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以開口結構鈦或鈦合金基板及光聚合器之染料敏化太陽能電池

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科技產業資訊室 (iKnow) - 洪長春 發表於 2014年10月23日
染料敏化太陽能電池是一種濕式太陽能電池,不同於乾式之矽太陽能電池,因此製程相對簡單且成本低廉,但目前其光電轉換效率仍不及於矽太陽能電池,尤其在大尺寸製程方面,更是面臨一大挑戰[註1]。本文將以US8637766B2專利發明之技術解決方案進行說明。
 
染料敏化太陽能電池簡介
市場上單晶矽太陽能電池、多晶矽太陽能電池、非晶矽太陽能電池和化合物半導體太陽能電池是目前大家所熟知太陽能電池的例子。近年來,市場上主要使用矽太陽能電池,例如單晶矽太陽能電池或多晶矽太陽能電池。然而,製造矽太陽能電池的成本高,因為它需要高純度矽材料,以及在高溫和高真空的環境下 [註2]。在這種情況下,近年來染料敏化太陽能電池才吸引大家的注意力。染料敏化太陽能電池的結構簡單,並可以容易地製造,其材料可以由各種物質中選擇;此外,染料敏化太陽能電池可確保高光電轉換效率。
 
通常,染料敏化太陽能電池可用一個簡單的方法製造,就是使用含有具可逆的電化學氧化還原特性,諸如碘物質之電解質注入光電極(photoelectrode)和相對電極(counter electrode)之間,並連接所述光電極與相對電極。光電極一般形成的方法 [註3]:首先是在具有導電層,如ITO(銦錫氧化物)或FTO(氟錫氧化物)的玻璃基板上,其表面上塗有含二氧化鈦微粒的漿料(paste agent)。然後,塗佈的基板進行熱處理,大約在500 ℃燒結,進而產生具有二氧化鈦層的電極。將得到的電極浸入含釕(Ru)金屬錯合物(染料敏化劑),如紅色染料(N719)或黑色染料(N749)的醇溶液中,使釕金屬錯合物附著在多孔的二氧化鈦表面;相對電極是用沉積一催化層(例如,鉑膜)而形成,其對於在玻璃基板上之電化學氧化還原碘物質具有催化活性,且在其上的導電層是以濺射(sputtering)或類似的方法形成。
 
染料敏化太陽能電池是一種濕式太陽能電池,不同於乾式之矽太陽能電池。本文將以US8637766B2專利發明之技術解決方案進行說明。
 
問題瓶頸
染料敏化太陽能電池,若增加了作為光電極與相對電極(導電層面積增加)的玻璃基板之面積也會增大導電層的電阻,進而降低光電轉換效率。此外,染料敏化太陽能電池也有一些問題,即導電層的電阻也會受到製備二氧化鈦燒結體熱處理而增加。並且,含在電解質的高腐蝕性的鹵族化合物,如碘,會腐蝕導電層而產生耐久性問題。
 
為了解決這些問題,從鈦金屬形成光電極基板的方法吸引大家的注意。與迄今眾所周知使用具有導電層的玻璃基板之光電極相比較,使用鈦金屬作為光電極的基板能夠減少電阻的增加。另外,鈦金屬光電極也抑制了由於熱處理增加的電阻,並對電解質中高腐蝕性的鹵族化合物具有高耐蝕性。因此,使用鈦金屬作為光電極的基板將會提供對碘恆定電阻一段很長時間。再者,由於鈦金屬表面增加了鈦基板表面之二氧化鈦層的親合性,預期會有理想的電子流量。 
 
 然而,由於鈦金屬基本上缺乏光透性,當鈦金屬作為光電極的基板,光必須是入射到具有透光性的相對電極,光發射到相對電極,光必須首先滲透放置於相對電極的電解質層,它包含催化劑層和碘等。因此,光量會因光到達光電極的時間而減少,這將導致不充分的光電轉換效率。
 
習知專利技術應用鈦金屬在染料敏化太陽能電池的光電極之一個例子是將氮化鈦(titanium nitride)形成在鈦金屬表面上,並且進行所述氮化鈦施加電壓形成銳鈦礦型(anatase)二氧化鈦膜,且施加電壓大於在電解質的火花放電電壓(spark discharge voltage)。然而,由於這種太陽能電池的光量會因光到達光電極的時間而減少之缺點,因此出現進一步提高太陽能電池的光電轉換效率之需求。
 
為了解決這個問題,後續的習知專利技術揭露使用鈦網(titanium mesh)構成的光電極。更具體地說就是使用具有全金屬50〜95%開口面積的金屬網格(metallic grid),從而使光被直接入射到光電極。雖然,這種太陽能電池的製作,能夠使光入射到光電極,光電轉換效率仍然不足,但這種製作方法仍有其必要性,確保大的開口面積,以提高光擷取量 ; 相對地,由染料敏化劑改質的二氧化鈦所形成的半導體層,例如它的面積因而減小,這會導致光電轉換效率的降低。本文將介紹US8637766B2專利發明,此專利提供染料敏化太陽能電池確保具有高光電轉換效率。
 
US8637766 B2專利發明介紹
染料敏化太陽能電池的光電極影響到電池本身光電轉換效率問題,包括:大面積增加導電層的電阻、鈦金屬缺乏光透性或半導體層面積變小等。另外、鹵族化合物電解質高腐蝕性也影響到染料敏化太陽能電池的持久性問題,這些問題在US8637766B2專利發明中提供解決方案,並確保具有高光電轉換效率,以下介紹此專利之基本資訊、電池結構設計、元件功能介紹及功效說明。
 
1.專利基本資訊
表一所示為US8637766專利基本資訊,包括:名稱、申請/公告日、專利權人、發明人、CPC/UPC分類號、優先權、專利家族、法律狀態、功效/技術及代表圖示等。

表一、US8637766專利基本資訊
專利號碼 US8637766B2 申請國別 美國 法律狀態 有效(Patented Case)
專利名稱 (英) Dye-sensitized solar cell
(中) 染料敏化太陽能電池
申請日 2011/02/08 公告日 2014/01/28
原專利權人 Showa Co., Ltd. 發明人 Takayasu; Teruki
目前擁有人 同原專利權人
CPC分類號 H01G 9/2031; H01M 14/005; H01G 9/209; Y02E 10/52; Y02E 10/542 UPC分類號 136/263
優先權 JP20090022222 20090203 ; WO2010JP51523 20100203
專利家族 EP2395597 (A1) ; EP2395597 (A4) ; KR20110112862 (A) ; JP5161967 (B2)WO2010090226 (A1) ; CN101981752 (A) ; CN101981752 (B)
功效 低電阻; 抗腐蝕 ; 大面積高光電轉換效率

技術

一種染料敏化太陽能電池,包括光電極和相對電極之間的電解質層,其特徵為:

該光電極由一具有開口結構的鈦或鈦合金基板及形成於其上之染料敏化半導體層所構成。

該光電極更包括一個配置在鈦或鈦合金基板上的聚光器(light condenser)。

該聚光器包括一個聚光單元,用於會聚太陽光,以及傳送被會聚之太陽光到該光電極的傳輸單元。

該聚光單元包括至少一個選自於光反射器(light reflector)或棱鏡(prism)。

該具有開口結構的鈦或鈦合金基板上嵌有玻璃棒(glass rod)。

該鈦或鈦合金基板的開口結構是金屬網或條狀材料。

該半導體層是一經由陽極處理該具有開口結構的鈦或鈦合金基板所形成的二氧化鈦膜。

該具有開口結構的鈦或鈦合金基板還包括一陽極處理前形成之氮化鈦層。

該半導體層是經由在該開口結構鈦或鈦合金基板上塗佈含有二氧化鈦微粒之漿料後進行熱處理所形成的二氧化鈦燒結體。

代表圖示

Drawings

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2.染料敏化太陽能電池結構及製造過程
本發明的染料敏化太陽能電池是根據已知的方法來製備,除了光聚光器、光電極等的設計之外,例如,圖1的太陽能電池是由相對配置的光電極7(2+3)和相對電極5,其間隔注入電解質層4,和在光電極上佈置光聚光器1所形成(在圖1的二氧化鈦層及鈦網或條狀材料2之上)。
 
1  US8637766專利染料敏化太陽能電池示意圖
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注入電解液層的種類和方法沒有限制,例如,相對電極在光電極的半導體層上面形成之後,形成一個入口並從此入口注入電解質材料,注入完成之後入口用預定構件或加熱方式封閉。電解液種類可以使用凝膠型(gel-type)電解質,凝膠電解質透過加熱流體化後即可注入。若使用固體電解質層,該固體電解質必須先溶解在可溶的溶劑中,將所得到的流體經入口注入,然後再將溶劑除去。
 
光電極是由含染料敏化劑的半導體層生成在鈦或鈦合金形成的金屬網或條狀材料所構成,金屬網或條狀材料(例如,金屬板條或金屬絲板條)可用於具有開口結構的鈦或鈦合金基板。鈦網可經由已知的製造方法,或者當作市售商品就可容易地得到。例如,鈦網可使用編織鈦絲的方法製造,條狀材料則是在鈦片上製造多個切口(孔洞)方式製造,然後從兩端部位拉片的方法。無論何種方式,鈦網的開口率(opening ratio)最佳約為10至95%,更佳的約為10至45%。特別是,當開口率是大約45%,半導體層可以更容易地在鈦網上形成,鈦網的開口率可以根據已知的方法容易地測定。
 
二氧化鈦半導體層製作方式是用含有二氧化鈦微粒的漿料塗在鈦網上,塗布方式沒有特別的限制,其方法可包括網印(screen printing),噴墨印刷(ink-jet printing),輥塗(roll coating),刮刀塗佈(doctor blade coating),和噴塗(spray coating),然後進行熱處理塗層膜,從而形成二氧化鈦燒結體(層狀)。更具體地講,熱處理塗膜是用纖維構件形成,通常用於塑料纖維,如二氧化矽基纖維(silica-based fiber),聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),聚苯乙烯,或氘化的聚甲基丙烯酸甲酯(DPMMA),或應用二氧化鈦在嵌入玻璃棒的鈦網或條狀材料得到塗佈膜,從而形成層狀二氧化鈦燒結體。這種熱處理塗膜方式可預防漿料穿過鈦網或條狀材料的篩孔,且當電解質層是液體形式,可以防止經由鈦網或條狀材料流出的洩漏問題。此外、這種結構,鈦網或條狀材料可有效地與纖維構件或嵌入在鈦網或條狀材料之玻璃棒連接,從而有效地連接所述纖維構件或玻璃棒與傳輸單元。因此,被聚光單元聚光的太陽光可以入射到半導體層的染料敏化劑。因此,即使鈦網或條狀材料的開口率高,也可確保高光電轉換效率。
 
本發明的染料敏化太陽能電池是透過含有一光聚光器於光電極上協同作用下提高光電轉換效率。光聚光器佈置在鈦或鈦合金基板開口結構(即,在半導體層的相對側)光電極之一側,任何用於矽太陽能電池已知的聚光器等皆可用作光聚光器,只要本發明的效果不受到損害即可。優選的光聚光器是包括一聚光單元和用於傳輸所收集的太陽光到光電極之傳輸單元,聚光單元由一個會聚透鏡(converging lens),光反射器(light reflector),和一個棱鏡所組成(如圖2及代表圖示)。反射器可以包括用氣相沉積的金屬,如銀或鋁,和含這些金屬的金屬板,棱鏡可以包括各種透明材料,如玻璃,丙烯酸樹脂,聚碳酸酯樹脂,聚烯烴樹脂,聚對苯二甲酸乙二醇酯樹脂。
 
3.本專利染料敏化太陽能電池之功效
本專利發明是採用具有一個開口結構的鈦或鈦合金基板做為形成光電極的構件,並且還提供了一個光聚光器在光電極上相互協同作用下,增加光電轉換效率。特別是,當電極(光電極和相對電極)即使具有大面積時,本專利發明的染料敏化太陽能電池仍保留理想的高光電轉換效率。為說明開口結構的鈦或鈦合金基板增加光電轉換效率之效果,本專利實施例比較使用鈦片及鈦網做成的光電極,鈦網的開口率為45%,兩者厚度(2 mm)及面積大小(1 cm2)相同,使用太陽模擬器(商品名:CLR-25,Bunkoukeiki有限公司)100毫瓦/ cm2的光照射電池,並進行電流 - 電壓曲線的測定,如圖3所示。結果顯示,本專利發明的染料敏化太陽能電池之光電轉換效率(光電轉換特性)比已知的染料敏化太陽能電池顯著更高。
 
圖2 用作聚光單元之反射器
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圖3 比較鈦片及鈦網做成光電極的電流 - 電壓曲線
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結論
染料敏化太陽能電池發展至今已超過二十餘年,由於製造過程簡單、成本低廉,加上多年發展已有軟性基材問世,雖然至今光電轉換效率尚不及於矽基太陽能電池,穩定性及持久性仍無法滿足長期負載供電之需求,但由於矽基太陽能電池之製程繁多且矽晶圓來源無法掌控等因素,染料敏化太陽能電池的應用發展便應聲而起,目前實際應用於電力供應方面仍致力於提高光電轉換效率,維持長久的穩定性及持久性為目標。有關光電極的阻抗、光電轉換材料吸收效能、電解質之腐蝕性、相對電極的催化能力等都是急待解決的問題,本文提供US8637766B2專利發明解決了低電阻、抗腐蝕之問題,尤其是在大面積的電極下仍可維持高光電轉換效率。(4152字;圖3)
 
[註1] US patent 8,637,766,USPTO
[註2] US patent 8,822,257,USPTO
[註3] US patent 4,927,721,USPTO
 
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