體於一溶劑中，並添加一多孔基質，致使二氧化鈦奈米粒子粉體、二氧化鈦奈米球粉體及二氧化鈦奈米管粉體分別與該溶劑混合為勻相，而形成一粒形鍍液、一球形鍍液及一管形鍍液；分別由該粒形鍍液、球形鍍液及管形鍍液成形一緻密層、一散射層及一載子傳遞層，並將厚度為3~6微米之該緻密層、厚度為8~11微米之散射層及厚度為5~8微米之載子傳遞層堆疊於一基板上，以構成光電極。
- 如申請專利範圍第7項所述之染料敏化太陽能電池之光電極製作方法，其中，該多孔基質為聚乙二醇。
- 如申請專利範圍第8項所述之染料敏化太陽能電池之光電極製作方法，其中，該聚乙二醇之重量百分比係為 二氧化鈦奈米粒子粉體、二氧化鈦奈米球粉體或二氧化鈦奈米管粉體之其一的40%。
- 如申請專利範圍第7、8或9項所述之染料敏化太陽能電池之光電極製作方法，其中，該粒徑15~20nm之二氧化鈦奈米粒子粉體、直徑200~500nm之二氧化鈦奈米球粉體及管長300~800nm之二氧化鈦奈米管粉體皆係以水熱法各別製成。
- 如申請專利範圍第7、8或9項所述之染料敏化太陽能電池之光電極製作方法，其中，該緻密層、散射層及載子傳遞層係以刮刀成膜法堆疊於該基板上。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW101131793A TWI481047B (zh) | 2012-08-31 | 2012-08-31 | 染料敏化太陽能電池、其光電極及光電極製作方法 |
| US13/684,312 US8796545B2 (en) | 2012-08-31 | 2012-11-23 | Dye-sensitized solar cell, its photoelectrode and producing method thereof |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW101131793A TWI481047B (zh) | 2012-08-31 | 2012-08-31 | 染料敏化太陽能電池、其光電極及光電極製作方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TW201409725A TW201409725A (zh) | 2014-03-01 |
| TWI481047B true TWI481047B (zh) | 2015-04-11 |
Family
ID=50185750
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| TW101131793A TWI481047B (zh) | 2012-08-31 | 2012-08-31 | 染料敏化太陽能電池、其光電極及光電極製作方法 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US8796545B2 (zh) |
| TW (1) | TWI481047B (zh) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20160225534A1 (en) * | 2010-12-16 | 2016-08-04 | National Yunlin University Of Science And Technology | Composite dye-sensitized solar cell |
| US20130327401A1 (en) * | 2010-12-16 | 2013-12-12 | National Yunlin University Of Science And Technology | Composite dye-sensitized solar cell |
| TWI722569B (zh) * | 2019-09-16 | 2021-03-21 | 國立成功大學 | 雙面受光型染料敏化太陽能電池 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005336573A (ja) * | 2004-05-28 | 2005-12-08 | Toppan Printing Co Ltd | 金属酸化物膜およびその製造方法 |
| US20070209696A1 (en) * | 2004-04-23 | 2007-09-13 | Sony Deutschland Gmbh | Method of Producing a Porous Semiconductor Film on a Substrate |
| TW200823149A (en) * | 2006-11-20 | 2008-06-01 | Iner Aec Executive Yuan | The manufacturing method of titanium dioxide slurry and the application thereof |
| TW201205925A (en) * | 2010-07-30 | 2012-02-01 | Ind Tech Res Inst | Multilayer nanostructured titanium oxide photoelectrode and manufacturing method thereof |
| CN102592838A (zh) * | 2012-03-09 | 2012-07-18 | 北京大学 | 染料敏化太阳能电池的叠层纳米半导体薄膜电极 |
| TWM436222U (en) * | 2011-12-02 | 2012-08-21 | Univ Hsiuping Sci & Tech | Dye sensitized solar working electrode and improved battery structure applying the same |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4758684B2 (ja) * | 2005-06-14 | 2011-08-31 | セイコーエプソン株式会社 | 光電変換素子および電子機器 |
| US20110030770A1 (en) | 2009-08-04 | 2011-02-10 | Molecular Imprints, Inc. | Nanostructured organic solar cells |
| TWM403755U (en) | 2010-11-05 | 2011-05-11 | Ho Chang | Multilayer nano-tio2 photoelectrode thin films for dye-sensitized solar cells |
| US10071907B2 (en) * | 2011-09-26 | 2018-09-11 | The Hong Kong Polytechnic University | Bilayer dye sensitized solar cell and fabrication method thereof |
-
2012
- 2012-08-31 TW TW101131793A patent/TWI481047B/zh not_active IP Right Cessation
- 2012-11-23 US US13/684,312 patent/US8796545B2/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20070209696A1 (en) * | 2004-04-23 | 2007-09-13 | Sony Deutschland Gmbh | Method of Producing a Porous Semiconductor Film on a Substrate |
| JP2005336573A (ja) * | 2004-05-28 | 2005-12-08 | Toppan Printing Co Ltd | 金属酸化物膜およびその製造方法 |
| TW200823149A (en) * | 2006-11-20 | 2008-06-01 | Iner Aec Executive Yuan | The manufacturing method of titanium dioxide slurry and the application thereof |
| TW201205925A (en) * | 2010-07-30 | 2012-02-01 | Ind Tech Res Inst | Multilayer nanostructured titanium oxide photoelectrode and manufacturing method thereof |
| TWM436222U (en) * | 2011-12-02 | 2012-08-21 | Univ Hsiuping Sci & Tech | Dye sensitized solar working electrode and improved battery structure applying the same |
| CN102592838A (zh) * | 2012-03-09 | 2012-07-18 | 北京大学 | 染料敏化太阳能电池的叠层纳米半导体薄膜电极 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US8796545B2 (en) | 2014-08-05 |
| TW201409725A (zh) | 2014-03-01 |
| US20140060637A1 (en) | 2014-03-06 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Zhang et al. | Nanostructured photoelectrodes for dye-sensitized solar cells | |
| Salam et al. | Graphene quantum dots decorated electrospun TiO2 nanofibers as an effective photoanode for dye sensitized solar cells | |
| Chen et al. | Hierarchically micro/nanostructured photoanode materials for dye-sensitized solar cells | |
| Zhang et al. | Applications of light scattering in dye-sensitized solar cells | |
| Fan et al. | Dye-sensitized solar cells based on TiO2 nanoparticles/nanobelts double-layered film with improved photovoltaic performance | |
| JP5389372B2 (ja) | 中空球状の金属酸化物ナノ粒子を含む色素増感太陽電池用の光電極及びその製造方法 | |
| Bakhshayesh et al. | Improved efficiency of dye-sensitized solar cells aided by corn-like TiO2 nanowires as the light scattering layer | |
| Qadir et al. | Composite multi-functional over layer: A novel design to improve the photovoltaic performance of DSSC | |
| Liu et al. | Anatase TiO2 hollow spheres with small dimension fabricated via a simple preparation method for dye-sensitized solar cells with an ionic liquid electrolyte | |
| Jalali et al. | Enhanced dye loading-light harvesting TiO2 photoanode with screen printed nanorod-nanoparticles assembly for highly efficient solar cell | |
| Zhou et al. | Photoanodes with mesoporous TiO2 beads and nanoparticles for enhanced performance of CdS/CdSe quantum dot co-sensitized solar cells | |
| Kumari et al. | Highly efficient plasmonic dye-sensitized solar cells with silver nanowires and TiO2 nanofibres incorporated multi-layered photoanode | |
| Zhao et al. | TiO2 hollow spheres as light scattering centers in TiO2 photoanodes for dye-sensitized solar cells: the effect of sphere diameter | |
| Cui et al. | Preparation of anatase TiO2 microspheres with high exposure (001) facets as the light-scattering layer for improving performance of dye-sensitized solar cells | |
| Xie et al. | One-step synthesis of hierarchical SnO2/TiO2 composite hollow microspheres as an efficient scattering layer for dye-sensitized solar cells | |
| Pan et al. | TiO2-B nanobelt/anatase TiO2 nanoparticle heterophase nanostructure fabricated by layer-by-layer assembly for high-efficiency dye-sensitized solar cells | |
| Sun et al. | Mixed P25 nanoparticles and large rutile particles as a top scattering layer to enhance performance of nanocrystalline TiO2 based dye-sensitized solar cells | |
| Cui et al. | A comparative study on the quantum-dot-sensitized, dye-sensitized and co-sensitized solar cells based on hollow spheres embedded porous TiO2 photoanodes | |
| Li et al. | Enhancing efficiency of dye-sensitized solar cells by combining use of TiO2 nanotubes and nanoparticles | |
| Li et al. | Nanostructured SnO 2 photoanode-based dye-sensitized solar cells | |
| Baraton | Nano-TiO2 for dye-sensitized solar cells | |
| Mojaddami et al. | Efficient dye-sensitized solar cells based on TiO2 nanoparticles and skein-like nanotubes: effect of arrangement modes of the layers and TiCl4 treatment | |
| Shao et al. | Electrophoretic deposition of TiO 2 nanorods for low-temperature dye-sensitized solar cells | |
| Jalali et al. | TiO 2 surface nanostructuring for improved dye loading and light scattering in double-layered screen-printed dye-sensitized solar cells | |
| Zhu et al. | Enhanced photovoltaic performance of dye-sensitized solar cells (DSSCs) using graphdiyne-doped TiO 2 photoanode |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | Annulment or lapse of patent due to non-payment of fees |