TWI685123B - 染料敏化太陽能電池 - Google Patents
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Abstract
本揭露提供一種染料敏化太陽能電池，其包括：第一電極，該第一電極包含：第一透明導電基板；半導體層，位於第一透明導電基板上，半導體層中具有半導體粒子，其中半導體粒子具有染料；鋁摻雜氧化鋅阻擋層，鋁摻雜氧化鋅阻擋層於該半導體層上；和第二電極，與第一電極相對設置，第二電極包含第二透明導電基板；以及電解液，電解液位於第一電極與第二電極之間。
Description
本案係關於一種染料敏化太陽能電池，更確切而言係關於一種含有阻擋層結構之染料敏化太陽能電池。
隨著人類社會的發展，對於能源的需求亦逐漸增加，因此能源問題一直以來都是重要的課題之一。而由於目前之經濟活動仍大量依賴石油等一次性、總量有限之能源，因此各國目前皆積極地研究及開發其他例如地熱、風力、水力、太陽能等之再生能源。
而其中關於太陽能利用之發展，目前則屬第三代太陽能電池的染料敏化太陽能電池（Dye-Sensitized Solar Cell, DSSC）受到高度的重視，因具有較低的製造成本、可製作可撓式太陽能電池、受日照角度與 高溫環境影響小、電池具可透視等有別於第一代、第二代太陽能電池的特性，因此在商業發展上具有不同的應用市場，而具有相當的發展潛力。
瑞士科學家M. Grätzel於1991年提出一種具有多孔性質之二氧化鈦薄膜，使其吸附一種單分子染料，並作為染料敏化太陽能電池之光電極，其光伏轉換效率可達7.9%。隨後，M. Grätzel以多孔性質之二氧化鈦薄膜吸附一種釕金屬衍生物之染料分子，此種釕金屬衍生物之染料分子之優點在於可吸收近全波長範圍的太陽光，其染料敏化太陽能電池之光伏轉換效率更高達11.18%。
2012年N. Hirahara 等人之研究團隊將鋁摻雜氧化鋅作為導電透明氧化薄膜，此層薄膜具有80 %之光穿透率及片電阻 5 Ω/sq。藉由鋁摻雜氧化鋅導電透明薄膜所製成之染料敏化太陽能電池，其光伏轉換效率為2.91%。
2016年P. Zhai等人之研究團隊以量子點二氧化鈦作為染料敏化太陽能之光電極，並將其量測於較低之光強度下。此項研究證實染料敏化太陽能電池確實能應用於一般室內光強度下，其研究顯示當染料敏化太陽能電池操作於光強度3000 lux下，光伏轉換效率可達18.30 %。
然而，雖染料敏化太陽能電池在材料以及其光電特性的研究已有相當進展，但現有之染料敏化太陽能電池在各個方面之成果仍尚未令人滿意，而仍需要進一步之改良。
根據本案之一實施例係提供一種染料敏化太陽能電池，包括：第一電極，該第一電極包含一第一透明導電基板；半導體層，位於該第一透明導電基板上，該半導體層中具有半導體粒子，其中該半導體粒子具有染料；鋁摻雜氧化鋅阻擋層，該鋁摻雜氧化鋅阻擋層於該半導體層上；第二電極，與該第一電極相對設置，該第二電極包含一第二透明導電基板；以及電解液，該電解液位於該第一電極與該第二電極之間。
以下公開許多不同的實施方法或是例子來實行本案實施例之不同特徵。以下將描述具體的元件及其排列的實施例以說明本案，當然這些實施例僅用以例示，且不應以此限定本案之範圍。例如，在說明書中提到第一特徵形成於第二特徵之上，其包括第一特徵與第二特徵是直接接觸的實施例，另外也包括於第一特徵與第二特徵之間另外有其他特徵的實施例，亦即，第一特徵與第二特徵並非直接接觸。此外，在不同實施例中可能使用重複的標號或標示，這些重複僅為了簡單清楚地敘述實施例，不代表所討論的不同實施例及/或結構之間有特定的關係，圖示中之元件亦並未按照比例繪製。
此外，其中可能用到與空間相關用詞，例如「在...下方」、「之下」、「較低的」、「上方」、「之上」、「較高的」及類似的用詞，這些空間相關用詞係為了便於描述圖示中一個(些)元件或特徵與另一個(些)元件或特徵之間的關係，這些空間相關用詞包括使用中或操作中的裝置之不同方位，以及圖式中所描述的方位。當裝置被轉向不同方位時(旋轉90度或其他方位)，則其中所使用的空間相關形容詞也將依轉向後的方位來解釋。
本案提供一種具有鋁摻雜氧化鋅阻擋層於光電極之染料敏化太陽能電池。藉由所述鋁摻雜氧化鋅阻擋層結構，可抑制半導體層與電解液界面之電子逆向復合（Recombination），進而提升染料敏化太陽能電池之光伏特性。
參照第1圖，其所繪示為本案一實施例之染料敏化太陽能電池10的剖面示意圖。所述染料敏化太陽能電池10中包括相對設置的第一電極21與第二電極22，以及設置於第一電極21與第二電極22兩者之間的電解液140。第一電極中包括一半導體層120以及一鋁摻雜氧化鋅阻擋層130，半導體層120設置於第一透明導電基板111之上，鋁摻雜氧化鋅阻擋層130設置於電解液140和半導體層120之間。在一些實施例中，鋁摻雜氧化鋅阻擋層130與電解液140直接接觸。
在一些實施例中，第1圖所示的第一電極21中之第一透明導電基板111與第二電極22中之第二透明導電基板112，各自地包括透明導電層以及基板，所述透明導電層相較於基板，較靠近電解液16。前述基板包括硬質基板或可撓性基板等合適之基板，其中硬質基板可例舉如玻璃基板、金屬基板等；可撓性基板可例舉如高分子基板。高分子基板之材質包括聚對苯二甲酸乙二醇酯(Polyethlene terephihalate, PET)、聚碳酸酯(Polycarbonate, PC)、聚苯二甲酸乙二酯(Polyethylene Naphthalate, PEN)、聚醚碸膜(Polyethersulfone, PES)或上述之組合。選擇基板材料時，主要之考量係能否承受後續熱製程(例如，熱退火)的高溫，若基板耐熱性不足，則可能導致後續之熱製程無法順利地提升電池之光電轉換效率。
根據本案的一些實施例，第1圖中所示的第一透明導電基板111與第二透明導電基板112中的透明導電層可各自地包括氧化氟錫(Fluorine doped Tin Oxide,FTO)、氧化銦錫(Indium Tin Oxide,ITO)、氧化鋅(ZnO)、氧化鋁鋅(Aluminum zinc oxide,AZO)、氧化鋅鎵(Gallium zinc oxide,GZO)、或上述之組合。選擇透明導電層之材料時，主要考慮製備電極過程中，是否會釋出金屬離子而對後續製程產生不良影響，亦需具足夠的熱穩定性以承受後續熱製程的高溫。
在一些實施例中，第一透明導電基板111與第二透明導電基板112之透明導電層厚度介於約5nm至80nm之間。若透明導電層太薄，則導致第一透明導電基板111與第二透明導電基板112的片電阻(Sheet resistance)過低，將降低染料敏化太陽能電池的填充因子(Fill factor)。若透明導電層太厚，則透明導電基板111及112對於入射光的穿透度下降，而降低染料敏化太陽能電池的光電流。因此，選擇適當的透明導電層厚度，有助於改善染料敏化太陽能電池的光電轉換效率。
在一些實施例中，第一電極21中之半導體層120中具有半導體粒子，半導體粒子具有染料，可藉由例如吸附於其中或是負載於半導體粒子表面方式載有染料。在一些實施例中，半導體粒子的平均粒徑範圍約為20-150nm。若半導體粒子的粒徑太小，則不利於染料與電解液進出；若半導體粒子的粒徑太大，則比表面積太低，降低染料的吸附量。半導體粒子的粒徑太大或太小均會降低敏化太陽能電池之光電轉換效率。在一些實施例中，半導體粒子可為能隙寬度大、易吸附染料的半導體粒子，例如ZnO、SnO
2、TiO
2等之粒子。選擇半導體材料時，主要之考量為半導體材料的能階是否與染料及電解質140之氧化還原電位相匹配。此外，半導體材料對於染料的吸附性也應一併考量。若半導體材料對於後續形成之染料的吸附性不佳，將降低敏化太陽能電池的光電轉換效率。在一些實施例中，半導體層120之厚度為15-25nm。若半導體層120太薄，則染料吸附量過低，將降低後續製造的染料敏化太陽能電池的光電轉換效率。反之，若半導體層120太厚，則會增加電子與電洞復合的機率，降低傳遞至導電基板的電子總數，且導致染料所能接收之入射光減少，致使染料敏化太陽能電池的短路電流密度與光電轉換效率不佳。
參閱第2圖，在一些實施例中，染料敏化太陽能電池11中之半導體層120包括一半導體染料吸附層121以及一半導體光散射層122。半導體染料吸附層121，可用以吸附以及負載染料，或用以調整半導體層120整體之染料含量。半導體染料吸附層121亦可由半導體粒子所形成，在一些實施例中可由能隙寬度大、易吸附染料的半導體粒子所形成，半導體粒子可進一步具有奈米多孔結構。在一些實施例中，半導體粒子可為ZnO、SnO
2、TiO
2等之粒子。
半導體染料吸附層121可使用任何合適的方法以形成。在一實施例中，半導體染料吸附層121之形成方法可包括下列步驟： （a）混合一半導體粒子粉末，例如2-4g之二氧化鈦粉末、一分散劑（Dispersant），例如0.01mL-0.1mL之乙酰丙酮（acetylacetone）、一界面活性劑，例如0.01mL-0.30mL之采酮（Triton X-100, C
14H
22O(C
2H
4O)
n），及一溶劑，例如1mL-10mL之去離子水（Deionized water, D. I. water），以得到半導體染料吸附層膠體；（b）使用工作電極備製方法，例如旋轉塗佈法(Spin-coating)(轉速介於1000rpm至4000rpm之間，塗佈時間介於10秒至30秒)、網版印刷法(Screen-printing)、或刮刀塗佈法(Blade-coating)將上述半導體染料吸附層膠體塗佈於第一透明導電基板111上，使其形成半導體染料吸附層薄膜；（c）於退火爐內，將上述具有半導體染料吸附層膠體薄膜之第一透明導電基板111以溫度於約400℃至550℃之間燒結10至50分鐘，以去除薄膜之有機物及增加薄膜附著力，改善薄膜品質及提升導電性，經上述步驟即完成半導體染料吸附層121，但此時之半導體染料吸附層121中尚未具有染料。
本案說明書中之例示之克數、毫升數可進一步推算為重量份。
繼續參閱第2圖，在一些實施例中，染料敏化太陽能電池11中之半導體層120可具有半導體光散射層122。半導體光散射層122中具有至少兩種不同粒徑之半導體粒子，因而擁有多孔性結構，而藉由該結構可使入射光進一步散射，讓入射光可到達更多之染料分子，而能更有效地激發染料中之電子。在一些實施例中，半導體層120具有半導體染料吸附層121與半導體光散射層122，半導體光散射層122中至少兩種不同粒徑之半導體粒子中之一種半導體粒子，其粒徑大於半導體染料吸附層121之半導體粒子粒徑，舉例而言，半導體染料吸附層121之半導體粒子粒徑為25奈米，半導體光散射層122中具有粒徑為25奈米與90奈米之半導體粒子。半導體光散射層122可由半導體粒子所形成，在一些實施例中可由能隙寬度大、易吸附染料的半導體粒子所形成，半導體粒子可進一步具有奈米多孔結構。在一些實施例中，半導體粒子可為ZnO、SnO
2、TiO
2等粒子。
半導體光散射層122可使用任何合適的方法形成。在一實施例中，半導體光散射層122之形成方法可包括下列步驟：（a）混合兩種（或以上）不同粒徑之半導體粒子粉末，例如0.5-2g之P25二氧化鈦粉末（P25即平均粒徑為25奈米）、0.5-2g之P90二氧化鈦粉末、一分散劑（Dispersant），例如0.01mL-0.1mL之乙醯丙酮（acetylacetone）、一界面活性劑，例如0.01mL-0.30mL之采酮（Triton X-100, C
14H
22O(C
2H
4O)
n），及一溶劑，例如1mL-10mL之去離子水（Deionized water, D. I. water），以得到半導體光散射層膠體；（b）使用工作電極備製方法，例如旋轉塗佈法(Spin-coating)(轉速介於1000rpm至4000rpm之間，塗佈時間介於10秒至30秒)、網版印刷法(Screen-printing)、或刮刀塗佈法(Blade-coating)將上述半導體光散射層膠體塗佈於第一透明導電基板111上，使其形成半導體染料吸附層薄膜；（c）於退火爐內，將上述具有半導體染料吸附層膠體薄膜之第一透明導電基板111以溫度於約400℃至550℃之間燒結10至50分鐘，以去除薄膜之有機物及增加薄膜附著力，改善薄膜品質及提升導電性，經上述步驟即完成半導體光散射層122，但此時之半導體光散射層122中尚未具有染料。
在一實施例中，染料可僅存在於該半導體染料吸附層121、僅存在於該半導體光散射層122、或是同時存在於該半導體染料吸附層121與該半導體光散射層122之中。在一實施例中，染料敏化太陽能電池中，可以僅有半導體染料吸附層121、或是僅有半導體光散射層122，亦可如第2圖所示同時具有半導體染料吸附層121與半導體光散射層122，但須注意的是，若染料敏化太陽能電池中僅有半導體染料吸附層121或半導體光散射層122兩者之一，則該層需含有染料。當染料敏化太陽能電池中，僅有半導體染料吸附層121或半導體光散射層122兩者之一時，可將其視為半導體層120。半導體染料吸附層121與半導體光散射層122之厚度並無特別限定，僅需使兩者整體之厚度介於半導體層120之厚度範圍即可。在一些實施例中，當半導體層120中同時具有半導體染料吸附層121與半導體光散射層122時，半導體染料吸附層121相較於半導體光散射層122更接近第一透明導電基板；於後續形成染料敏化太陽能電池時，半導體光散射層122相較於半導體染料吸附層121更接近電解液140。在另一些實施例中，當半導體層120中同時具有半導體染料吸附層121與半導體光散射層122時，半導體染料吸附層121相較於半導體光散射層122更遠離第一透明導電基板；於後續形成染料敏化太陽能電池時，半導體光散射層122相較於半導體染料吸附層121更遠離電解液140。
在一些實施例中，染料112具下列特性：(1)染料能夠緊密吸附於半導體粒子的表面，並能夠快速達到吸附平衡而不易自表面脫落；(2)染料的吸收光譜與太陽能光譜有良好之匹配性；(3)染料112的氧化態及激發態具備高度穩定性與活性；(4)染料的激發態壽命(life time)長，且電荷傳輸效率高；以及(5)染料於氧化還原過程中具有相對低的電位，以利於減少初級與次級間之電子轉移能量損失。
在一些實施例中，染料包括能夠吸收光且具激發電子功能之有機釕金屬錯合物粉末，例如N3(Ruthenium-535 BIS)染料、Z907(Ruthenium520-DN)染料、N719(Ruthenium 535-bis TBA)染料或N749(Ruthenium 620-1H3 TBA)染料。在另一些實施例中，染料112包括黑染料(Black dye)或葉綠素染料。
使半導體粒子載有染料之方法並無特別限定，例如在一些實施例中，將上方已製備有半導體層120、半導體染料吸附層121、半導體光散射層122、或半導體染料吸附層121、半導體光散射層122兩者皆有之第一透明導電基板111，在室溫下置於染料溶液中浸泡1-30小時，即可完成第一透明導電基板111上具有半導體層120、半導體染料吸附層121、半導體光散射層122、或兩者皆有之薄膜，且該半導體層120、半導體染料吸附層121、半導體光散射層122中具有染料。
在本案之一些實施例中，染料敏化太陽能電池中具有一鋁摻雜氧化鋅阻擋層(Al-doped zinc oxide, ZnO：Al, AZO) 130，藉由將鋁摻雜氧化鋅阻擋層130引入染料敏化太陽能電池中，可有效抑止半導體層120與電解液140間之電子進行逆向復合，可使染料敏化太陽能電池整體之光伏轉換效率進一步提升。鋁摻雜氧化鋅阻擋層130之製作方式無特別之限制，只要可於電解液140與半導體層120之間形成鋁摻雜氧化鋅阻擋層130之合適方法皆可。在一實施例中，鋁摻雜氧化鋅阻擋層130可藉由使用摻鋁之氧化鋅靶材，以射頻濺鍍法沉積鋁摻雜氧化鋅阻擋層130於半導體層之上，或是使用溶膠凝膠法等方法來形成。在一些實施例中，鋁摻雜氧化鋅阻擋層130鋁的摻雜濃度可為1wt％-3wt％。在一些實施例中，鋁摻雜氧化鋅阻擋層130之厚度150nm-250nm，若鋁摻雜氧化鋅阻擋層130之厚度過厚將使得染料敏化太陽能電池整體之電阻過高；厚度太薄則無法達成有效阻擋效果。
在一些實施例中，電解液140具備下列特性：(1)電解液140之氧化還原對需考量染料氧化還原電位的有效再生；(2)電解液140之電解質在所使用之溶劑中具備高溶解度，以確保足夠之電子濃度並且避免擴散阻力；(3)電解液140具備高擴散係數，以利於質傳發生；(4)電解液140於可見光波段中沒有吸收峰，以避免入射光被電解液吸收；(5)電解液140具備高穩定性；(6)電解液140具備高速之氧化還原速率，以利於電子傳遞；以及(7)電解液140不可腐蝕染料、第一、第二透明導電基板、催化層及半導體層。
電解液140可由電解質、添加劑及溶劑所組成。電解質包括液態電解質、固態電解質或離子液體電解質，這些電解質中具有合適反應電位的氧化還原對。添加劑可包括能夠增加染料 敏化太陽能電池性能、能夠減少電子電洞復合(Recombination)、能夠提高導電性以增加電子傳遞速率之添加劑。溶劑可包括任何能夠有效溶解上述電解質及添加劑的溶劑。
在一些實施例中，電解液140之電解質可包括氧化還原對為I
3-/I
-，其來源可包括碘(Iodide,I
2)。電解液104之添加劑可包括：碘化鈉(Sodium iodide,NaI)、碘化鋰(Lithium iodide,LiI)、碘化1-丙基-2,3-二甲基咪唑(1-propyl-2,3-dimethylimidazolium iodide,DMPII)、4-叔丁基吡啶(4-tert-butylpyridine,TBP)、或上述之組合。在一些實施例中，電解液104之溶劑可包括：乙腈(Acetonitrile)、3-甲氧基丙腈(3-methoxy propionitrile,MPN)、碳酸丙烯酯(Propylene carbonate,PC)、或上述之組合。
在一些實施例中，參閱第1圖或第2圖，染料敏化太陽能電池之第二電極22中，可包含一催化層150形成於第二透明導電基板112與電解液140之間。催化層140包括可加速催化電解液氧化還原反應之材料，例如可為鉑、石墨烯及奈米碳管。在一些實施例中，催化層140可藉由射頻濺鍍法、刮刀塗佈法及旋轉塗佈法形成於第二透明導電基板112上。在一些實施例中，催化層114之厚度為100nm至300nm。若催化層114之厚度太薄，則催化電解液氧化還原反應的效果不佳。若催化層114之厚度太厚，則製造成本將提高。
為了讓本揭露之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉數實施例及比較實施例，作詳細說明如下：
實施例
製備未具有染料之第一電極1（半導體層具有半導體染料吸附層以及半導體光散射層）
取一具有氟錫氧化物導電層之玻璃基板(Fluorine-doped SnO
2-coated-glass,FTO-glass)，以去離子水清洗，並置於烘箱內以蒸發氟錫氧化物玻璃基板表面之水份。
半導體層中之半導體染料吸附層以及半導體光散射層以下方之步驟形成；(1)混合3g二氧化鈦粉末(P25)、0.05mL之乙醯丙酮(acetylacetone)作為分散劑、0.15mL采酮(Triton X-100)作為界面活性劑、6mL去離子水作為溶劑，得到半導體為二氧化鈦之半導體染料吸附層膠體溶液；(2) 將半導體染料吸附層膠體溶液以轉速2000rpm，時間10秒旋轉塗佈於氟錫氧化物玻璃基板上，以形成有效面積為0.8cm×0.8cm之薄膜，其中半導體染料吸附層中之半導體平均粒徑大小為25nm；(3) 混合1g二氧化鈦粉末(P25)、1g二氧化鈦粉末(P90)及6mL去離子水，形成半導體光散射層膠體溶液；(4) 將半導體光散射層之膠體溶液以轉速2000rpm，時間10秒旋轉塗佈於氟錫氧化物玻璃基板上，以形成有效面積為0.8cm×0.8cm之薄膜；(5) 將前述已經具有半導體染料吸附層以及半導體光散射層之透明導電基板置於退火爐內，以450℃退火30分鐘，即完成半導體染料吸附層以及半導體光散射層，此半導體染料吸附層與半導體光散射層之總厚度為18.4μm。
製備未具有染料之第一電極2（半導體層為半導體染料吸附層）
取一具有氟錫氧化物導電層之玻璃基板(Fluorine-doped SnO
2-coated-glass,FTO-glass)，以去離子水清洗，並置於烘箱內以蒸發氟錫氧化物玻璃基板表面之水份。
半導體層中之半導體染料吸附層以下方之步驟形成；（1）混合3g二氧化鈦粉末(P25)、0.05mL之乙醯丙酮(acetylacetone)作為分散劑、0.15mL采酮(Triton X-100)作為界面活性劑、6mL去離子水作為溶劑，得到半導體為二氧化鈦之半導體染料吸附層膠體溶液；（2）將半導體染料吸附層膠體溶液以轉速2000rpm，時間10秒旋轉塗佈於氟錫氧化物玻璃基板上，以形成有效面積為0.8cm×0.8cm之薄膜，其中半導體染料吸附層中之半導體平均粒徑大小為25nm；（3）將前述已經具有半導體染料吸附層之透明導電基板置於退火爐內，以450℃退火30分鐘，即完成半導體染料吸附層，此半導體染料吸附層厚度為8.5μm。
製備未具有染料之第一電極3（半導體層為半導體光散射層）
取一具有氟錫氧化物導電層之玻璃基板(Fluorine-doped SnO
2-coated-glass,FTO-glass)，以去離子水清洗，並置於烘箱內以蒸發氟錫氧化物玻璃基板表面之水份。
半導體層中之半導體光散射層以下方之步驟形成；(1)混合1g二氧化鈦粉末(P25)、1g二氧化鈦粉末(P90)及6mL去離子水，形成半導體光散射層膠體溶液；(2) 將半導體光散射層之膠體溶液以轉速2000rpm，時間10秒旋轉塗佈於氟錫氧化物玻璃基板上，以形成有效面積為0.8cm×0.8cm之薄膜；(3) 將前述已經具有半導體光散射層之透明導電基板置於退火爐內，以450℃退火30分鐘，即完成半導體光散射層，此半導體光散射層之厚度為10μm。
鋁摻雜氧化鋅阻擋層之製備
以含有2%鋁之氧化鋅(購自邦傑材料科技股份有限公司)作為靶材，藉由射頻濺鍍法，在Ar氣體9sccm(Standard cubic centimeter per minute)、製程壓力3mtorr、功率120W，沈積時間10分鐘，將鋁摻雜氧化鋅層沉積於半導體層中之半導體光散射層上，得到一厚度為200nm之鋁摻雜氧化鋅阻擋層。
染料之製備
取一N3染料(Ruthenium-535,N3)粉末溶於99.8%無水酒精形成一染料溶液，並以超音波振盪染料溶液15分鐘，完成濃度為3×10-4M之染料溶液。
製備第一電極1至3
在室溫下將未具有染料之第一電極1-3任一種，置於染料溶液中浸泡24小時，即可完成第一電極1-3。
電解質之製備
取0.5M碘化鋰(Lithium Iodide,LiI)、0.6M金屬碘化物(1-propyl-2,3-dimethylimidazolium iodide,DMPII)、0.5M 4-特-丁基吡啶(4-Tert-Butylpyridine,TBP)及0.05M碘(Iodine,I2)溶於15mL之3-甲氧基丙腈(3-methoxypropionitrile,MPN)形成一電解質溶液，並以超音波振盪10分鐘，即完成該電解質溶液之備製。
染料敏化太陽能電池之封裝
取上述第一電極1-3任一種置於上述染料中，並於25℃溫度下放置 24小時。取另一氟錫氧化物玻璃基板，將鉑金屬作為催化層濺鍍於氟錫氧化物玻璃基板上，形成第二電極。於該第二電極上鑽二小孔，再以熱塑膜封裝上述二電極，其中熱塑膜之材質為沙林樹脂(DuPontTM Surlyn®1706)，接著注入前述電解質溶液於該第二電極上之小孔中，即完成染料敏化太陽能電池元件之製備。
染料敏化太陽能電池之界面阻抗量測
以電化學阻抗分析儀(BioLogic SP-150,France)量測染料敏化太陽能電池於異質界面處之阻抗，此方法具可長時間量測，且對測量元件系統不會造成影響，以及數據處理方便等優勢，藉由施加小振幅正弦波電位(10mV)或電流為擾動信號，並外加正偏壓0.7V，經模擬可得一奈奎斯特(Nyquist)圖，其實數軸為一個阻抗矢量；虛數軸為元件之頻譜特性，以設定頻率範圍50mHz~1MHz研究染料敏化太陽能電池之電極系統，速度較快之異質接面處阻抗頻譜會於高頻區域出現；速度較慢之異質接面處阻抗頻譜會於低頻區域出現，因此由Nyquist圖可得知測量元件之電化學過程包含數個不同異質接面處，並依據相應異質接面處阻抗頻譜特徵探討相對應之動力學特性。
等效電路模型架構
如第4圖中所示，以等效電路模型40模擬量測染料敏化太陽能電池11於異質接面處的阻抗，可得第5圖之結果，二氧化鈦之染料敏化太陽能電池以及具有鋁摻雜氧化鋅阻擋層之二氧化鈦染料敏化太陽能電池的奈奎斯特(Nyquist)頻譜圖50。
於第4圖中，R
S為外部迴路之電阻、R
1與C
1為電解液與第二電極之電子轉移電阻與電容，作用為影響第二電極與電解液之氧化還原效率。R
2與C
2為電解液與第一電極之逆向復合電阻與電容，作用為影響第一電極與電解液之逆向復合反應。
進行等效電路模型模擬時，以二極方式模擬量測染料敏化太陽能電池電化學特性，將電壓源輸入端正極接至染料敏化太陽能電池之催化層；將電壓源輸入端負極接至染料敏化太陽能電池之半導體層，進行模擬而得到一奈奎斯特(Nyquist)頻譜圖。所得之Nyquist頻譜圖與實際染料敏化太陽能電池量測所得Nyquist頻譜圖相仿，證明上述等效電路模型與實際染料敏化太陽能電池相似，可有效模擬染料敏化太陽能電池於異質接面處之電阻、電容及電感變化，並達到節省實驗時間及節省實驗成本之目的。
表1 不同半導體層對於染料敏化太陽能電池之影響
| Voc | Jsc | F. F. (%) | η (%) | |
| 第一電極1 | 0.68 | 5.52 | 65.98 | 2.52 |
| 第一電極2 | 0.56 | 3.82 | 39.42 | 1.06 |
| 第一電極3 | 0.70 | 7.76 | 42.07 | 2.28 |
為先瞭解不同之半導體層對於染料敏化太陽能電池之影響，上方表1所示為不具鋁摻雜氧化鋅層之染料敏化太陽能電池中，當第一電極中之半導體層分別為具有半導體染料吸附層、半導體光散射層（第一電極1）、僅具有半導體染料吸附層（第一電極2）以及僅具有半導體光散射層（第一電極3）時，在般光強度(100mW/cm
2)下經實驗後之各項光電參數。其中，V
oc、J
sc、F.F.、η依序分別為開路電壓(Open-circuit Voltage,V
oc)，短路電流密度(Short-circuit Current Density,J
sc)，填充因子(Fill Factor,F.F.)及光電轉換效率(Photoelectric Conversion Efficiency,η)。由表1可知，當半導體層同時具有半導體染料吸附層、半導體光散射層時，具有最大之光伏轉換效率2.52％，顯示半導體光散射層可進一步輔助半導體染料吸收層對於入射光的吸收。因此，下方之對比實驗亦是使用具有最佳轉換效率之具有半導體染料吸附層、半導體光散射層的第一電極1進行。
表2 染料敏化太陽能電池有無鋁摻雜氧化鋅阻擋層的光電參數比較
| Voc | Jsc | F. F. (%) | η (%) | |
| 不具有鋁摻雜氧化鋅阻擋層之電池結構 （TiO2） | 0.68 | 5.52 | 65.98 | 2.51 |
| 具有鋁摻雜氧化鋅阻擋層之電池結構 (AZO/TiO2) | 0.72 | 10.52 | 52.85 | 4.01 |
染料敏化太陽能電池在一般光強度(100mW/cm
2)下所測量的各項光電參數，分別如上方表2所示，其電流密度-電壓曲線之圖譜則繪示於第3圖。由表2可得知，具有鋁摻雜氧化鋅阻擋層之染料敏化太陽能電池不論是開路電壓或是短路電流密度皆可進一步提升。而具有鋁摻雜氧化鋅阻擋層之染料敏化太陽能電池之光伏轉換效率為4.01 %，相較一般不具有鋁摻雜氧化鋅阻擋層二氧化鈦之染料敏化太陽能電池的光伏轉換效率為2.51 %，則是提升約1.6倍。
表3 染料敏化太陽能電池有無鋁摻雜氧化鋅阻擋層的阻抗值
| Rs(ohm) | R1(ohm) | R2(ohm) | |
| 不具有鋁摻雜氧化鋅阻擋層之電池結構 （TiO2） | 21.50 | 7.63 | 28.23 |
| 具有鋁摻雜氧化鋅阻擋層之電池結構 (AZO/TiO2) | 25.03 | 4.78 | 44.52 |
表3為第4圖等效電路模型模擬之電化學阻抗量測。當添加鋁摻雜氧化鋅阻擋層於染料敏化太陽能電池中，其半導體層與電解液間之逆向復合電阻R
2由28.23Ω上升至44.52Ω，表示於半導體傳導帶傳遞之電子與電解液之I
3-複合情形被抑制，不須入射光即可發生的暗反應減少。如第5圖所示，於等效電路模型模擬所得之奈奎斯特(Nyquist)頻譜圖中，橫軸為實部阻抗，縱軸為虛部阻抗。第5圖之第一個半圓對應第二電極之電子轉移電阻與電容，第5圖之第二個半圓對應第一電極之逆向復合電阻與電容。其結果顯示添加鋁摻雜氧化鋅阻擋層之染料敏化太陽能電池相較於一般二氧化鈦之染料敏化太陽能電池，其第二半圓有顯著之提升現象，即表示第一電極與電解液之間具有較大之逆向復合阻抗而使電子難以躍遷至電解液，因此具有鋁摻雜氧化鋅阻擋層之染料敏化太陽能電池能可效抑制電子之逆向復合情形，進而提升染料敏化太陽能電池整體之光伏特性。
雖然本案已以數個較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本案，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本案之精神和範圍內，當可作任意之更動與潤飾，因此本案之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10‧‧‧染料敏化太陽能電池
11‧‧‧染料敏化太陽能電池
111‧‧‧第一透明導電基板
112‧‧‧第二透明導電基板
120‧‧‧半導體層
121‧‧‧半導體染料吸收層
122‧‧‧半導體光散射層
130‧‧‧鋁摻雜氧化鋅阻擋層
140‧‧‧電解液
150‧‧‧催化層
21‧‧‧第一電極
22‧‧‧第二電極
40‧‧‧等效電路模型
為讓本揭露內容之特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉不同實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下： 第1圖係根據一些實施例，繪示出染料敏化太陽能電池之剖面示意圖。 第2圖係根據另一些實施例，繪示出染料敏化太陽能電池之剖面示意圖。 第3圖係根據一些實施例所繪示的染料敏化太陽能電池的電流密度（J）-電壓（V）圖。 第4圖係根據一些實施例，繪示出染料敏化太陽能電池的等效電路模型。 第5圖係根據一些實施例所繪示的染料敏化太陽能電池之奈奎斯特（Nyquist）頻譜圖。
應注意的是，示意圖中各種特徵並未按照比例繪製，其僅用以說明例示。
10‧‧‧染料敏化太陽能電池
111‧‧‧第一透明導電基板
120‧‧‧半導體層
130‧‧‧鋁摻雜氧化鋅阻擋層
140‧‧‧電解液
150‧‧‧催化層
112‧‧‧第二透明導電基板
21‧‧‧第一電極
22‧‧‧第二電極
Claims (17)
- 一種染料敏化太陽能電池，包括：一第一電極，該第一電極包含：一第一透明導電基板；一半導體層，位於該第一透明導電基板上，該半導體層中具有半導體粒子，其中該半導體粒子具有染料；一鋁摻雜氧化鋅阻擋層，該鋁摻雜氧化鋅阻擋層於該半導體層上；一第二電極，與該第一電極相對設置，該第二電極包含一第二透明導電基板；以及一電解液，該電解液位於該第一電極與該第二電極之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池，其中該半導體層包括一半導體染料吸附層以及一半導體光散射層，其中該半導體光散射層中具有兩種以上不同粒徑之半導體粒子。
- 如申請專利範圍第2項所述之染料敏化太陽能電池，其中所述兩種以上不同粒徑之半導體粒子，其中一種之粒徑與該半導體染料吸附層之半導體粒子粒徑相同，其中另一種之粒徑大於該半導體染料吸附層之半導體粒子粒徑。
- 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池，其中該半導體層之半導體包括二氧化鈦或氧化鋅。
- 如申請專利範圍第2或3項所述之染料敏化太陽能電池，其中該半導體光散射層相較於該半導體染料吸附層，離該電解液較近。
- 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池，其中該第一透明導電基板及該第二透明導電基板各自包括一透明導電層與一基板，該基板包括硬質基板或可撓性基板。
- 如申請專利範圍第5項所述之染料敏化太陽能電池，其中該第一透明導電基板與該第二透明導電基板各自包括一透明導電層與一基板，其中該透明導電層較該基板靠近該電解液，其中該基板包括一硬質基板或一可撓性基板，其中該硬質基板包括玻璃基板或金屬基板；該可撓性基板包括聚對苯二甲酸乙二醇酯(Polyethlene terephihalate,PET)、聚碳酸酯(Polycarbonate,PC)、聚苯二甲酸乙二酯(Polyethylene Naphthalate,PEN)或聚醚碸膜(Polyethersulfone,PES)。
- 如申請專利範圍第5項所述之染料敏化太陽能電池，其中該第一透明導電基板與該第二透明導電基板各自包括一透明導電層與一基板，其中該透明導電層較該基板靠近該電解液，其中該透明導電層包括：氧化氟錫(Fluorine doped Tin Oxide Glass,FTO)玻璃、氧化銦錫(Indium Tin Oxide,ITO)玻璃、聚對苯二甲酸乙二醇酯(Polyethlene terephihalate,PET)基板、聚碳酸酯(Polycarbonate,PC)、聚苯二甲酸乙二酯(Polyethylene Naphthalate,PEN)、聚醚碸膜(Polyethersulfone,PES)、或上述之組合。
- 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池，其中該鋁摻雜氧化鋅阻擋層中之鋁摻雜濃度為1wt%-3wt%。
- 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池，其中該鋁摻雜氧化鋅阻擋層之厚度為100-300nm。
- 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池，其中該染料包括一可吸收光而激發電子之有機釕金屬錯合物。
- 如申請專利範圍第11項所述之染料敏化太陽能電池，其中該有機釕金屬錯合物包括N3(Ruthenium-535)、N719(Ruthenium 535-bis TBA)或N749(Ruthenium 620-1H3 TBA)。
- 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池，其中該電解液包括一氧化還原對及一溶劑。
- 如申請專利範圍第13項所述之染料敏化太陽能電池，其中該氧化還原對為I-/I3-，該溶劑包括乙腈、3-甲氧基丙腈(3-methoxypropionitrile,MPN)或碳酸丙烯酯。
- 如申請專利範圍第13項所述之染料敏化太陽能電池，其中該電解液更包括一添加劑，該添加劑包括金屬碘化物、4-叔丁基吡啶(4-Tert-Butylpyridine,TBP)、1-丙基-2,3-二甲基咪唑碘(1-propyl-2,3-dimethylimidazolium iodide,DMPII)。
- 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池，其中該第二電極更包含一催化層，該催化層位於該第二透明導電基板與電解液之間。
- 如申請專利範圍第16項所述之染料敏化太陽能電池，其中該催化層包括石墨烯、奈米碳管或鉑金屬。
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Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| WO2009006910A2 (en) * | 2007-07-09 | 2009-01-15 | Tallinn University Of Technology | Photovoltaic cell based on zinc oxide nanorods and method for making the same |
| TW201251069A (en) * | 2011-05-09 | 2012-12-16 | 3M Innovative Properties Co | Photovoltaic module |
| TWM569081U (zh) * | 2017-06-19 | 2018-10-21 | 英屬維爾京群島商凱姆控股有限公司 | 有機光伏裝置 |
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2018
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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