TWI570430B - 次波長結構抗反射薄膜之製造方法及具有次波長結構抗反射薄膜的染料敏化太陽能電池 - Google Patents

次波長結構抗反射薄膜之製造方法及具有次波長結構抗反射薄膜的染料敏化太陽能電池 Download PDF

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次波長結構抗反射薄膜之製造方法及具有次波長結構抗 反射薄膜的染料敏化太陽能電池
一種光學薄膜，特別是一種具有次波長結構之抗反射光學薄膜。
太陽能電池由於具有零汙染且能永續開發的特性，近年來逐漸受到各國研究團隊的重視。然而，當陽光入射於太陽能電池表面時，因為空氣(折射率n=1)與基板的折射率差異過大而在界面處產生大量的反射干擾，不但導致太陽能電池的光電轉換效率不理想，也使得發電成本提高，阻礙了太陽能電池在日常生活中的應用。因此，如何減少入射光在太陽能電池表面的反射，增加半導體材料吸收光譜內的光進入到結構中，將是提升太陽能電池光電轉換效率的關鍵。
為了減少表面反射，傳統上會在太陽能電池表面貼附一層薄膜，以破壞性干涉達到抗反射的效果，該薄膜表面具有次波長結構。請參考圖1，其為既有之次波長結構示意圖，既有之薄膜光穿透率低，使得太陽能電池效能大幅下降。
針對上述太陽能電池與薄膜之種種缺點，本發明為一種次波長結構抗反射薄膜與具有次波長結構抗反射薄膜的染料敏化太陽能電池以符合現代能源趨勢發展。本發明為一種次波長結構抗反射薄膜之製造方法，其步驟包含有：調配一聚甲基丙烯酸甲酯糊；將該聚甲基丙烯酸甲酯糊旋轉塗佈於表面具有次波長微結構之一陽極氧化鋁板，並加熱使該聚甲基丙烯酸甲酯糊形成於該陽極氧化鋁板得該次波長結構抗反射膜；將該次波長結構抗反射膜自該陽極氧化鋁表面移除得該次波長結構抗反射薄膜；其中：該陽極氧化鋁板係為將一鋁基材置入一陽極處理系統中進行一次陽極處理後，將該鋁基材置入蝕刻液以移除氧化層，將該鋁基材進行二次陽極處理30~120秒後，再以一擴孔步驟所製得。
其中，利用甲苯溶解聚甲基丙烯酸甲酯粉體得一聚甲基丙烯酸甲酯溶液，將該聚甲基丙烯酸甲酯溶液加熱攪拌為無色透明得該聚甲基丙烯酸甲酯糊。
其中，該擴孔步驟時間為690~810秒。
本發明進一步發明一種次波長結構抗反射薄膜，其係利用上述製造方法所製得。
其中，其係一聚甲基丙烯酸甲酯薄膜。
本發明進一步發明一種具有次波長結構抗反射薄膜的染料敏化太陽能電池，其包含有：一導電基板；一光電轉換層；一次波長結構抗反射薄膜相互疊合形成一層疊結構；以及該次波長結構抗反射薄膜係利用上述製造方法所製得。
其中，該次波長結構抗反射薄膜係一聚甲基丙烯酸甲酯薄膜；該導電基板係一透明摻氟氧化錫導電玻璃基板；以及該光電轉換層包含有一電鍍白金背電極層與一染料敏化二氧化鈦層。
其中，將一聚二甲基矽氧烷溶液旋轉塗佈於該導電基板表面形成一聚二甲基矽氧烷溶液層，並將該次波長結構抗反射膜貼附於該聚二甲基矽氧烷溶液層後乾燥得該具有次波長結構抗反射薄膜的染料敏化太陽能電池。
根據上述說明可知，本發明具有以下之優點：
1.本發明可搭配奈米壓印之技術，將次波長微結構壓印於抗反射光學薄膜表面，此方法可適用於太陽能所需大面積之需求。
2.本發明之次波長結構不具有細小縫隙，故該抗反射薄膜與其分離時，可以輕易分離，不造成該次波長結構的損毀，同時保持該抗反射薄膜與該次波長結構之完整性。
10‧‧‧導電基板
20‧‧‧光電轉換層
21‧‧‧電鍍白金背電極層
23‧‧‧染料敏化二氧化鈦層
圖1為先前技術之次波長微結構示意圖。
圖1a為本發明較佳實施例之分別以(A)30秒、(B)45、(C)60、(D)75、(E)90、(F)105和(G)120秒進行二次陽極氧化後之該陽極氧化鋁板各實施例的FE-SEM上視圖。
圖1b為本發明較佳實施例之分別以(A)30秒、(B)45、(C)60、(D)75、(E)90、(F)105和(G)120秒進行二次陽極氧化後之該陽極氧化鋁板各實施例的FE-SEM側視圖。
圖2為本發明該次波長結構抗反射膜較佳實施例之FE-SEM量測圖。
圖3為本發明利用不同擴孔時間之該陽極氧化鋁板所得到的該次波長結構抗反射膜之FE-SEM圖。
圖4為本發明該次波長結構抗反射膜較佳實施例之穿透率量測分析圖。
圖5為本發明利用不同高溫烘烤時間所得之該次波長結構抗反射膜之FE-SEM圖。
圖6為本發明利用不同高溫烘烤時間所得之該次波長結構抗反射膜穿透率量測分析圖。
圖7為本發明之染料敏化太陽能電池一較佳實施例結構示意圖。
圖8為本發明之具有次波長結構抗反射薄膜的染料敏化太陽能電池的光電效能轉化頻譜分析圖。
一種次波長結構抗反射薄膜，其薄膜表面具有次波長微結構。
該次波長結構抗反射膜的製造方法之步驟包含：
步驟1：調配一聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylmethacrylate,PMMA)糊。該聚甲基丙烯酸甲酯糊一較佳實施粒為利用甲苯溶解分子量為350K之聚甲基丙烯酸甲酯粉體得重量百分比為15wt%之一聚甲基丙烯酸甲酯溶液，將該聚甲基丙烯酸甲酯溶液加熱攪拌為無色透明得該聚甲基丙烯酸甲酯糊。
步驟2：將該聚甲基丙烯酸甲酯糊旋轉塗佈於表面具有次波長微結構之一陽極氧化鋁板，並加熱使該聚甲基丙烯酸甲酯糊形成於該陽極氧化鋁板得該次波長結構抗反射膜。
其中，該加熱可以係利用高溫爐烘烤方式，較佳溫度為120~240℃、時間為10~120分鐘。
步驟3：將該次波長結構抗反射膜自該陽極氧化鋁表面移除。
其中，具有次波長微結構之該陽極氧化鋁板的製造方法包含有：
(1)一次陽極處理：將一鋁基材置入一陽極處理系統中進行一次陽極處理。其中，該陽極處理系統外加電壓，本實施例為80V，電解液為0.1M的草酸溶液，工作溫度為4℃，一次陽極處理時間為3小時。再以酒精及去離子水 分別放入超音波震盪器中震盪5分鐘，最後使用氮氣吹乾後置入45℃烘箱30分鐘。
(2)移除氧化層：將一次陽極處理後之鋁基材置入蝕刻液中加熱後，以酒精及去離子水分別放入超音波震盪器中震盪5分鐘，再使用氮氣吹乾後置入45℃烘箱30分鐘，得已被圖案化的鋁基材。其中，該蝕刻液可為：6wt%磷酸與1.8wt%鉻酸，溫度為60℃，時間約為60分鐘。
(3)二次陽極處理：將被圖案化的鋁基材直接進行二次陽極處理。電解液為0.1M草酸溶液與陽極外加電壓為80V電壓，溫度為4℃左右，二次陽極處理時間為30~120秒。
(4)擴孔：將二次陽極處理後之鋁基材與一擴孔蝕刻液加熱後，取出陽極氧化鋁模板並以去離子水及酒精清洗後放入烘箱乾燥得具有次波長微結構之該陽極氧化鋁板。其中，該蝕刻液為：6wt%磷酸溶液、溫度為40℃、時間為690~810秒。
請參考圖1a~圖1b，其為分別以(A)30秒、(B)45、(C)60、(D)75、(E)90、(F)105和(G)120秒進行二次陽極氧化後之該陽極氧化鋁板各實施例的FE-SEM上視圖以及側視圖，可看出二次陽極氧化時間介於30~120秒之該陽極氧化鋁板表面具有孔徑介於140~160nm之間，平均較佳為150nm之微孔、該微孔深度介於122~442nm。
以下為針對本發明之該次波長結構抗反射膜進行表面形貌、孔隙率及UV/VIS穿透率量分析。
請參考圖2，其為本發明之該次波長結構抗反射膜各較佳實施例之FE-SEM量測圖，可看出本發明之該次波長結構抗反射膜之表面形貌。其中，(A)係利用二次陽極氧化30秒之該陽極氧化鋁板所得之該次波長結構抗反射膜、(B)係利用二次陽極氧化45秒之該陽極氧化鋁板所得之該次波長結構抗反射膜、 (C)係利用二次陽極氧化60秒之該陽極氧化鋁板所得之該次波長結構抗反射膜、(D)係利用二次陽極氧化75秒之該陽極氧化鋁板所得之該次波長結構抗反射膜、(E)係利用二次陽極氧化90秒之該陽極氧化鋁板所得之該次波長結構抗反射膜、(F)係利用二次陽極氧化105秒之該陽極氧化鋁板所得之該次波長結構抗反射膜和(G)係利用二次陽極氧化120秒之該陽極氧化鋁板所得之該次波長結構抗反射膜；其中，該次波長抗反射膜結構頂端介於100~120nm，較佳為110nm。
請參考表1，其為利用不同二次陽極氧化時間之該陽極氧化鋁板所得之該次波長結構抗反射膜測量結果，可看出本發明當二次陽極時間為75秒時，孔洞深度約為238nm，其孔隙率約為24.20%時，在波長為550nm，有最佳的穿透率89.42%。
請參考表2，其為利用不同擴孔時間製得之該陽極氧化鋁板孔隙率所得之該次波長結構抗反射膜以及利用550nm波長光線照射之穿透率。
【表2】表2
請參考圖3，其為上述利用不同擴孔時間之該陽極氧化鋁板所得到的該次波長結構抗反射膜之FE-SEM圖。
請參考圖4，上述利用不同擴孔時間製得之該陽極氧化鋁板所得之該次波長結構抗反射膜利用UV-Vis進行穿透率量測分析。
由圖4可看出，可看出本發明該次波長結構抗反射薄膜當二次陽極時間為75秒時，擴孔時間為720秒，其孔隙率約為24.20%時，在波長為550nm，有最佳之穿透率89.42%。
請參考表3，其為上述利用不同高溫烘烤時間使該聚甲基丙烯酸甲酯糊形成於該陽極氧化鋁板所得該次波長結構抗反射膜之孔隙率以及穿透率。
請參考圖5，其為表3利用200℃，不同烘烤時間所得之該次波長結構抗反射膜之FE-SEM圖，可看出該次波長抗反射膜結構直徑介於100nm~120nm之間，較佳約為110nm。
請參考圖6，其為表3利用200℃，不同烘烤時間所得之該次波長結構抗反射膜利用UV-Vis進行穿透率量測分析，可看出烘烤時間為20~30分鐘時，當波長為550nm有最佳之穿透率92.85%。
請參考表4，其為利用不同烘烤溫度所得之該次波長結構抗反射膜的頂端結構直徑、孔隙率以及穿透率，可看出本發明較佳實施例之溫度為200℃時，波長為550nm有最高的穿透率93.25%。
本發明可進一步將該次波長結構抗反射膜應用於一染料敏化太陽能電池。請參考圖7，其為該染料敏化太陽能電池一較佳實施例結構示意圖， 該染料敏化太陽能電池包含有一導電基板10及一光電轉換層20，該導電基板10與該光電轉換層20疊合形成一疊層結構。
上述的該導電基板10可以是一透明摻氟氧化錫(Fluorine-doped Tin Oxide,FTO)導電玻璃基板；該光電轉換層20包含有一電鍍白金背電極層21與一染料敏化二氧化鈦層23，可將太陽光轉換為電力。
該次波長結構抗反射膜與該染料敏化太陽能電池之結合方法為：將一聚二甲基矽氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)溶液旋轉塗佈於該導電基板10表面形成一聚二甲基矽氧烷溶液層，並將該次波長結構抗反射膜貼附於該聚二甲基矽氧烷溶液層後乾燥即可得本發明之具有次波長結構抗反射薄膜的染料敏化太陽能電池。
以下為量測本發明之具有次波長結構抗反射薄膜的染料敏化太陽能電池之光穿透率之影響。
請參考圖8，其為本發明之具有次波長結構抗反射薄膜的染料敏化太陽能電池的光電效能轉化頻譜(IPCE分析圖)。其中，曲線A~D分別為：裸導電玻璃、裸導電玻璃加聚二甲基矽氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)、聚二甲基矽氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)上貼附平坦表面無次波長抗反射結構之聚甲基丙烯酸甲酯薄膜、聚二甲基矽氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)上貼附本發明具次波長抗反射結構之聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，相較於曲線A之裸導電玻璃，本發明貼附了具有次波長結構之曲線D其IPCE值由60.9%提升至66.2%，證實本發明之次波長抗反射薄膜可有效的使入射光增加，使得本發明之染料敏化太陽能電池整體效能提升。
根據上述說明可知，本發明具有以下之優點：
1.本發明可搭配奈米壓印之技術，將次波長微結構壓印於抗反射光學薄膜表面，適用於太陽能所需大面積之需求。
2.本發明之次波長結構不具有細小縫隙，故該抗反射薄膜與其分離時，可以輕易分離，不造成該次波長結構的損毀，同時保持該抗反射薄膜與該次波長結構之完整性。

Claims (4)

  1. 一種次波長結構抗反射薄膜之製造方法，其步驟包含有：調配一聚甲基丙烯酸甲酯糊；將該聚甲基丙烯酸甲酯糊旋轉塗佈於表面具有次波長微結構之一陽極氧化鋁板，並以120~240℃加熱10~120分鐘使該聚甲基丙烯酸甲酯糊形成於該陽極氧化鋁板得該次波長結構抗反射膜；將該次波長結構抗反射膜自該陽極氧化鋁表面移除得該次波長結構抗反射薄膜，該次波長結構抗反射薄膜包含複數個直徑為95.2~182.7nm、頂部為圓弧狀之次波長抗反射結構，並於550nm波長光線照射下之穿透率為89.14~93.25%；其中：該陽極氧化鋁板係為將一鋁基材置入一陽極處理系統中以電壓80V、溫度4℃、時間3小時進行一次陽極處理後，將該鋁基材置入蝕刻液以移除氧化層，將該鋁基材以電壓80V、溫度4℃進行二次陽極處理30~120秒後，再以一擴孔步驟製得孔隙率為5.07~24.20%之具有次波長微結構的該陽極氧化鋁板，擴孔時間690~810秒，所得的該陽極氧化鋁板每一孔隙底部的形狀對應該次波長結構抗反射薄膜之頂部的形狀為圓弧狀。
  2. 如申請專利範圍第1項之次波長結構抗反射薄膜之製造方法，利用甲苯溶解聚甲基丙烯酸甲酯粉體得一聚甲基丙烯酸甲酯溶液，將該聚甲基丙烯酸甲酯溶液加熱攪拌為無色透明得該聚甲基丙烯酸甲酯糊。
  3. 一種具有次波長結構抗反射薄膜的染料敏化太陽能電池，其包含有：一導電基板；一光電轉換層；一次波長結構抗反射薄膜相互疊合形成一層疊結構； 該次波長結構抗反射薄膜為一聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，其係利用申請專利範圍第1~2項之方法所製得；以及將一聚二甲基矽氧烷溶液旋轉塗佈於該導電基板表面形成一聚二甲基矽氧烷溶液層，並將該次波長結構抗反射膜貼附於該聚二甲基矽氧烷溶液層後乾燥得該具有次波長結構抗反射薄膜的染料敏化太陽能電池。
  4. 如申請專利範圍第3項之具有次波長結構抗反射薄膜的染料敏化太陽能電池，其中：該導電基板係一透明摻氟氧化錫導電玻璃基板；以及該光電轉換層包含有一電鍍白金背電極層與一染料敏化二氧化鈦層。
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