TWI544651B - Dye-sensitized solar cells - Google Patents

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Si-Hua Yang
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Description

染料敏化太陽能電池
本發明是關於一種染料敏化太陽能電池，尤其是一種染料敏化太陽能電池，其利用石墨烯透明導電膜取代先前技術之透明電極膜及觸媒反向電極。
圖1為習知染料敏化太陽能電池10的剖面示意圖。習知染料敏化太陽能電池10為一光電化學的太陽能電池，其包含有兩玻璃基材11、12、兩透明電極膜13、14、一觸媒反向電極15、一工作電極16、光敏性染料17、電解質18及一封裝材料19。該染料敏化太陽能電池10藉由在各自黏附透明電極膜13、14之玻璃基材11、12間充填具有吸附光敏性染料17之工作電極16與電解質18。該透明電極膜13、14為銻錫氧化物(Antimony Tin Oxide；ATO)、銦錫氧化物(Indium Tin Oxide；ITO)或摻雜氟錫氧化物(Fluorine-doped Tin Oxide；FTO)所製，並形成在玻璃基材11、12上。
該染料敏化太陽能電池10為一作用相似於植物中光合成機制的電池，其為光敏性染料17、單結構的二氧化鈦電極之工作電極16、電解質18及觸媒反向電極15所組成的太陽能電池。該染料敏化太陽能電池10未使用如現有的矽太陽能電池或薄膜太陽能電池之p型n型共軛半導體，且另以藉由光電化學原理產生電，其具有高理論效率，且其為環境有善，故預期為未來綠能的最適太陽能電池。
在該染料敏化太陽能電池10中，當外部光20入射至光敏性染料17時，光敏性染料17吸收光能而自基態躍遷為激發態，此時呈激發態之光敏性染料17所負載的電子較不穩定，而容易為該工作電極16(即二氧化鈦)吸引，進而 注入其中，使該工作電極16帶有電子，並藉由外部迴路將電子傳遞至觸媒反向電極15，遂因此產生電流。同時，該光敏性染料17因為失去電子而轉為帶正電的離子態，以藉由在電解質18補充電子回到原始基態，如此使能量轉移程序持續進行。
然而，該染料敏化太陽能電池之透明電極膜為銻錫氧化物(ATO)、銦錫氧化物(ITO)或摻雜氟錫氧化物(FTO)所製，而銦錫氧化物(ITO)具有銦(In)的產量稀少且價格昂貴的缺點，且銻錫氧化物(ATO)、銦錫氧化物(ITO)或摻雜氟錫氧化物(FTO)在紅外光區具有光透性不佳及化學穩定性不佳等缺點。先前技術使用ATO、ITO或FTO作為透明電極膜，除了成本很高之外，習知透明電極膜無法在全光譜穿透，在可見光後的紅外線具有很低的穿透的特性，造成許多光電流的損失。
因此，便有需要提供一種染料敏化太陽能電池，以解決前述的問題。
本發明的目的在於提供一種染料敏化太陽能電池，其利用石墨烯透明導電膜取代先前技術之透明電極膜及觸媒反向電極。
為達成上述目的，本發明提供一種染料敏化太陽能電池，其包含：一第一透明基板；一基板，其為一第二透明基板或一金屬基板；一石墨烯透明導電膜，形成於該第一透明基板下方；一工作電極，形成於該石墨烯透明導電膜下方；一石墨烯透明電極，形成於該基板上方；以及一光敏化劑及一電解質，充填於該工作電極與該石墨烯透明電極之間。
本發明之染料敏化太陽能電池利用石墨烯透明導電膜取代先前技術使用銻錫氧化物(ATO)、銦錫氧化物 (ITO)或摻雜氟錫氧化物(FTO)所製之透明電極膜，石墨烯透明電極取代昂貴金屬(如鉑、金或鈦)所製之觸媒反向電極，可增加光的穿透度及光子的吸收數，有效提升20%以上輸出的短路電流，進而提升光電轉換效率。
為了讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯，下文將配合所附圖示，作詳細說明如下。
10‧‧‧染料敏化太陽能電池
11‧‧‧玻璃基材
12‧‧‧玻璃基材
13‧‧‧透明電極膜
14‧‧‧透明電極膜
15‧‧‧觸媒反向電極
16‧‧‧工作電極
17‧‧‧光敏性染料
18‧‧‧電解質
19‧‧‧封裝材料
20‧‧‧外部光
100‧‧‧染料敏化太陽能電池
101‧‧‧第一透明基板
102‧‧‧石墨烯透明導電膜
103‧‧‧工作電極
104‧‧‧光敏化劑
105‧‧‧電解質
106‧‧‧石墨烯透明電極
107‧‧‧第二透明基板
200‧‧‧染料敏化太陽能電池
201‧‧‧第一透明基板
202‧‧‧石墨烯透明導電膜
203‧‧‧工作電極
204‧‧‧光敏化劑
205‧‧‧電解質
206‧‧‧石墨烯透明電極
207‧‧‧金屬基板
300‧‧‧染料敏化太陽能電池
301‧‧‧第一透明基板
302‧‧‧石墨烯透明導電膜
303‧‧‧工作電極
304‧‧‧光敏化劑
305‧‧‧電解質
306‧‧‧第一石墨烯透明電極
307‧‧‧第二透明基板
308‧‧‧第二石墨烯透明電極
3081‧‧‧電極部
3082‧‧‧電極部
3083‧‧‧電極部
3084‧‧‧電極部
圖1為習知染料敏化太陽能電池之剖面示意圖。
圖2為本發明之第一實施例之染料敏化太陽能電池之剖面示意圖。
圖3為本發明之第二實施例之染料敏化太陽能電池之剖面示意圖。
圖4為本發明之第三實施例之染料敏化太陽能電池之剖面示意圖。
圖5為本發明之第三實施例之染料敏化太陽能電池之第二石墨烯透明電極之放大立體示意圖。
為了讓本發明之上述及其他目的、特徵、優點能更明顯易懂，下文將特舉本發明較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。再者，本發明所提到的方向用語，例如「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「內」、「外」或「側面」等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用以說明及理解本發明，而非用以限制本發明。
圖2為本發明之第一實施例之染料敏化太陽能電池100之剖面示意圖。該染料敏化太陽能電池100包含一 第一透明基板101、一石墨烯透明導電膜102、一工作電極103、一光敏化劑104(亦即光敏性染料)、一電解質105、一石墨烯透明電極106及一第二透明基板107。
在本實施例中，以外部光20前進方向為由上至下說明如後。該石墨烯透明導電膜102形成於該第一透明基板101下方。該石墨烯透明電極106形成於該二透明基板107上方。該石墨烯透明導電膜102及石墨烯透明電極106是以真空狀態下操作頻率高於40.68MHz的電漿輔助化學氣相沉積而製備。該石墨烯透明電極106之晶粒尺寸需大於500μm。該工作電極103形成於該石墨烯透明導電膜102下方。然後，該光敏化劑104及電解質105充填於該工作電極103與該石墨烯透明電極106之間。最後，藉由一封裝材(圖未示)，將該第一透明基板101、石墨烯透明導電膜102、工作電極103、光敏化劑104、電解質105、石墨烯透明電極106及第二透明基板107封裝以完成本發明之染料敏化太陽能電池100。
該第一透明基板101針對波長從400nm至1800nm之光具有百分之90以上的穿透度。該石墨烯透明導電膜102針對波長從400nm至900nm之光具有百分之95以上的穿透度與低於30Ω/□的片電阻。該工作電極103具有吸附光敏化劑104之奈米顆粒TiO2、奈米顆粒ZnO、奈米顆粒Nb2O5、奈米顆粒WO3、奈米顆粒SnO2或奈米顆粒ZrO2。該光敏化劑104可為有機金屬錯合物染料或有機化合物染料。該電解質105可為固態電解質、擬固態電解質或液態電解質。該石墨烯透明電極106針對波長從400nm至900nm之光具有百分之95以上的穿透度與高於20000cm2V-1s-1的載子移動速率。該第二透明基板107針對波長從400nm至1800nm之光具有百分之90以上的穿透度。
在該染料敏化太陽能電池100中，當外部光20入射至該光敏化劑104時，該光敏化劑104吸收光能而自基 態躍遷為激發態，此時呈激發態之光敏化劑104所負載的電子較不穩定，而容易為該工作電極103吸引，進而注入其中，使該工作電極103帶有電子，並藉由外部迴路將電子傳遞至該石墨烯透明電極106，遂因此產生電流。同時，該光敏化劑104因為失去電子而轉為帶正電的離子態，以藉由在該電解質105補充電子回到原始基態，如此使能量轉移程序持續進行。
圖3為本發明之第二實施例之染料敏化太陽能 電池200之剖面示意圖。第二實施例之染料敏化太陽能電池200大體上類似於第一實施例之染料敏化太陽能電池100，其中類似元件標示類似標號。第二與第一實施例之染料敏化太陽能電池200、100的差異為：金屬基板207取代第二透明基板107。
該染料敏化太陽能電池200包含一第一透明基 板201、一石墨烯透明導電膜202、一工作電極203、一光敏化劑204、一電解質205、一石墨烯透明電極206及一金屬基板207。該金屬基板207可為含有鈀、銀、鋁、鉑、金或鈦層之基板，用以增加該石墨烯透明電極206之附著性，並使外部光20在該染料敏化太陽能電池200內反射，以增加光利用率。
圖4為本發明之第三實施例之染料敏化太陽能 電池300之剖面示意圖。第三實施例之染料敏化太陽能電池300大體上類似於第一實施例之染料敏化太陽能電池100，其中類似元件標示類似標號。第三與第一實施例之染料敏化太陽能電池300、100的差異為：該染料敏化太陽能電池300更包含第二石墨烯透明電極308。
該染料敏化太陽能電池300包含一第一透明基 板301、一石墨烯透明導電膜302、一工作電極303、一光敏化劑304、一電解質305、一第一石墨烯透明電極306、一第二透明基板307及一第二石墨烯透明電極308。
該石墨烯透明導電膜302形成於該第一透明基板301下方。該第一石墨烯透明電極306形成於該二透明基板307上方。該工作電極303形成於該石墨烯透明導電膜302下方。該第二石墨烯透明電極308形成於該工作電極303之表面。該石墨烯透明導電膜302、該第一石墨烯透明電極306及該第二石墨烯透明電極308是以真空狀態下操作頻率高於40.68MHz的電漿輔助化學氣相沉積而製備。該第一石墨烯透明電極306及該第二石墨烯透明電極308之晶粒尺寸需大於500μm。然後，該光敏化劑304及電解質305充填於該工作電極303與該第一石墨烯透明電極306之間。最後，藉由一封裝材(圖未示)，將該第一透明基板301、石墨烯透明導電膜302、工作電極303、光敏化劑304、電解質305、第一石墨烯透明電極306、第二透明基板307及第二石墨烯透明電極308封裝以完成本發明之染料敏化太陽能電池300。在另一實施例中，亦可將一金屬基板取代第二透明基板307，以達成類似於第二實施例的功效。
圖5為本發明之第三實施例之染料敏化太陽能電池300之第二石墨烯透明電極之放大立體示意圖。該第二石墨烯透明電極308包含多個電極部3081、3082、3083、3084，位於該工作電極303與光敏化劑304之間，用以增加該工作電極303與光敏化劑304之間導電性。
同理，在該染料敏化太陽能電池300中，當外部光20入射至該光敏化劑304時，該光敏化劑304吸收光能而自基態躍遷為激發態，此時呈激發態之光敏化劑304所負載的電子較不穩定，而容易為該工作電極303或該第二石墨烯透明電極308吸引，進而注入其中，使該工作電極303帶有電子，並藉由外部迴路將電子傳遞至該第一石墨烯透明電極306，遂因此產生電流。同時，該光敏化劑304因為失去電子而轉為帶正電的離子態，以藉由在該電解質305補充電子回到原始基態，如此使能量轉移程序持續進行。
本發明之染料敏化太陽能電池利用石墨烯透明 導電膜取代先前技術使用銻錫氧化物(ATO)、銦錫氧化物(ITO)或摻雜氟錫氧化物(FTO)所製之透明電極膜，石墨烯透明電極取代昂貴金屬(如鉑、金或鈦)所製之觸媒反向電極，可增加光的穿透度及光子的吸收數，有效提升20%以上輸出的短路電流，進而提升光電轉換效率。
綜上所述，乃僅記載本發明為呈現解決問題所 採用的技術手段之實施方式或實施例而已，並非用來限定本發明專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。
20‧‧‧外部光
100‧‧‧染料敏化太陽能電池
101‧‧‧第一透明基板
102‧‧‧石墨烯透明導電膜
103‧‧‧工作電極
104‧‧‧光敏化劑
105‧‧‧電解質
106‧‧‧石墨烯透明電極
107‧‧‧第二透明基板

Claims (10)

  1. 一種染料敏化太陽能電池，包含：一第一透明基板；一基板，其為一第二透明基板或一金屬基板；一石墨烯透明導電膜，形成於該第一透明基板下方；一工作電極，形成於該石墨烯透明導電膜下方；一第一石墨烯透明電極，形成於該基板上方；以及一光敏化劑及一電解質，充填於該工作電極與該第一石墨烯透明電極之間。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池，其中該石墨烯透明導電膜及第一石墨烯透明電極是以真空狀態下操作頻率高於40.68MHz的電漿輔助化學氣相沉積而製備。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池，其中該第一石墨烯透明電極之晶粒尺寸大於500μm。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池，其中該石墨烯透明導電膜針對波長從400nm至900nm之光具有百分之95以上的穿透度與低於30Ω/□的片電阻。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池，其中該第一石墨烯透明電極針對波長從400nm至900nm之光具有百分之95以上的穿透度與高於20000cm2V-1s-1的載子移動速率。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池，其中當該基板為該金屬基板時，該金屬基板為含有鈀、銀、鋁、鉑、金或鈦層之基板。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池，更包含：一第二石墨烯透明電極，形成於該工作電極之一表面。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之染料敏化太陽能電池，其中該第二石墨烯透明電極包含多個電極部，其位於該工作電極與該光敏化劑之間。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之染料敏化太陽能電池，其中該第二石墨烯透明電極是以真空狀態下操作頻率高於40.68MHz的電漿輔助化學氣相沉積而製備，且該第一石墨烯透明電極之晶粒尺寸大於500μm。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之染料敏化太陽能電池，其中該第二石墨烯透明電極針對波長從400nm至900nm之光具有百分之95以上的穿透度與高於20000cm2V-1s-1的載子移動速率。
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