專利名稱：染料太陽能電池結構以及其光吸收反應層的制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種染料太陽能電池結構以及染料太陽能電池結構的光吸收反應層
的制造方法，尤指利用以擴大光波長吸收范圍的染料太陽能電池結構以及其光吸收反應層 的制造方法。
背景技術：
以染料感光來產(chǎn)生電流的染料太陽能電池，是近來被開發(fā)出來的一種嶄新的太陽 能電池，利用染料分子吸收光線產(chǎn)生電位差，進而產(chǎn)生電流。 染料太陽能電池的基板通常是采用玻璃基板，上、下分別有兩層，基板也可以是透 明且可彎曲的聚合箔(polymer foil);玻璃上有一層透明導電的氧化層，通常是使用二氧 化錫(SnO》，導電的氧化層結合在玻璃上即成為透明導電玻璃(transparent conducting oxide ;TCO)，此氧化層可作為電流傳輸?shù)牡讓印?—側的透明導電玻璃上長有一層高能隙金屬氧化物如二氧化鈦(Ti0》、氧化鋅
(Zn0)、氧化鐵(F^0》、氧化鎢W03等；以二氧化鈦(Ti02)為例，是以二氧化鈦粒子作為一側
的工作電極，然后涂上一層染料分子附著于二氧化鈦的粒子上，染料分子對可見光具有很
好的吸收特性，受光后的染料分子具有足夠的激發(fā)態(tài)氧化還原電位，使得激發(fā)態(tài)染料分子
的電子可注入高能隙金屬氧化物如二氧化鈦(Ti0》、氧化鋅(ZnO)、氧化鐵(F^0》、氧化鴇
W(^等；另一側透明導電玻璃上的電極進1步鍍上一層鉑，來當作電解質(zhì)反應的催化物，兩
側電極上都有銀導線來傳輸電流；二層電極間，則注入填滿電解質(zhì)(electrolyte)。 以往一般的二氧化鈦為單層結構，后來為增加染料太陽能電池的轉換效率，有多
層二氧化鈦結構的技術出現(xiàn)，但是其都為一致的結構大小以及一樣的染料分子，雖然大幅
增加了染料分子的總體數(shù)量，但完全一致的染料分子卻僅會吸收一樣波長范圍的光線。 當前染料太陽能電池的成本比硅晶太陽能電池低很多，但轉換效率約僅硅晶太陽
能電池的一半，若能突破更高的轉換效率，在未來將極有可能成為太陽能電池的主流，非常
值得深入開發(fā)。 因此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種利用以擴大光波長吸收范圍的染料太陽能 電池結構以及其光吸收反應層的制造方法，以改善上述問題。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種染料太陽能電池結構以及其光吸收反應層的制造方 法，能擴大光波長吸收范圍以及增加光線的吸收量，借此以提高此染料太陽能電池整體的 光電轉換效率。 本發(fā)明關于一種染料太陽能電池結構以及其光吸收反應層的制造方法，能擴大光
線吸收率以及擴大光線吸收的頻譜范圍，進而增加整體的光電轉換效率。 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明公開的染料太陽能電池結構包含一基板、一透明基板、二
電子傳輸層、一光吸收反應層、以及一對極層。該透明基板與該基板相對層迭設置，以于該基板與該透明基板間形成一內(nèi)部，該光線自相對該內(nèi)部的外部，通過該透明基板以進入該 內(nèi)部。該二電子傳輸層設置于該內(nèi)部，并相互間隔以層迭相對，實務上以貼附在該透明基板 與該基板相鄰表面為較易制作。該光吸收反應層包含至少一光吸收反應結構以及至少一第 一導線。該光吸收反應層于該內(nèi)部并設置于鄰近該透明基板的電子傳輸層的表面，使該光 吸收反應結構通過該電子傳輸層與該第一導線電性耦接。該光吸收反應結構進一步包含一 半導體層、以及多數(shù)個染料分子。半導體層為多數(shù)個半導體粒子結合為多層結構體以層迭 于該電子傳輸層表面，并且鄰近該電子傳輸層的半導體粒子較小，而延伸向該內(nèi)部的該半 導體粒子漸大。多數(shù)個染料分子對應該等半導體粒子的粒子大小也具有多種粒子大小，不 同大小的染料分子用以吸收不同波長的光線，較小的染料分子附著于較小的半導體粒子， 較大的染料分子附著于較大的半導體粒子。其中，所述不同大小的染料分子用以吸收不同 波長的光線，以大粒子的染料分子吸收長波長的光線，小粒子的染料分子吸收短波長的光 線。該對極層對應該光吸收反應結構包含至少一對極結構，以及對應該第一導線包含至少 一第二導線，該對極層于該內(nèi)部并設置于鄰近該基板的電子傳輸層的表面，使該對極結構 通過該電子傳輸層與該第二導線電性耦接。其中，該光吸收反應層的染料分子吸收通過該 透明基板進入該內(nèi)部的光線，以產(chǎn)生電位差導致電流。 短波長的光線的穿透效率較差，先由靠外部小粒子的染料分子來吸收，長波長的 光線的穿透效率較佳，后續(xù)由靠內(nèi)側大粒子的染料分子來吸收。 而且，為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供一種染料太陽能電池結構的光吸收反應層
的制造方法，該染料太陽能電池包含有相對層迭設置且以間距形成一內(nèi)部的基板與透明基
板，二電子傳輸層設置于該內(nèi)部，并相互間隔以層迭相對，該光吸收反應層于該內(nèi)部并設置
于鄰近該透明基板的電子傳輸層的表面，并包含至少一光吸收反應結構，該光吸收反應結
構進一步包含多數(shù)個半導體粒子所構成的半導體層以及多數(shù)個染料分子，該制造方法包含
下列步驟將顆粒較小的半導體粒子設置于該電子傳輸層表面；向該內(nèi)部依序?qū)⑤^大的半
導體粒子層迭設置于較小的半導體粒子上；沉積大粒子的多數(shù)個染料分子；以及沉積小粒
子的多數(shù)個染料分子，其中不同大小的染料分子用以吸收不同波長的光線；其中，較小的染
料分子附著于較小的半導體粒子，較大的染料分子附著于較大的半導體粒子。 因此，通過本發(fā)明的染料太陽能電池結構以及其光吸收反應層的制造方法，利用
不同大小的半導體粒子，配合不同大小的染料分子吸收不同頻譜范圍的光線，并依照制程
順序形成特定的多層結構體，借此能擴大光波長吸收范圍以及增加光線的吸收量，以提高
此染料太陽能電池整體的光電轉換效率。 關于本發(fā)明的優(yōu)點與精神可以通過以下的發(fā)明詳述及所附圖式得到進一步的了解。
圖1為本發(fā)明染料太陽能電池結構的側面剖示圖；
圖2為本發(fā)明染料太陽能電池結構制造方法的流程圖；
圖3為光吸收反應結構制作初期的示意圖；
圖4為光吸收反應結構制作中期的示意圖；以及
圖5為光吸收反應結構制作后期的示意圖。
其中，附圖標記30 :太陽能電池結構32A :基板32B :透明基板33 :電子傳輸層34 :光吸收反應層36 :對極層40 :內(nèi)部42 :光線3402 :吸收反應結構3404 :第一導線3602 :對極結構3604 :第二導線38 :電解質(zhì)3402A :半導體層3402B :染料分子
具體實施例方式
請參閱圖1，圖1為本發(fā)明染料太陽能電池結構30的側面剖示圖。本發(fā)明關于一 種染料太陽能電池結構30，能擴大光線42吸收率以及擴大光線42吸收的頻譜范圍，進而增 加整體的光電轉換效率。染料太陽能電池結構30包含一基板32A、一透明基板32B、二電子 傳輸層33、一光吸收反應層34、以及一對極層36。 透明基板32B與基板32A相對層迭設置，以于基板32A與透明基板32B間形成一 內(nèi)部40，實務上基板32A就可采用透明基板32B，而所謂透明基板32B可為玻璃基板。光線 42自相對內(nèi)部40的外部，通過透明基板32B以進入內(nèi)部40中。 該二電子傳輸層33設置于內(nèi)部40，并相互間隔以層迭相對，實務上以貼附在透明 基板32B與基板32A相鄰表面為較易制作。當電子傳輸層33是貼附于透明基板32B與基 板32A表面時，該二電子傳輸層的一電子傳輸層(需透光的那側)貼附于該玻璃基板的表 面以形成一透明導電玻璃(TransparentConducting Oxide ;TC0)，所述該透明導電玻璃可 以是氟摻雜的氧化錫(FT0)、錫摻雜的氧化銦(IT0)、或是鋁摻雜的氧化鋅(AZ0)等透明導 電玻璃；該二電子傳輸層的另一電子傳輸層(不需透光的那側)可以是金屬薄膜(METAL F0LIE)、或是金屬板(METAL Sheet)。 光吸收反應層34包含至少一光吸收反應結構3402以及至少一第一導線3404。光 吸收反應層34于內(nèi)部40，并使光吸收反應結構3402以及第一導線3404都設置于鄰近透 明基板32B的電子傳輸層33的表面，使光吸收反應結構3402通過電子傳輸層33與第一導 線3404電性耦接。光吸收反應結構3402進一步包含具有大小不同且互相層迭半導體粒子 3402A的半導體層、以及附著在半導體粒子3402A上的多數(shù)個染料分子3402B。
多數(shù)個半導體粒子3402A結合為多層結構體以層迭于電子傳輸層33表面來形成 半導體層，半導體粒子3402A實務上可采用高能隙金屬氧化物如二氧化鈦(Ti02)、氧化鋅 (Zn0)、氧化鐵(Fe20》、氧化鎢W03等。其中，鄰近電子傳輸層33的半導體粒子3402A較小， 而延伸向內(nèi)部40的半導體粒子3402A漸大，換句話說，自電子傳輸層33表面向上自小顆粒 而大顆粒來層層堆棧。 多數(shù)個染料分子3402B對應該半導體粒子3402A的粒子大小也具有多種粒子大 小，較小的染料分子3402B附著于較小的半導體粒子3402A，較大的染料分子3402B附著于 較大的半導體粒子3402A。因此，較小的染料分子3402B附著于較小的半導體粒子3402A且 較為靠近光線42的進入源頭，較大的染料分子3402B附著于較大的半導體粒子3402A且較遠離光線42的進入源頭。 所述不同大小的染料分子3402B用以吸收不同波長的光線42，以大粒子的染料分 子3402B吸收長波長的光線42，小粒子的染料分子3402B吸收短波長的光線42。因為長波 長光線42傳遞較遠，短波長光線42穿透力較弱，所以，小粒子染料分子3402B靠近外部，大 粒子的染料分子3402B靠近內(nèi)部40，有利于廣域波長的光線42能被充分吸收。
對極層36對應光吸收反應結構3402包含至少一對極結構3602，以及對應第一導 線3404包含至少一第二導線3604。對極結構3602實務上可采用鉑金屬薄膜、鉬金屬粒子、 或是石墨，于內(nèi)部40并設置于鄰近基板32A的電子傳輸層33的表面，使對極結構3602通 過電子傳輸層33與第二導線3604電性耦接。其中，第一導線以及第二導線3604實務上采 用銀導線會較利于傳導。 當對極層36與光吸收反應層34的上、下結構分別完成后，會從第一導線3404與 第二導線3604相對之處以UV膠、環(huán)氧樹脂(EPOXY)、或硅膠(SIICON)將上、下結構接合，再 于其間的內(nèi)部40填充一電解質(zhì)38，就成為完整的染料太陽能電池結構30。后續(xù)，光線42 通過透明基板32B進入內(nèi)部40，被光吸收反應層34的染料分子3402B吸收，產(chǎn)生電位差而 導致電流。 請參閱圖2，圖2為本發(fā)明染料太陽能電池結構30制造方法的流程圖。本發(fā)明也是 染料太陽能電池結構30的光吸收反應層34的制造方法，所制作完成的染料太陽能電池包 含有相對層迭設置且以間距形成一 內(nèi)部40的基板32A與透明基板32B ;二電子傳輸層33設 置于內(nèi)部40，并相互間隔以層迭相對；光吸收反應層34于內(nèi)部40并設置于鄰近透明基板 32B的電子傳輸層33的表面，并包含至少一光吸收反應結構3402，光吸收反應結構3402進 一步包含如二氧化鈦的半導體粒子3402A所構成的半導體層、以及多數(shù)個染料分子3402B。
針對光吸收反應結構3402的制作，本發(fā)明的制造方法包含下列步驟
步驟S02 :將顆粒較小的半導體粒子3402A設置于電子傳輸層33表面。
步驟S04 :向內(nèi)部40依序?qū)⑤^大的半導體粒子3402A層迭設置于較小的半導體粒 子3402A上。 根據(jù)圖2步驟S02、步驟S04請配合圖3，圖3為光吸收反應結構3402制作初期的 示意圖。由圖中可見顆粒較小的半導體粒子3402A形成于電子傳輸層33表面，再向上堆棧 并且顆粒自小而大。上層大顆粒之間隙自然較大，下層小顆粒之間隙自然較小。
再回到圖2，進行步驟S06 :先沉積大粒子的多數(shù)個染料分子3402B，該些染料分子 3402B會優(yōu)先吸附于上層較大的半導體粒子3402A。 根據(jù)圖2步驟S06請配合圖4，圖4為光吸收反應結構3402制作中期的示意圖。 由圖中可見大粒子的染料分子3402B會先被上層的大顆粒半導體層3402A吸附。
再回到圖2，步驟S08 :沉積小粒子的多數(shù)個染料分子3402B。 根據(jù)圖2步驟S08請配合圖5，圖5為光吸收反應結構3402制作后期的示意圖。 由圖中可見后續(xù)小粒子的染料分子3402B會穿過大粒子的染料分子3402B的孔隙，降到下 層后，會下層的小顆粒半導體層3402A所吸附。因此，較小的染料分子3402B附著于較小的 半導體層3402A，且較為靠近光線42的進入源頭；較大的染料分子3402B附著于較大的半 導體層3402A，較遠離光線42的進入源頭。 其中，所述不同大小的染料分子3402B用以吸收不同波長的光線42，以大粒子的染料分子3402B吸收長波長的光線42，小粒子的染料分子3402B吸收短波長的光線42。因 為長波長光線42傳遞較遠，短波長光線42穿透力較若，所以，小粒子染料分子3402B靠近 外部，大粒子的染料分子3402B靠近內(nèi)部40，有利于廣域波長的光線42能被充分吸收。
因此，通過本發(fā)明的染料太陽能電池結構30以及其光吸收反應層34的制造方法， 利用不同大小的半導體分子3402A，配合不同光波長吸收能力的染料分子3402B，依照制程 順序形成特定的多層結構體，借此不僅由立體結構擴大光線42吸收率，且因為不同波長范 圍的染料分子3402B而擴大光線42吸收的頻譜范圍，進而提高此染料太陽能電池整體的光 電轉換效率。 當然，本發(fā)明還可有其它多種實施例，在不背離本發(fā)明精神及其實質(zhì)的情況下，熟 悉本領域的技術人員當可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變 形都應屬于本發(fā)明所附的權利要求的保護范圍。
權利要求
一種染料太陽能電池結構，接收光線以產(chǎn)生電流，其特征在于，該染料太陽能電池結構包含一基板；一透明基板，與該基板相對層迭設置，以于該基板與該透明基板間形成一內(nèi)部，該光線自相對該內(nèi)部的外部，通過該透明基板以進入該內(nèi)部；二電子傳輸層，設置于該內(nèi)部，并相互間隔以層迭相對；一光吸收反應層，包含至少一光吸收反應結構以及至少一第一導線，該光吸收反應層于該內(nèi)部并設置于鄰近該透明基板的電子傳輸層的表面，使該光吸收反應結構通過該電子傳輸層與該第一導線電性耦接，該光吸收反應結構進一步包含一半導體層，為多層不同粒徑大小的半導體粒子層迭于該電子傳輸層表面而成，并且鄰近該電子傳輸層的半導體粒子較小，而延伸向該內(nèi)部的該半導體粒子漸大；多數(shù)個染料分子，對應該半導體粒子的粒徑大小也具有多種粒子大小，不同大小的染料分子用以吸收不同波長的光線，其中較小的染料分子附著于較小的半導體粒子，較大的染料分子附著于較大的半導體粒子；以及一對極層，對應該光吸收反應結構包含至少一對極結構，以及對應該第一導線包含至少一第二導線該對極層于該內(nèi)部并設置于鄰近該基板的電子傳輸層的表面，使該對極結構通過該電子傳輸層與該第二導線電性耦接；其中，該光吸收反應層的染料分子吸收通過該透明基板進入該內(nèi)部的光線，以產(chǎn)生電位差導致電流。
2. 根據(jù)權利要求1所述的染料太陽能電池結構，其特征在于，所述不同大小的染料分子用以吸收不同波長的光線，以大粒子的染料分子吸收長波長的光線，小粒子的染料分子吸收短波長的光線。
3. 根據(jù)權利要求1所述的染料太陽能電池結構，其特征在于，該基板也為該透明基板。
4. 根據(jù)權利要求1所述的染料太陽能電池結構，其特征在于，該透明基板為一玻璃基板。
5. 根據(jù)權利要求4所述的染料太陽能電池結構，其特征在于，該二電子傳輸層的一電子傳輸層貼附于該玻璃基板的表面以形成一透明導電玻璃所述該透明導電玻璃選自于由氟摻雜的氧化錫、錫摻雜的氧化銦、以及鋁摻雜的氧化鋅所組成族群的透明導電玻璃該二電子傳輸層的另一電子傳輸層選自于由金屬薄膜、以及金屬板所組成族群的電子傳輸層。
6. 根據(jù)權利要求1所述的染料太陽能電池結構，其特征在于，該半導體粒子為高能隙金屬氧化物，所述高能隙金屬氧化物選自于由二氧化鈦、氧化鋅、氧化鐵、以及氧化鎢W03所組成族群的高能隙金屬氧化物。
7. 根據(jù)權利要求1所述的染料太陽能電池結構，其特征在于，該對極結構的材質(zhì)選自于由鉑金屬薄膜、鉬金屬粒子、以及石墨所組成族群的材質(zhì)。
8. 根據(jù)權利要求1所述的染料太陽能電池結構，其特征在于，該第一導線以及該第二導線為一銀導線。
9. 根據(jù)權利要求1所述的染料太陽能電池結構，其特征在于，該內(nèi)部更填充有一電解質(zhì)。
10. —種染料太陽能電池結構的光吸收反應層的制造方法，該染料太陽能電池包含有相對層迭設置且以間距形成一內(nèi)部的基板與透明基板，二電子傳輸層設置于該內(nèi)部，并相互間隔以層迭相對，該光吸收反應層于該內(nèi)部并設置于鄰近該透明基板的電子傳輸層的表面，并包含至少一光吸收反應結構，該光吸收反應結構進一步包含多數(shù)個半導體粒子所構成的半導體層以及多數(shù)個染料分子，其特征在于，該制造方法包含下列步驟將顆粒較小的半導體粒子設置于該電子傳輸層表面；向該內(nèi)部依序?qū)⑤^大的半導體粒子層迭設置于較小的半導體粒子上；沉積大粒子的多數(shù)個染料分子；以及沉積小粒子的多數(shù)個染料分子，其中不同大小的染料分子用以吸收不同波長的光線；其中，較小的染料分子附著于較小的半導體粒子，較大的染料分子附著于較大的半導體粒子。
11. 根據(jù)權利要求io所述的制造方法，其特征在于，該光吸收反應層進一步包含至少一第一導線，該光吸收反應結構通過該電子傳輸層與該第一導線電性耦接。
12. 根據(jù)權利要求ll所述的制造方法，其特征在于，該染料太陽能電池結構更進一步包含一對極層該對極層對應該光吸收反應結構包含至少一對極結構，以及對應該第一導線包含至少一第二導線，該對極層于該內(nèi)部并設置于鄰近該基板的電子傳輸層的表面，使該對極結構通過該電子傳輸層與該第二導線電性耦接，其中該光吸收反應層的染料分子吸收通過該透明基板進入該內(nèi)部的光線，以產(chǎn)生電位差導致電流。
13. 根據(jù)權利要求IO所述的制造方法，其特征在于，所述不同大小的染料分子用以吸收不同波長的光線，以大粒子的染料分子吸收長波長的光線，小粒子的染料分子吸收短波長的光線。
14. 根據(jù)權利要求IO所述的制造方法，其特征在于，該基板也為該透明基板。
15. 根據(jù)權利要求IO所述的制造方法，其特征在于，該透明基板為一玻璃基板。
16. 根據(jù)權利要求15所述的制造方法，其特征在于，該二電子傳輸層的一電子傳輸層貼附于該玻璃基板的表面以形成一透明導電玻璃所述該透明導電玻璃選自于由氟摻雜的氧化錫、錫摻雜的氧化銦、以及鋁摻雜的氧化鋅所組成族群的透明導電玻璃，該二電子傳輸層的另一電子傳輸層選自于由金屬薄膜、以及金屬板所組成族群的電子傳輸層。
17. 根據(jù)權利要求10所述的制造方法，其特征在于，該半導體粒子為高能隙金屬氧化物，所述高能隙金屬氧化物選自于由二氧化鈦、氧化鋅、氧化鐵、以及氧化鎢W03所組成族群的高能隙金屬氧化物。
18. 根據(jù)權利要求12所述的制造方法，其特征在于，該對極結構的材質(zhì)選自于由鉑金屬薄膜、鉬金屬粒子、以及石墨所組成族群的材質(zhì)。
19. 根據(jù)權利要求12所述的制造方法，其特征在于，該第一導線以及該第二導線為一銀導線。
20. 根據(jù)權利要求IO所述的制造方法，該制造方法于沉積染料之后，更包含下列步驟填充一電解質(zhì)于該內(nèi)部。
全文摘要
一種染料太陽能電池結構以及其光吸收反應層的制造方法，是將基板與透明基板以互有間距的方式來層迭設置，二電子傳輸層分別設置于基板與透明基板相鄰的表面；光吸收反應層包含光吸收反應結構以及第一導線，都設置于透明基板上電子傳輸層的表面，對極層相對光吸收反應層而設置；其中光吸收反應結構為顆粒自小而大所堆棧的半導體層，以及半導體層上所吸附不同大小、不同光波長吸收范圍的染料分子，后續(xù)光線通過透明基板照射染料分子，會產(chǎn)生電位差而導致電流，借此不僅由立體結構擴大了光線吸收率，且因為不同波長范圍的染料分子而擴大光線吸收的頻譜范圍。
文檔編號H01M14/00GK101752102SQ20081018620
公開日2010年6月23日 申請日期2008年12月17日 優(yōu)先權日2008年12月17日
發(fā)明者吳文蒂, 李茂賢 申請人:奇菱科技股份有限公司