專利名稱：：染料敏化太陽能電池的工作電極的制作方法染料敏化太陽能電池的工作電極的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種染料敏化太陽能電池(Dye-SensitizedSolarCell，DSSC)的技術(shù)，且特別是涉及一種染料敏化太陽能電池的工作電極層的制作方法。
背景技術(shù)：
：太陽能電池是一種非常有希望的干凈能源，其可直接從陽光產(chǎn)生電(electricity)。不過，必須要有效地降低太陽能電池的生產(chǎn)成本以便使其被廣泛接受而變成主要電源。近年，由Gratzel提出一種所謂的染料敏化太陽能電池(DSSC)，可以更有效地利用太陽能源，而成為繼硅晶太陽能電池后被視為最有潛力的第三代太陽電池之一。一般而言，染料敏化太陽能電池的結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括分別位于透明導(dǎo)電基板100a和100b上、提供電流流動通路的二氧化鈦(Ti02)工作電極102和Pt對電極104以及傳輸空穴的電解液106，其中透明導(dǎo)電基板100a和100b表面涂布有透明導(dǎo)電氧化物(TransparentConductiveOxide，TCO)108。上述染料敏化太陽能電池盡管已具備商品化條件，但仍有許多問題需要克服，包括染料吸附有限(造成光電轉(zhuǎn)換效率不夠高)、液態(tài)電解液封裝困難、容易滲漏、耐久性欠佳...等，因此仍有許多改進(jìn)空間。對于一般染料敏化太陽能電池，吸附染料的方法多為浸置(immerse)在~1(T4M的溶液里，或是利用兩種以上染料以雞尾酒方式配置成溶液，再一起吸附到二氧化鈦上，然而這樣的吸附方式并不能有效地填滿所有二氧化鈦。尤其是雞尾酒方式的染料吸附技術(shù)，因為不同染料之間在吸附上有竟?fàn)幮裕虼送鶡o法確定染料的用量、比例等較佳吸附條件。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供一種染料敏化太陽能電池(DSSC)的工作電極的制作方法，可使工作電極層吸附更多的染料，以提高光電轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明另提供一種染料敏化太陽能電池的工作電極的制作方法，可增加工作電極的吸收光的范圍，以提高染料敏化太陽能電池效能。本發(fā)明提出一種染料敏化太陽能電池的工作電極的制作方法，包括在透明導(dǎo)電基板上形成金屬氧化物層，再使用金屬絡(luò)合物染料對所述金屬氧化物層進(jìn)行第一染料吸附階段(absorptionstage)。接著，使用有機染料對所述金屬氧化物層進(jìn)行第二染料吸附階段，以填補金屬氧化物層中的空隙。在本發(fā)明的一實施例中，在第二染料吸附階段之后還可再進(jìn)行至少一段有機染料吸附階段，其中所述有機染料吸附階段與第二染料吸附階段可以使用相同或者不同的有機染料。而且，有機染料吸附階段與第二染料吸附階段使用的有機染料可以具有不同的吸收波長范圍。在本發(fā)明的一實施例中，上述有機染料的分子呈現(xiàn)長鏈型，且有機染料的一端為COOH官能團或其鹽類。在本發(fā)明的一實施例中，上述有機染料的分子量(FW)在200-700之間。在本發(fā)明的一實施例中，上述透明導(dǎo)電基板表面涂布有一層透明導(dǎo)電氧化物(TransparentConductiveOxide,TCO)，其包括摻雜F的二氧化錫(Sn02:F，F(xiàn)TO)、摻雜Al的氧化鋅(ZnO:Al)或其它適合的透明導(dǎo)電氧化物。在本發(fā)明的一實施例中，上述金屬氧化物層的材料包括Ti02、Si02、ZnO、ZrO^Al203。在本發(fā)明的一實施例中，上述金屬絡(luò)合物染料包括釕、鋨、鐵、钷(illinium)、鉑或鋅的金屬絡(luò)合物染料。本發(fā)明另提出一種染料敏化太陽能電池的工作電極的制作方法，包括在透明導(dǎo)電基板上形成二氧化鈦(Ti02)層，再使用釕金屬絡(luò)合物染料對所述二氧化鈦層進(jìn)行第一染料吸附階段。然后，清洗上述基板，以去除殘留的釕金屬絡(luò)合物染料。之后，使用有機染料對所述二氧化鈦層進(jìn)行第二染料吸附階段，其中所述有機染料的分子呈現(xiàn)長鏈型，且所述有機染料的一端為COOH官能團或其鹽類。在本發(fā)明的另一實施例中，上述有機染料的分子量(FW)在200-700之間。在本發(fā)明的另一實施例中，上述清洗基板的方法包括使用乙腈(acetonitrile,AN)或是丙酮進(jìn)行清洗。在本發(fā)明的另一實施例中，上述第一染料吸附階段的溫度約控制在550。C70。C之間。在本發(fā)明的另一實施例中，上述第二染料吸附階段的溫度約控制在20。C70。C之間。在本發(fā)明的另一實施例中，在第二染料吸附階段之后還可再進(jìn)行至少一段有機染料吸附階段，其中所述有機染料吸附階段與第二染料吸附階段可以使用相同或者不同的有機染料。而且，有機染料吸附階段與第二染料吸附階段使用的有機染料可以具有不同的吸收波長范圍。在本發(fā)明的另一實施例中，上述透明導(dǎo)電基板表面涂布有一層透明導(dǎo)電氧化物(TCO)，如摻雜F的二氧化錫(Sn02:F，F(xiàn)TO)、摻雜Al的氧化鋅(ZnO:Al)或其它適合的透明導(dǎo)電氧化物。本發(fā)明因為采用分段多重吸附(multi-stepabsorption)染料的技術(shù)，來形成染料敏化太陽能電池(DSSC)的工作電極。因此，能增加工作電極的染料吸附量，進(jìn)而提高光電轉(zhuǎn)換效率。此外，本發(fā)明也可利用分段多重吸附染料的技術(shù)，將不同吸收波長的染料依序吸附于工作電極，由此增加工作電極的吸收光的范圍，或是對工作電極進(jìn)行修飾，進(jìn)而提高染料敏化太陽能電池效能。為了使本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉優(yōu)選實施例，并配合附圖，作詳細(xì)說明如下。圖1是現(xiàn)有技術(shù)的一種染料敏化太陽能電池的剖面示意圖。圖2A至圖2C是依照本發(fā)明的一實施例的一種染料敏化太陽能電池的工作電極的制作流程剖面示意圖。圖3是依照本發(fā)明的另一實施例的一種染料敏化太陽能電池的工作電極的制作流程步驟圖。圖4是實驗一的多重吸附(本發(fā)明)與現(xiàn)有技術(shù)單一吸附的工作電極的電性分析曲線圖。圖5是實驗二的多重吸附(本發(fā)明)與現(xiàn)有技術(shù)單一吸附的工作電極的電性分析曲線圖。主要附圖標(biāo)記說明100a、100b、200:透明導(dǎo)電基板102:二氧化鈦(Ti02)工作電極104:Pt對電極106:電解液108、202:透明導(dǎo)電氧化物204:金屬氧化物層206:容器208:金屬絡(luò)合物染料溶液210:金屬絡(luò)合物染料212:有機染料溶液214:有機染料3Q0306:步驟具體實施方式下文中請參閱附圖來更充分地了解本發(fā)明，其中附圖顯示本發(fā)明的各實施例。不過，本發(fā)明還可用多種不同形式來實踐，且不應(yīng)將其解釋為限于下文所陳述的實施例。實際上，提供這些實施例只是為了使本發(fā)明被披露得更詳盡且完整，同時借此將本發(fā)明的范疇完全傳達(dá)至所屬
技術(shù)領(lǐng)域：
的技術(shù)人員。在附圖中，為明確起見可能將各層的尺寸以及相對尺寸作夸張的描繪。圖2A至圖2C是依照本發(fā)明的一實施例的一種染料敏化太陽能電池(Dye-SensitizedSolarCell,DSSC)的工作電極的制作流程剖面示意圖。請參照圖2A,本實施例的制作方法是先提供透明導(dǎo)電基板200,且在其表面可涂布一層透明導(dǎo)電氧化物(TransparentConductiveOxide，TCO)202，其中透明導(dǎo)電氧化物202例如為摻雜F的二氧化錫(SnO2:F,FTO)、摻雜Al的氧化鋅(ZnO:Al)或其它適合的透明導(dǎo)電氧化物。隨后，在透明導(dǎo)電基板200上形成一層金屬氧化物層204，其材料例如Ti02、Si02、ZnO、Zr02或A1203。然后，請參照圖2B，使用一種金屬絡(luò)合物染料對金屬氧化物層204進(jìn)行第一染料吸附階段，其中金屬絡(luò)合物染料譬如為釕、鋨、鐵、钷、鉑或鋅的金屬絡(luò)合物染料。本實施例的第一染料吸附階段如圖所示，在容器206中配有金屬絡(luò)合物染料溶液208，再將透明導(dǎo)電基板200連同金屬氧化物層204—起浸泡在其中。如此一來，金屬絡(luò)合物染料210會吸附在金屬氧化物層204上。接著，請參照圖2C，使用一種有機染料對金屬氧化物層204進(jìn)行第二染料吸附階段，以填補金屬氧化物層204中的空隙，其中有機染料的分子呈現(xiàn)長鏈型，且有機染料的一端為COOH官能團或其鹽類。有機染料的分子量(FW)譬如是在200-700之間。在本實施例的第二染料吸附階段如圖所示，是將透明導(dǎo)電基板200浸泡在有機染料溶液212中，而使有機染料214吸附在金屬氧化物層204上，并通過長鏈型的有機染料214向金屬氧化物層204內(nèi)部滲入并吸附于金屬氧化物層204表面，而形成染料敏化太陽能電池(DSSC)的工作電極。除此之外，在第二染料吸附階段(即，圖2C)之后，還可依照染料敏化太陽能電池的需求，選擇再進(jìn)行至少一段次級有機染料吸附階段。而該另增加的有機染料吸附階段與前述第二染料吸附階段可以使用相同或者不同的有機染料。舉例來說，第二染料吸附階段之后進(jìn)行的有機染料吸附階段，可以使用吸收波長范圍不同于第二染料吸附階段使用的有機染料，因此可以更有效地利用太陽光；換句話說，組合兩種以上的染料(吸收波長不同)就可以達(dá)到利用全光譜的太陽光，以大幅提高染料敏化太陽能電池的效能。圖3則是依照本發(fā)明的另一實施例的一種染料敏化太陽能電池的工作電極的制作流程步驟圖。請參照圖3，在步驟300中，在透明導(dǎo)電基板上形成一層二氧化鈦(Ti02)層，而上述透明導(dǎo)電基板表面可先涂布一層透明導(dǎo)電氧化物(TCO)，如摻雜F的二氧化錫(FTO)、摻雜Al的氧化鋅(ZnO:Al)或其它適合的透明導(dǎo)電氧化物。接著，在步驟302中，使用一種釕金屬絡(luò)合物染料對所述二氧化鈦層進(jìn)行第一染料吸附階段，其中第一染料吸附階段的溫度例如在50。C7(TC之間。然后，在步驟304中，清洗上述基板，以去除殘留的釕金屬絡(luò)合物染料。其中清洗基板的方法包括使用溶劑進(jìn)行清洗，例如乙腈(acetonitrile，AN)或是丙酮。之后，在步驟306中，使用一種有機染料，對所述二氧化鈦層進(jìn)行第二染料吸附階段，其中第二染料吸附階段的溫度例如在20。C7(TC之間。此外，所述有機染料的分子呈現(xiàn)長鏈型，且其一端為COOH官能團或其鹽類，其中有機染料的分子量(FW)例如在200-700之間。由于第二染料吸附階段可填補二氧化鈦層中的空隙，所以不但可以增加光電轉(zhuǎn)換效率，還可以避免因為過多的二氧化鈦層的空隙直接接觸到電解液，造成暗電流也跟著加大，繼而可以擴大染料敏化太陽能電池的可用性。此外，在步驟306之后還可進(jìn)行步驟304與步驟306至少一步，其中每一有機染料吸附階段可使用相同或者不同的有機染料，尤其是當(dāng)各個有機染料吸附階段使用的有機染料具有不同的吸收波長范圍時，還能使染料敏化太陽能電池的吸收光的范圍變大。以下實驗是針對本發(fā)明的多重吸附技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)單一吸附技術(shù)在光電轉(zhuǎn)換效率上的差異作比較。實驗一首先，準(zhǔn)備兩個在表面涂布有一層透明導(dǎo)電氧化物(TCO)的透明導(dǎo)電基板，然后分別在其上形成一層二氧化鈦(Ti02)層。其中一片透明導(dǎo)電基板(后稱"比較基板")使用N719染料在50oC~70°C之間進(jìn)行染料吸附；另一片透明導(dǎo)電基板(后稱"實例基板")則使用N719染料在50°C~70°C之間進(jìn)行第一染料吸附階段1.5小時。然后，以乙睛(AN)清洗實例基板，以去除殘留的染料。接著，再將實例基板置于有機染料F-1(C37H28N202，F(xiàn)W-532)中，在50。070。C之間吸附0.5小時，而得到本發(fā)明的工作電極。圖4是實驗一的多重吸附的工作電極(本發(fā)明)與現(xiàn)有技術(shù)單一吸附的工作電極的電性分析曲線圖。下表一則為圖4顯示的效率提高數(shù)據(jù)。表一V。c(V)Jsc(mA/cm2)FFTl(%)本發(fā)明(多重吸附)0.74814.000.6236.52現(xiàn)有技術(shù)(單一吸附)0.72712.740.6706.20從圖4和表一可知，根據(jù)本發(fā)明的多重吸附的技術(shù)所制作的工作電極能提高染料敏化太陽能電池的效能。實驗二二氧化鈦(Ti02)層涂布方式與實驗一相同，制作出四片相同條件的二氣化鈦層在導(dǎo)電基板，一片為比較基板，三片為實例基板。比較基板浸9泡染料條件與實驗一相同，實例基板則使用N719染料在50。C70。C之間進(jìn)行第一染料吸附階段1.5小時。然后，以乙睛(AN)清洗實例基板。去除殘留的染料后，分別浸染至三種不同有機染料F-1(C37H28N202，F(xiàn)w=532)、F-Tl(C41H30N2O2S，F(xiàn)W-614)以及F-C1(C62H64N202S2，F(xiàn)W=933),在20。C40。C之間進(jìn)行第二染料吸附階段，持續(xù)時間1.5小時。圖5是實驗二的多重吸附的工作電極(本發(fā)明)與現(xiàn)有技術(shù)單一吸附的工作電極的電性分析曲線圖。下表二則為圖5顯示的效率提高數(shù)據(jù)。<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>從圖5和表二可知對二氧化鈥層而言，分子量(FW)在200-700之間的有機染料有利于提升染料敏化太陽能電池效能。綜上所述，本發(fā)明將不同染料依照分段吸附的方法，一起吸附在染料敏化太陽能電池的工作電極的金屬氧化物層，故可增加染料吸附含量，進(jìn)而提高光電轉(zhuǎn)換率；或是對工作電極進(jìn)行修飾。此外，本發(fā)明還可利用分段吸附技術(shù)，使染料敏化太陽能電池具有寬范圍波長吸收特性的效果。雖然本發(fā)明已以優(yōu)選實施例披露如上，然其并非用以限定本發(fā)明。任何本發(fā)明所屬
技術(shù)領(lǐng)域：
中的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，應(yīng)可作任意更動與潤飾，因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求書所限定的范圍為準(zhǔn)。權(quán)利要求1.一種染料敏化太陽能電池的工作電極的制作方法，其特征在于所述制作方法包括在透明導(dǎo)電基板上形成金屬氧化物層；使用金屬絡(luò)合物染料，對該金屬氧化物層進(jìn)行第一染料吸附階段；以及使用有機染料，對該金屬氧化物層進(jìn)行第二染料吸附階段。2.如權(quán)利要求1所述的染料敏化太陽能電池的工作電極的制作方法，其中在該第二染料吸附階段之后，還包括進(jìn)行至少一段有機染料吸附階段。3.如權(quán)利要求2所述的染料敏化太陽能電池的工作電極的制作方法，其中該有機染料吸附階段與該第二染料吸附階段使用相同的有機染料。4.如權(quán)利要求2所述的染料敏化太陽能電池的工作電極的制作方法，其中該有機染料吸附階段與該第二染料吸附階段使用不同的有機染料。5.如權(quán)利要求4所述的染料敏化太陽能電池的工作電極的制作方法，其中該有機染料吸附階段與該第二染料吸附階段所使用的有機染料具有不同的吸收波長范圍。6.如權(quán)利要求1所述的染料敏化太陽能電池的工作電極的制作方法，其中該有機染料的分子呈現(xiàn)長鏈型，且該有機染料的一端為COOH官能團或其鹽類。7.如權(quán)利要求6所述的染料敏化太陽能電池的工作電極的制作方法，其中該有機染料的分子量在200~700之間。8.如權(quán)利要求1所述的染料敏化太陽能電池的工作電極的制作方法，其中該透明導(dǎo)電基板表面涂布有透明導(dǎo)電氧化物。9.如權(quán)利要求8所述的染料敏化太陽能電池的工作電極的制作方法，其中該透明導(dǎo)電氧化物包括摻雜F的二氧化錫或摻雜Al的氧化鋅。10.如權(quán)利要求1所述的染料敏化太陽能電池的工作電極的制作方法，其中該金屬氧化物層的材料包括Ti02、Si02、ZnO、2102或八1203。11.如權(quán)利要求1所述的染料敏化太陽能電池的工作電極的制作方法，其中該金屬絡(luò)合物染料包括釕、鋨、鐵、钷、鉑或鋅的金屬絡(luò)合物染料。12.—種染料敏化太陽能電池的工作電極的制作方法，包括在透明導(dǎo)電基板上形成二氧化鈦層；使用釕金屬絡(luò)合物染料對該二氧化鈦層進(jìn)行第一染料吸附階段；清洗該基板，以去除殘留的該釕金屬絡(luò)合物染料；以及使用有機染料對該二氧化鈦層進(jìn)行第二染料吸附階段，其中該有機染料的分子呈現(xiàn)長鏈型，且該有機染料的一端為COOH官能團或其鹽類。13.如權(quán)利要求12所述的染料敏化太陽能電池的工作電極的制作方法，其中清洗該基板的方法包括使用乙腈或是丙酮進(jìn)行清洗。14.如權(quán)利要求12所述的染料敏化太陽能電池的工作電極的制作方法，其中該第一染料吸附階段的溫度為50。C70。C。15.如權(quán)利要求12所述的染料敏化太陽能電池的工作電極的制作方法，其中該第二染料吸附階段的溫度為20。C7(TC。16.如權(quán)利要求12所述的染料敏化太陽能電池的工作電極的制作方法，其中該有機染料的分子量在200700之間。17.如權(quán)利要求12所述的染料敏化太陽能電池的工作電極的制作方法，其中在該第二染料吸附階段之后，還包括進(jìn)行至少一段有機染料吸附階段。18.如權(quán)利要求17所述的染料敏化太陽能電池的工作電極的制作方法，其中該有機染料吸附階段與該第二染料吸附階段使用相同的有機染料。19.如權(quán)利要求17所述的染料敏化太陽能電池的工作電極的制作方法，其中該有機染料吸附階段與該第二染料吸附階段使用不同的有機染料。20.如權(quán)利要求19所述的染料敏化太陽能電池的工作電極的制作方法，其中該有機染料吸附階段與該第二染料吸附階段所使用的有機染料具有不同的吸收波長范圍。21.如權(quán)利要求12所述的染料敏化太陽能電池的工作電極的制作方法，其中該透明導(dǎo)電基板表面涂布有透明導(dǎo)電氧化物。22.如權(quán)利要求21所述的染料敏化太陽能電池的工作電極的制作方法，其中該透明導(dǎo)電氧化物包括摻雜F的二氧化錫或摻雜Al的氧化鋅。全文摘要一種染料敏化太陽能電池的工作電極的制作方法，包括在透明導(dǎo)電基板上形成金屬氧化物層，再使用金屬絡(luò)合物染料對所述金屬氧化物層進(jìn)行第一染料吸附階段。接著，使用有機染料對所述金屬氧化物層進(jìn)行第二染料吸附階段，以填補金屬氧化物層中的空隙。因為所述方法采用分段多重吸附染料的技術(shù)，因此能增加染料敏化太陽能電池的工作電極的染料吸附量，進(jìn)而提高光電轉(zhuǎn)換效率。文檔編號H01G9/20GK101667495SQ20081021488公開日2010年3月10日申請日期2008年9月3日優(yōu)先權(quán)日2008年9月3日發(fā)明者吳春桂,歐鎧麟,童永梁,藍(lán)崇文,蔡松雨,陳家原申請人:財團法人工業(yè)技術(shù)研究院