TWI559598B - 染料敏化太陽能電池的製造方法及製造設備 - Google Patents

染料敏化太陽能電池的製造方法及製造設備 Download PDF

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蕭立成
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染料敏化太陽能電池的製造方法及製造設備
本發明係有關於一種染料敏化太陽能電池的製造方法及製造設備,特別是有關於一種利用氧化還原的方式,形成貴金屬觸媒層方法及貴金屬觸媒層之製造設備。
太陽能為眾多替代能源中備受矚目之一種,其具有分佈普遍、易於取得、永續存在及無污染的特性,目前太陽能已逐漸用以取代現有的非再生能源。
太陽能需由太陽能電池將光能轉換成電能,其利用特定物質被光照射時,產生電子-電洞對,即所謂激子(exciton),並利用電路引導產生光電流。近年來由於染料敏化太陽電池(Dye-sensitized solar cell,DSSC)具有成為低成本儲能元件之潛力,使得它的發展逐漸受到重視。傳統上DSSC的陽極(photoanode)的製作由染料吸附在奈米結晶半導體層沈積在銦錫氧化物(Indium-tin oxide,ITO)或氟錫氧化物(Fluorine-doped tin oxide,FTO)玻璃形成;陰極則是利用鍍鉑對極(counterelectrode)形成。電解質則為在適當的介質中具有碘與三碘離子之氧化還原對。
在先前技術中,鉑最常被使用為觸媒材料。然而有許多不同的方式來形成薄的鉑層,其選擇是以成本和效率 作為考量。
濺鍍方法、電化學沉積方法及熱裂解方法為目前常被使用的方法。若使用濺鍍方法,則鍍鉑電極具有好的效能但須在超高真空環境下進行。若使用電化學沉積方法,則較不適用於奈米層的沉積。若使用熱裂解方法,則在製造過程中需要高溫(大於攝氏400度),且不適用於塑膠基板。
因此,便有需要提供一種染料敏化太陽能電池的製造方法,以解決前述的問題。
本發明的目的在於提供一種利用金屬前驅物層與硼氫化鈉所產生的氧化還原反應,而得到貴金屬觸媒層的染料敏化太陽能電池的製造方法。
為達成上述目的,本發明提供一種染料敏化太陽能電池的製造方法,包括下列步驟:提供一第一基板,其表面具有一第一電極;形成複數個奈米顆粒於該第一電極上;吸附一染料於該些奈米顆粒的表面上;提供一第二基板,其表面具有一第二電極;沉積一金屬前驅物溶液於該第二電極上,而形成一金屬前驅物層,其中該金屬前驅物層包括氯化鈀(PdCl2)、氯金酸(HAuCl4)、氯鉑酸(H2PtCl6)或前述之組合;沉積一硼氫化鈉(NaBH4)溶液於該金屬前驅物層上,使該硼氫化鈉溶液結合該金屬前驅物層,而形成一貴金屬觸媒層;以及組合該第一基板及該第二基板,使該第一電極及該第二電極位在該第一基板及該第二基板之間。
上述中的染料敏化太陽能電池的製造方法,其中 該第二電極之材質包括二氧化錫、氧化鋅、氧化銦錫(indium tin oxide;ITO)、氧化銦鋅(indium zinc oxide;IZO)、氧化銻錫(antimony doped tin dioxide;ATO)、摻氟之二氧化錫(fluorine doped tin dioxide;FTO)、摻鋁之氧化鋅(aluminum doped zinc oxide;AZO)、奈米碳管、石墨烯、導電金屬或前述之組合,其中該導電金屬包括細金屬鋼線(metal mesh)或奈米銀線(AGNW)
上述中的染料敏化太陽能電池的製造方法,其中該金屬前驅物溶液包括有機溶劑、醇類、水或前述之組合,其中該醇類包括四個碳或四個碳以下之醇類。或者該醇類為異丙醇、正丙醇、正丁醇、乙醇或前述之組合。
上述中的染料敏化太陽能電池的製造方法,其中該硼氫化鈉溶液包括有機溶劑、醇類、水或前述之組合,其中該醇類包括四個碳或四個碳以下之醇類。或者該醇類包括異丙醇、正丙醇、正丁醇、乙醇或前述之組合。
上述中的染料敏化太陽能電池的製造方法,其中沉積該金屬前驅物溶液於該第二電極上之步驟更包括:對該沉積後之金屬前驅物溶液進行乾燥動作,以形成該金屬前驅物層。
上述中的染料敏化太陽能電池的製造方法,其中沉積該硼氫化鈉溶液於該金屬前驅物層上之步驟更包括:對該沉積後之硼氫化鈉溶液進行乾燥動作,以形成該貴金屬觸媒層。
上述中的染料敏化太陽能電池的製造方法,更包 括下列步驟:對該第二基板進行加熱,並加熱至攝氏60度至攝氏100度之間。
上述中的染料敏化太陽能電池的製造方法,其中 該金屬前驅物層包括氯鉑酸,該金屬前驅物層與該硼氫化鈉溶液產生氧化還原反應,而形成該貴金屬觸媒層,該貴金屬觸媒層包括鉑。
上述中的染料敏化太陽能電池的製造方法,其中 該貴金屬觸媒層可取代為有機化合物,諸如聚乙烯二羥基噻吩(3,4-polyethylenedioxythiophene;PEDOT)、聚3-己噻吩(poly(3-hexylthiophene);P3HT)、聚3-丁噻吩(poly(3-butylthiophene);P3BT)、聚噻吩(polythiophene;PTP)、聚咇咯(polypyrrole)、聚苯胺(polyaniline)、奈米碳管、石墨烯、碳六十(巴克球)、活性碳或前述之組合。
上述中的染料敏化太陽能電池的製造方法,其中 組合該第一基板及該第二基板之前更包括下列步驟:清洗該第二基板,用以去除該第二基板上之鹽類、反應生成之物質及未反應之物質。
本發明的另一目的在於提供一種在電極上形成 貴金屬觸媒層的製造設備。
為達成上述目的,本發明再提供一種貴金屬觸媒 層之製造設備,該貴金屬觸媒層為一染料敏化太陽能電池之陰極,該製造設備包括:一可調控溫度平台,用以放置該基板,以對該基板進行加熱,其中該基板之表面具有一電極;一第一噴塗頭,相對於該可調控溫度平台而設置,用以對該 電極沉積一金屬前驅物溶液,該金屬前驅物溶液包括氯化鈀(PdCl2)、氯金酸(HAuCl4)、氯鉑酸(H2PtCl6)或前述之組合,其中該金屬前驅物溶液沉積在該電極後,在該電極之表面形成一金屬前驅物層;以及一第二噴塗頭,相對於該可調控溫度平台而設置,用以對該金屬前驅物層噴塗一硼氫化鈉溶液,而形成該貴金屬觸媒層。
上述中的貴金屬觸媒層之製造設備,其中該第一噴塗頭及該第二噴塗頭為超音波噴塗頭或霧化器。
上述中的貴金屬觸媒層之製造設備,其中該金屬前驅物溶液還包括:有機溶劑、醇類、水或前述之組合。
上述中的貴金屬觸媒層之製造設備,其中該金屬前驅物為氯鉑酸,該金屬前驅物與該硼氫化鈉溶液產生氧化還原反應,而形成該貴金屬觸媒層,該貴金屬觸媒層包括鉑。
上述中的貴金屬觸媒層之製造設備,其中該可調控溫度平台對該基板加熱至攝氏60度至攝氏100度之間。
上述中的貴金屬觸媒層之製造設備,更包括一移動軸,該第一噴塗頭及該第二噴塗頭裝設於該移動軸上。
本發明的染料敏化太陽能電池的製造方法,主要是利用金屬前驅物層與硼氫化鈉所產生的氧化還原反應,而得到貴金屬觸媒層。因此可在低溫(攝氏100度以下)及非真空的環境下形成,並且從開始噴塗,到完成貴金屬觸媒層的時間,縮短至10分鐘左右,因此大幅度的降低高溫製程的耗能及耗時的缺點,增加應用塑膠基板的可行性。
本發明的貴金屬觸媒層之製造設備主要用於形 成電極上的貴金屬觸媒層。而且該貴金屬觸媒層之製造設備還具有一可調控溫度平台,利用該可調控溫度平台對第二基板加熱,可加速金屬前驅物層與硼氫化鈉的化學反應。
100‧‧‧染料敏化太陽能電池
110‧‧‧第一基板
120‧‧‧第一電極
130‧‧‧奈米顆粒
140‧‧‧染料
150‧‧‧第二基板
160‧‧‧第二電極
170‧‧‧金屬前驅物層
171‧‧‧金屬前驅物溶液
171a‧‧‧金屬前驅物
180‧‧‧貴金屬觸媒層
181‧‧‧硼氫化鈉溶液
190‧‧‧電解液
200‧‧‧製造設備
210‧‧‧第一噴塗頭
211‧‧‧溶液入口
212‧‧‧超音波振盪器
213‧‧‧溶液出口
214‧‧‧流道
215‧‧‧溶液
216‧‧‧霧氣
220‧‧‧第二噴塗頭
230‧‧‧可調控溫度平台
240‧‧‧移動軸
250‧‧‧清洗裝置
S100~S112‧‧‧步驟
圖1為本發明之一實施例之染料敏化太陽能電池的製造方法流程圖。
圖2a~圖2g為本發明之一實施例之染料敏化太陽能電池的製造方法流程剖面示意圖。
圖3為實驗例1、實驗例2及比較例的電性分析曲線圖。
圖4為本發明之一實施例之貴金屬觸媒層之製造設備示意圖。
圖5為第一噴塗頭之剖面示意圖。
圖6為本發明之另一實施例之貴金屬觸媒層之製造設備示意圖。
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」、「垂直」或「橫向」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1為本發明之一實施例之染料敏化太陽能電池的製造方法流程圖。該製造方法包括下列步驟: 步驟S100:提供第一基板。如圖2a所示,於本 實施例中,該第一基板110可為硬質材質、可撓曲的材質、透明材質、半透明材質、不透明材質。例如,第一基板110可為玻璃基板、可撓曲的透明塑膠基板或導電金屬基板,該導電金屬包含鈦金屬或不鏽鋼。在第一基板110之表面具有一第一電極120,用以提供電子流動的路徑。第一電極120可為一透明導電層,此透明導電層可包含二氧化錫、氧化鋅、氧化銦錫(indium tin oxide;ITO)、氧化銦鋅(indium zinc oxide;IZO)、氧化銻錫(antimony doped tin dioxide;ATO)、摻氟之二氧化錫(fluorine doped tin dioxide;FTO)、摻鋁之氧化鋅(aluminum doped zinc oxide;AZO)或前述之組合。此外,在本實施例中,第一電極120作為陽極。若以導電金屬基板作為第一基板110之材料,則第一基板110可視為已包含第一電極120,其表面不須具有透明導電層。
步驟S102:形成複數個奈米顆粒於第一電極 上。如圖2b所示,於本實施例中,該些奈米顆粒130可為由網印或刮刀塗佈於第一電極120上。該些奈米顆粒130可為金屬氧化物半導體,較佳可為n型(n-type)半導體,例如:二氧化鈦(TiO2)、二氧化錫(SnO2)、氧化鋅(ZnO)、三氧化鎢(WO3)、五氧化二鈮(Nb2O5)、鈦酸鍶(SrTiO3)或其他任何能與染料有較佳之匹配電位的半導體氧化物。在本實施例中,較佳選用二氧化鈦。接著,將塗佈於第一電極120上之奈米顆粒130進行鍛燒,以形成堆疊之奈米顆粒130於第一電極120表面上。
步驟S104:吸附染料於該些奈米顆粒的表面 上。如圖2c所示,於本實施例中,吸附染料140於奈米顆粒130的表面上,以吸收太陽光轉換成電能。該染料140可以是包含紫質(porphyrin)系列或有機釕金屬系列的有機金屬錯合物(organic metal complex)染料,或包含香豆素(coumarin)系列、花青(cyanine)系列或羅丹明(Rhodamine)、苝(perylene)、吲哚啉(indoline)等的有機染料。值得注意的是,本領域相關技藝人士可依照染料140與奈米顆粒130間的吸附能力或氧化還原電位來選用合適的染料140。因此,上述染料140的種類僅為了說明本發明具體實例方式,並不用以限制本發明。
步驟S106:提供第二基板。如圖2d所示,於本 實施例中,該第二基板150可為硬質材質、可撓曲的材質、透明材質、半透明材質。例如,第二基板150可為玻璃基板或可撓曲的透明塑膠基板。在第二基板150之表面具有一第二電極160,用以提供電子流動的路徑。第二電極160可為一透明導電層,此透明導電層可包含二氧化錫、氧化鋅、氧化銦錫(indium tin oxide;ITO)、氧化銦鋅(indium zinc oxide;IZO)、氧化銻錫(antimony doped tin dioxide;ATO)、摻氟之二氧化錫(fluorine doped tin dioxide;FTO)、摻鋁之氧化鋅(aluminum doped zinc oxide;AZO)、奈米碳管、石墨烯或前述之組合,該第二電極160也可為一非透明導電層,例如導電金屬。該導電金屬包括細金屬鋼線(metal mesh)或奈米銀線(AGNW)。此外,在本實施例中,該第二電極160作為陰極。
步驟S108:沉積金屬前驅物溶液於第二電極 上。如圖2e所示,於本實施例中,該金屬前驅物溶液171包括有機溶劑、醇類、水或前述之組合。該醇類可為四個碳或四個碳以下之醇類。或者該醇類包括異丙醇、正丙醇、正丁醇、乙醇或前述之組合。該金屬前驅物171a包括氯化鈀(PdCl2)、氯金酸(HAuCl4)、氯鉑酸(H2PtCl6)或前述之組合。 在本實施例中,該金屬前驅物171a為氯鉑酸(H2PtCl6)。當金屬前驅物溶液171沉積於第二電極160上後,對該第二基板150進行加熱以進行乾燥動作,加熱的溫度可加熱至攝氏60度至攝氏100度之間,使該金屬前驅物溶液171乾燥化,而形成金屬前驅物層170。該金屬前驅物層170也可包括氯化鈀、氯金酸、氯鉑酸或前述之組合。
步驟S110:沉積硼氫化鈉溶液於金屬前驅物層 上。如圖2f所示,於本實施例中,可利用噴塗的方式,沉積硼氫化鈉(NaBH4)溶液181於該金屬前驅物層170上,使該硼氫化鈉溶液181結合該金屬前驅物層170,而形成一貴金屬觸媒層180。該硼氫化鈉溶液181包括有機溶劑、醇類、水或前述之組合。該醇類可為四個碳或四個碳以下之醇類。或者該醇類包括異丙醇、正丙醇、正丁醇、乙醇或前述之組合。該硼氫化鈉溶液181會與該金屬前驅物層170會產生氧化還原反應,而形成該貴金屬觸媒層180。例如,該金屬前驅物層170包括氯鉑酸,該金屬前驅物層170與該硼氫化鈉產生氧化還原反應的化學反應式如下:氧化還原反應:PtCl6 2-+4e-→Pt+6Cl- BH4 -+3H2O+4e-→BO3 3-+2H2+6H+總反應式:PtCl6 2-+BH4 -+3H2O→Pt+BO3 3-+6Cl-+2H2+6H+
經由上述的反應後,對該沉積後之硼氫化鈉溶液181進行乾燥動作,以形成該貴金屬觸媒層180。
之後,清洗該第二基板150,用以去除該第二基板150上之鹽類、反應生成之物質及未反應之物質。
另外,該貴金屬觸媒層可取代為機化合物,諸如聚乙烯二羥基噻吩(3,4-polyethylenedioxythiophene;PEDOT)、聚3-己噻吩(poly(3-hexylthiophene);P3HT)、聚3-丁噻吩(poly(3-butylthiophene);P3BT)、聚噻吩(polythiophene;PTP)、聚咇咯(polypyrrole)、聚苯胺(polyaniline)、奈米碳管、石墨烯、碳六十(巴克球)、活性碳或前述之組合。
步驟S112:組合第一基板及第二基板。如圖2g所示,於本實施例中,利用沙林(surlyn)熱縮膜或紫外光固化材料組合該第一基板110及該第二基板150,使該第一電極120及該第二電極160位在該第一基板110及該第二基板150之間,即為該些吸附染料140之奈米顆粒130及該貴金屬觸媒層180位在該第一電極120及該第二電極160之間。之後,該貴金屬觸媒層180及該第一電極120之間可再加入電解液190,經過密封後,以完成染料敏化太陽能電池100。該電解液190可包括:3-丙基-1-甲基咪唑碘(1-propyl-3-methylimidazolium iodide,PMII)、N-甲基苯并咪 唑(N-methyl benzimidazole,NMBI)、碘(I2)、甲氧基丙腈(methoxypropionitrile,MPN)。
下表為實驗例1、實驗例2以及比較例之效率數 據。
實驗例1、實驗例2及比較例的差別在於:實驗 例1是藉由本發明之染料敏化太陽能電池的製造方法所製得之第二基板,並且使用60微米的沙林(surlyn)熱縮膜與第一基板進行對組封裝所完成的染料敏化太陽能電池。實驗例2是藉由本發明染料敏化太陽能電池的製造方法所製得之第二基板,並且使用25微米的沙林(surlyn)熱縮膜與第一基板進行對組封裝所完成的染料敏化太陽能電池。而在比較例中,乃利用高溫方法製得之鉑電極,並且使用60微米的沙林(surlyn)熱縮膜與第一基板進行對組封裝所完成的染料敏化太陽能電池。實驗例1、實驗例2及比較例的有效受光面積都為46.08cm2
從上表中可知,實驗例1及實驗例2的電流密度 優於比較例。在轉換效率上,實驗例1及實驗例2的表現也優於比較例。
圖3為實驗例1、實驗例2及比較例的電性分析 曲線圖。圖3中的橫軸為電壓,縱軸為電流。在相同電壓的情況下,實驗例1及實驗例2的電流大小都大於比較例。由上表及圖3可知本發明之染料敏化太陽能電池的製造方法所製造出的染料敏化太陽能電池能提升電流密度、電流大小及轉換效率。
圖4為本發明之一實施例之貴金屬觸媒層之製 造設備示意圖。該貴金屬觸媒層即為上述圖2g中的貴金屬觸媒層180。該製造設備200包括:一可調控溫度平台230、一第一噴塗頭210及一第二噴塗頭220。該可調控溫度平台230用以放置該基板(即為第二基板150),以對該第二基板150進行加熱,其中該第二基板150之表面具有一電極(即為第二電極160)。該第一噴塗頭210相對於該可調控溫度平台230而設置,用以對該第二電極160沉積一金屬前驅物溶液,該金屬前驅物溶液包括氯化鈀(PdCl2)、氯金酸(HAuCl4)、氯鉑酸(H2PtCl6)或前述之組合,其中該金屬前驅物溶液沉積在該第二電極160後,在該第二電極160之表面形成一金屬前驅物層170(如圖2e所示)。第二噴塗頭220相對於該可調控溫度平台230而設置,用以對該金屬前驅物層170噴塗一硼氫化鈉溶液,而形成該貴金屬觸媒層180(如圖2f所示)。該第一噴塗頭210及該第二噴塗頭220可為超音波噴塗頭或霧化器。
較佳的,該製造設備200還包括移動軸240,該第一噴塗頭210及該第二噴塗頭220裝設於該移動軸240上。該移動軸240可用以控制該第一噴塗頭210及該第二噴塗頭220的位置。
於本實施例中,該第一噴塗頭210及該第二噴塗 頭220為超音波噴霧頭,其結構可如圖5所示。以該第一噴塗頭210為例,該第一噴塗頭210包括一溶液入口211,一超音波振盪器212及一溶液出口213。該溶液入口211用以作為溶液215進入該製造設備200之入口,溶液215可為金屬前驅物溶液171或硼氫化鈉溶液181。當該溶液215流入溶液入口211後,該溶液215經由一流道214,而經過超音波振盪器212。藉由超音波振盪器212的高頻振動而霧化,並將該溶液215以霧氣216的形式由該溶液出口213噴出。
該製造設備200在使用時,首先將第二基板150 放置於該可調控溫度平台230上,然後該可調控溫度平台230對該第二基板150加熱至攝氏60度至攝氏100度之間。之後,移動該第一噴塗頭210至該第二基板150的上方,進行上述步驟S108,以形成該金屬前驅物層170。然後,移動該第二噴塗頭至該第二基板150的上方,進行上述步驟S110,以形成貴金屬觸媒層。
在另一實施例中,如圖6所示,該製造設備200 還包括一清洗裝置250。該清洗裝置250連接該可調控溫度平台230。該可調控溫度平台230還具有移動該第二基板150的功能。當該金屬前驅物層及硼氫化鈉溶液產生氧化還原反應後,在第二基板150上會產生有鹽類、反應生成之物質及未反應之物質。因此可藉由可調控溫度平台230的移動功能,將該第二基板150移動至該清洗裝置250內。之後,藉由清洗裝置250的清洗功能,將該第二基板150上的鹽類、反應 生成之物質及未反應之物質清洗去除。當清洗完成後,再對該第二基板150進行乾燥動作,使該第二基板150上保留該貴金屬觸媒層180。
本發明的染料敏化太陽能電池的製造方法,主要 是利用金屬前驅物層與硼氫化鈉所產生的氧化還原反應,而得到貴金屬觸媒層。因此可應用於塑膠基材,並在低溫(攝氏100度以下)及非真空的環境下形成,並且從開始噴塗,到完成貴金屬觸媒層的時間,縮短至10分鐘左右,因此大幅度的降低高溫製程的耗能及耗時的缺點,增加使用塑膠基板的可行性。
本發明的貴金屬觸媒層之製造設備主要用於形 成電極上的貴金屬觸媒層。該製造設備依據上述步驟S106、步驟S108及步驟S110,就可完成貴金屬觸媒層,且可使用於大面積的染料敏化太陽能電池的製作。而且該貴金屬觸媒層製造設備還具有一可調控溫度平台,利用該可調控溫度平台對第二基板加熱,可加速金屬前驅物層與硼氫化鈉的化學反應。該製造設備還可具有清洗裝置,再配合可調控溫度平台的移動功能,可連續且不中斷的形成不同第二基板上的貴金屬觸媒層,以增加產線上的生產速度。
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申請專利範圍。即凡與本發明申請專利範圍文義相符,或依本發明申請專利範圍所做的均等變化與修飾,皆為本發明申請專利範圍所涵蓋。
S100~S112‧‧‧步驟

Claims (7)

  1. 一種貴金屬觸媒層之製造設備,該貴金屬觸媒層為一染料敏化太陽能電池之陰極,該製造設備包括:一可調控溫度平台,用以放置該基板,以對該基板進行加熱,其中該基板之表面具有一電極;一第一噴塗頭,相對於該可調控溫度平台而設置,用以對該電極沉積一金屬前驅物溶液,該金屬前驅物溶液包括氯化鈀、氯金酸、氯鉑酸或前述之組合,其中該金屬前驅物溶液沉積在該電極後,在該電極之表面形成一金屬前驅物層;以及一第二噴塗頭,相對於該可調控溫度平台而設置,用以對該金屬前驅物層噴塗一硼氫化鈉溶液,而形成該貴金屬觸媒層。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述之貴金屬觸媒層之製造設備,其中該第一噴塗頭及該第二噴塗頭為超音波噴塗頭或霧化器。
  3. 根據申請專利範圍第1項所述之貴金屬觸媒層之製造設備,其中該金屬前驅物溶液還包括:有機溶劑、醇類、水或前述之組合。
  4. 根據申請專利範圍第1項所述之貴金屬觸媒層之製造設備,其中該金屬前驅物為氯鉑酸,該金屬前驅物與該硼氫 化鈉溶液產生氧化還原反應,而形成該貴金屬觸媒層,該貴金屬觸媒層包括鉑。
  5. 根據申請專利範圍第1項所述之貴金屬觸媒層之製造設備,其中該可調控溫度平台對該基板加熱至攝氏60度至攝氏100度之間。
  6. 根據申請專利範圍第1項所述之貴金屬觸媒層之製造設備,更包括一移動軸,該第一噴塗頭及該第二噴塗頭裝設於該移動軸上。
  7. 根據申請專利範圍第1項所述之貴金屬觸媒層之製造設備,更包括一清洗裝置,連接該可調控溫度平台,該可調控溫度平台具有移動該基板之功能。
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