專利名稱：染料敏化太陽能電池及其制法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種太陽能電池及其制法；尤其關(guān)于 一種僅使用單個基板 的染料敏化太陽能電池及其制法。
背景技術(shù)：
隨著科技與經(jīng)濟的快速發(fā)展，能源的需求也大幅度的增加。現(xiàn)今使用 量最大的石油、天然氣、煤等原料的存量不斷減少，因此必須仰賴其它新 興能源來滿足日益增加的能源需求。太陽能因具有低污染性及容易取得等 優(yōu)點，為目前最,皮看好且最重要的新興能源來源之一。
二十世紀(jì)中，由美國貝爾實驗室首先研制出一種硅太陽能電池，其工 作原理是在于利用半導(dǎo)體的光伏效應(yīng)。雖然目前硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化 效率優(yōu)于其它形式者，但由于制造工藝復(fù)雜、成本高、材料要求嚴(yán)苛等缺 點，因此在商業(yè)化量產(chǎn)上仍有所限制。
近年來，染剩4文化太陽能電池(Dye-Sensitized Solar Cell, DSSC)由 于具有價格低廉的優(yōu)勢而被認(rèn)為極具發(fā)展?jié)摿?，可望取代傳統(tǒng)硅太陽能電 池，成為太陽能電池的研究重點。
一般而言，DSSC是包含提供電流流動通路的導(dǎo)電基板、作為電子傳輸 層的半導(dǎo)體氧化物(如TiOJ、敏化染料、傳輸電子與空穴的電解質(zhì)、以及 封裝材料。DSSC是利用形成于導(dǎo)電基板上的半導(dǎo)體納米晶膜，在其表面吸 附一敏化染料后，形成DSSC的工作電極。當(dāng)敏化染料吸收太陽光后，其電 子躍遷至激發(fā)態(tài)并迅速轉(zhuǎn)移至半導(dǎo)體納米晶膜，電子隨后擴散至導(dǎo)電基板 并經(jīng)外電路轉(zhuǎn)移至對電極。因失去電子而成為氧化態(tài)的敏化染料則通過電 解質(zhì)而還原，而氧化后的電解質(zhì)則接受對電極的電子而還原成基態(tài)，從而 完成電子的整個傳輸過程。
舉例言之，瑞士的M. Gr§tzel團隊發(fā)展一種DSSC，其是將1102納米結(jié) 晶粒涂布于導(dǎo)電基板氟摻雜氧化錫(fluorine-doped tin oxide, FT0 )玻 璃上，并利用Ti02納米粒多孔膜的孔隙結(jié)構(gòu)，吸附釕絡(luò)合物(Ru-complexes, 如N3、 N719)敏化染料，隨后以鍍上柏(Pt)的導(dǎo)電玻璃作為對電極。其 中，是利用碘離子(I3—/I—)溶液作為電解質(zhì)，提供DSSC所需的氧化-還原 反應(yīng)。N3及N719的結(jié)構(gòu)分別如下所示9^2h
、\
'2h
'^yC02丁BA 、、
N719。
傳統(tǒng)制造DSSC的方法，包括將兩塊導(dǎo)電基板分別做成DSSC的工作電 極與對電極，將所述兩電極貼合、封裝，隨后注入電解質(zhì)，最后封孔完成 DSSC等操作。特定言之，是先在一塊導(dǎo)電基板涂布一層半導(dǎo)體納米層，并 經(jīng)一燒結(jié)程序以固化所述半導(dǎo)體納米層后，將所述覆有半導(dǎo)體納米層的導(dǎo) 電基板置入敏化染料溶液中，使得敏化染料吸附于半導(dǎo)體上而形成工作電 極；另一塊導(dǎo)電基板則在真空或非真空狀態(tài)下通過合適手段在其上形成一 層導(dǎo)電物質(zhì)(如鉑、碳黑)，作為對電極；隨后再將工作電極與對電極進行 貼合、封裝等才喿作，最后再注入電解質(zhì)并將注入口密封。
傳統(tǒng)制造DSSC的方法，必須將兩塊基板分開處理，此將造成制造過程 上的不連續(xù)。不僅在制作大面積DSSC時極為不^更，亦會受限于基板的形狀 及大小，且在后續(xù)的封裝貼合時也會因兩基板的材料特性而有諸多不便。 再者，受于制造工藝限制，此種傳統(tǒng)制法必須使用兩塊基板，基板成本約 達(dá)總成本的一半，因此減少基板的用量勢必可更提高DSSC的商業(yè)價值。
此外，為便于將電解質(zhì)注入封裝完成的工作電極及對電極中并確保完 全填滿空隙，傳統(tǒng)制造方法一般是使用液態(tài)電解質(zhì)。目前常用的液態(tài)電解 質(zhì)是將以卣素為主的1,/1—的氧化還原電對(oxidation-reduction pair) 分散于溶劑(如腈類、酯類、四氫呋喃(tetrahydrofuran)、 二曱基甲 酰胺(dimethylf ormamide, DMF )、及曱基他咯酉同(N-methy卜2-pyrro1 idone， NMP))中后，再加上一些用于修4爭半導(dǎo)體氧化物(如Ti02 )的添加劑(如 第三丁基p比咬(4-tert-butylpyridine , TBP ) 、 N-甲基苯并咪唑 (N-methylbenziraidazole， NMBI )、 Lil、 Nal )而獲得。此種液態(tài)電解質(zhì)容 易因卣素的高活性以及溶劑本身的高揮發(fā)性，導(dǎo)致液態(tài)電解質(zhì)滲透到電池 外部，造成DSSC失效及環(huán)境的污染。
由此可見，上述現(xiàn)有的染料敏化太陽能電池及其制法在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、制 造方法與使用上，顯然仍存在有不便與缺陷，而亟待加以進一步改進。為
l_i——wc:s
一i，
w——N;:c::s
-了解決上述存在的問題，相關(guān)廠商莫不費盡心思來謀求解決之道，但長久 以來一直未見適用的設(shè)計被發(fā)展完成，而一般產(chǎn)品及方法又沒有適切的結(jié) 構(gòu)及方法能夠解決上述問題，此顯然是相關(guān)業(yè)者急欲解決的問題。因此如 何能創(chuàng)設(shè)一種新的染料敏化太陽能電池及其制法，實屬當(dāng)前重要研發(fā)課題 之一 ，亦成為當(dāng)前業(yè)界極需改進的目標(biāo)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，克服現(xiàn)有的染料敏化太陽能電池及其制法存在的 缺陷，而提供一種新的染料敏化太陽能電池及其制法，所要解決的技術(shù)問 題是使染料敏化太陽能電池僅使用單個基板，其可利用層疊方式將各組件 依序組裝起來，使得成本低且可連續(xù)生產(chǎn)。
本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問題是采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的。依據(jù)
本發(fā)明提出的一種染料敏化太陽能電池，其包含 一第一電極，包含一 基板、 一導(dǎo)電層、 一半導(dǎo)體層及一敏化染料； 一電解質(zhì)層，包含非流動性 的電解質(zhì)；以及一第二電極，包含一導(dǎo)電材^K其限制條件為不包含基板， 其中所述電解質(zhì)層及所述第二電極是依序形成于第一電極的上方。
本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問題還可采用以下技術(shù)措施進一步實現(xiàn)。 前述的染料敏化太陽能電池，其中所述非流動性的電解質(zhì)包含一膠態(tài) 電解質(zhì)、 一固態(tài)電解質(zhì)或其組合。
前述的染料敏化太陽能電池，其中所述電解質(zhì)的導(dǎo)電度為10—2S/cm至 10—6S/cm。
前述的染料敏化太陽能電池，其中所述膠態(tài)電解質(zhì)包含一氧化還原電 對及一選自以下群組的添加物比表面積至少30mVg的填充物、分子量 1， 000至5， 000， 000的高分子及其組合，且所述添加物的含量以所述電解質(zhì) 總重計是至少3重量°/ 。
前述的染料敏化太陽能電池，其中所述添加物是選自以下群組比表 面積約30mVg至約160mVg的填充物、分子量500， 000至5， 000, 000的高 分子及其組合，且所述添加物的含量以所述電解質(zhì)總重計是3重量％至10 重量°/ 。
前述的染料敏化太陽能電池，其中所述固態(tài)電解質(zhì)包含一氧化還原電 對及一選自以下群組的添加物比表面積至少30m2/g的填充物、分子量500 至4, 000，000的高分子及其組合，且所述添加物的含量以所述電解質(zhì)總重 計至少50重量％。
前述的染料敏化太陽能電池，其中所述添加物是分子量500至 4, 000， 000的高分子且其含量以所述電解質(zhì)總重計是60重量％至95重量°/ 。 前述的染料敏化太陽能電池，其中所述填充物是選自以下群組Ti02、Zn0、 Sn02、 ln203、 CdS、 ZnS、 CdSe、 GaP、 CdTe、 MoSe2、 WSe2、歸5、 TO3、 KTa03、 Zr02、 SrTi03、 Si02、 CdS及其組合。
前述的染料敏化太陽能電池，其中所述填充物是選自以下群組Ti02、 ZnO、 Sn02、 Si02及其組合。
前述的染料敏化太陽能電池，其中所述高分子是選自以下群組聚醚 類、聚丙烯腈、聚壓克力、聚吡啶、聚苯胺、聚吡咯、聚苯乙烯、聚對苯、 聚噻吩、聚乙炔、聚3,4-乙基雙醚p塞吩、3-異丁基-4-氧基-二十三酸苯曱 基酯、聚乙烯吡啶、環(huán)丁砜、聚酰氨枝狀高分子、螺環(huán)二藥、聚(N-乙烯基 咔唑)、聚3，4-乙烯二氧噻吩、聚環(huán)氧乙烷、聚二氟乙烯、聚醚型聚氨酯及 其組合。
前述的染料敏化太陽能電池，其中所述聚醚型聚氨酯是聚乙醚甲苯二 胺酯。
前述的染料壽文化太陽能電池，其中所迷氧化還原電對是選自以下群組 I3—/r、 Br7Br2、 SeCN—/(SeCN) 2、 SCN7 (SCN) 2及其組合。
前述的染料敏化太陽能電池，其中所述導(dǎo)電材料是選自以下群組金、 鉑、金鉑合金、銀、鋁、碳及其化合物、透明導(dǎo)電氧化物、導(dǎo)電高分子及 其組合。
本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問題另外再采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn)。依 據(jù)本發(fā)明提出的一種染料敏化太陽能電池的制造方法，其包含以下步驟 提供一第一電極；以及依序形成一電解質(zhì)層及一第二電極于所述第一電極 的上方，其中所述電解質(zhì)層包含非流動性的電解質(zhì)；以及所述第二電極包 含一導(dǎo)電材料，且其限制條件為不包含基板。
本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問題還可采用以下技術(shù)措施進一步實現(xiàn)。 前述的染料敏化太陽能電池的制造方法，其中所述的第 一 電極包含 依序形成于一基板上的一導(dǎo)電層、 一半導(dǎo)體層及吸附于該半導(dǎo)體層表面的 一敏化染料。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有明顯的優(yōu)點和有益效果。借由上述技術(shù)方 案，本發(fā)明染料敏化太陽能電池及其制法至少具有下列優(yōu)點及有益效果 本發(fā)明的染料敏化太陽能電池，僅使用單一基板，能大幅降低制造成本， 且本發(fā)明染料敏化太陽能電池的制造方法是以層疊方式依序完成各組件的 制備，故可連續(xù)操作，更具經(jīng)濟效益。
上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的 技術(shù)手段，而可依照說明書的內(nèi)容予以實施，并且為了讓本發(fā)明的上述和 其他目的、特征和優(yōu)點能夠更明顯易懂，以下特舉較佳實施例，并配合附 圖，詳細(xì)i兌明如下。


圖l是本發(fā)明染料敏化太陽能電池一實施例的示意圖。
具體實施例方式
為更進一步闡述本發(fā)明為達(dá)成預(yù)定發(fā)明目的所采取的技術(shù)手段及功 效，以下結(jié)合附圖及較佳實施例，對依據(jù)本發(fā)明提出的染料敏化太陽能電池 及其制法其具體實施方式
、結(jié)構(gòu)、制造方法、步驟、特征及其功效進行詳 細(xì)說明。此外，為明確起見，圖式中可能夸示各組件及區(qū)域的尺寸，而未 按照實際比例繪示。
本發(fā)明的染料敏化太陽能電池僅使用單個基板，能有效降低生產(chǎn)成本。 參考圖1所示，是本發(fā)明染料壽丈化太陽能電池一實施例的示意圖。本發(fā)明
一實施例的染料敏化太陽能電池1包含 一第一電極12、 一電解質(zhì)層14、 以及一第二電極16。第一電極12包含一基板121a、 一導(dǎo)電層121b、 一半 導(dǎo)體層123、以及一敏化染料125。上述電解質(zhì)層14及第二電極16是依序 形成于第一電極12的上方。
一般而言，表面鍍有導(dǎo)電層121b的基板121a稱為導(dǎo)電基板121,導(dǎo)電 基板121的厚度通常依據(jù)最終太陽能電池產(chǎn)品的效能及應(yīng)用而加以調(diào)整； 其中，導(dǎo)電層121b的厚度為約300納米至約1000納米，優(yōu)選為約500納 米至約800納米。
可用于本發(fā)明的基板121a的形狀及材料并無特殊限制，舉例言之，基 板121a的形狀可以是一平面或具有規(guī)則或是不規(guī)則立體圖形，例如是三角 形、四角形或多邊形，也可以是具有角度的弧形或橢圓形柱狀?；?21a 的材料可選自以下群組金屬、金屬合金、玻璃、塑料、及其組合。當(dāng)使 用金屬時，基板121a可選自以下群組的材料所構(gòu)成鐵、鋁、銅、鈦、金、 前述金屬的合金及其組合；當(dāng)使用塑料時，基板121a可選自以下群組的材 料所構(gòu)成聚酯樹脂、聚丙烯酸酯樹脂、聚苯乙烯樹脂、聚烯烴樹脂、聚 環(huán)烯烴樹脂、聚酰亞胺樹脂、聚碳酸酯樹脂、聚氨酯樹脂、三醋酸纖維素 (triacetyl cellulose, TAC )、聚乳酸(polylactic acid)及其組合。根 據(jù)本發(fā)明的一具體實施例，基板121a是由玻璃所構(gòu)成。導(dǎo)電層121b的材 料可選用透明導(dǎo)電氧化物(transparent conducting oxide, TC0),舉例言 之，可選自以下群組氟摻雜氧化錫(fluorine-doped tin oxide， FT0 )、 銻摻雜氧化錫(antimony-doped tin oxide, AT0 )、鋁摻雜氧化鋅 (aluminum-doped zinc oxide, AZO)、 氧化銦錫(indium tin oxide, ITO) 及其組合。根據(jù)本發(fā)明的一優(yōu)選具體實施例，導(dǎo)電層121b的材料為FTO。
半導(dǎo)體層123的材料可為任何合宜的半導(dǎo)體氧化物且通常呈孔隙結(jié)構(gòu)， 優(yōu)選是選用納米級半導(dǎo)體氧化物。舉例言之，半導(dǎo)體層123的材料可選自 以下群纟且Ti02、 ZnO、 Sn02、 ln203、 CdS、 ZnS、 CdSe、 GaP、 CdTe、 MoSe2、WSe2、歸5、 W03、 KTa03、 Zr02、 SrTi03、 Si02、 CdS及其組合，優(yōu)選是Ti。2、 Sn02或Zn0。在本發(fā)明的部分實施方法中，半導(dǎo)體層123的材料是Ti02。
半導(dǎo)體層123的厚度一般約為1微米至約50微米，優(yōu)選約為4微米至 約20微米。當(dāng)半導(dǎo)體層123的厚度過薄時(如小于約1微米)，所制得的 染料敏化太陽能電池1效能不佳，當(dāng)半導(dǎo)體層123的厚度過厚(如大于約 50微米)，則容易發(fā)生脆裂的情形。根據(jù)本發(fā)明的一優(yōu)選具體實施例，半導(dǎo) 體層123的厚度約為4微米至約10微米。
本發(fā)明染敏太陽能電池所使用的敏化染料125,其可為本發(fā)明所屬技術(shù) 領(lǐng)域中具有通常知識者所熟知的任何敏化染料，舉例言之，敏化染料125
可選自以下群組方酸類、部花菁類(chlorophyll )、羅丹明類(rhodamine )、 偶氮苯類、花青類(cyanine)、噻吩類(thiophene )、金屬絡(luò)合物(如釕 金屬絡(luò)合物)及其組合。在本發(fā)明的部分實施方法中，是使用釕金屬絡(luò)合 物N719作為敏化染料125。根據(jù)本發(fā)明，敏化染料125是吸附于半導(dǎo)體層 123的材料表面，如第1圖所示。
在本發(fā)明中，電解質(zhì)層14形成于所述第一電極12的上，且具有約 1(rs/cm至約10—6S/cra的導(dǎo)電度，以提供電池所需的效能。其中，導(dǎo)電度(K)
的定義是如下所示 K = GxL/A
G為導(dǎo)電量(S), L為兩極板間的距離(cm)且A為極板面積(cm2)。 就染料敏化太陽能電池而言，目前所用的電解質(zhì)絕大部分都是液態(tài)電 解質(zhì)。但是液態(tài)電解質(zhì)內(nèi)的有機溶劑易揮發(fā)而造成電解質(zhì)內(nèi)配方改變，進 而導(dǎo)致電池失效，甚至發(fā)生漏液現(xiàn)象而造成環(huán)境污染。鑒于此，本發(fā)明的 電解質(zhì)層14是包含非流動性的電解質(zhì)，上述電解質(zhì)包含一氧化還原電對及 一添加物。概言之，本發(fā)明包含非流動性的電解質(zhì)的電解質(zhì)層14可例如通 過以下方式形成混合適當(dāng)?shù)奶砑游铩⒀趸€原電對及溶劑或?qū)⑦m當(dāng)?shù)奶?加物加至液態(tài)電解質(zhì)溶液中，改變?nèi)芤毫鲃有?，得到一非流動性的電解質(zhì) 溶液，接著將所得電解質(zhì)溶液滴至于第一電極12上，并放置一段時間，使 溶液慢慢滲透，待滲透完全后，進行干燥步驟，抽干部份或全部溶劑而制 得。本發(fā)明的非流動性的電解質(zhì)包含膠態(tài)電解質(zhì)、固態(tài)電解質(zhì)或其組合， 優(yōu)選為固態(tài)電解質(zhì)。
可用于本發(fā)明的膠態(tài)電解質(zhì)包含一氧化還原電對及一選自以下群組的 添加物比表面積至少約30mVg的填充物、分子量約1, 000至約5, 000， 000 的高分子及其組合。上述填充物的比表面積優(yōu)選約30mVg至約160 mVg; 高分子分子量優(yōu)選是約500， 000至約5， 000, 000。同時，添加物的含量以電 解質(zhì)總重計，是至少約3重量y。，以不超過20重量％為宜，優(yōu)選是約3重量 %至約10重量％?？捎糜诒景l(fā)明的固態(tài)電解質(zhì)包含一氧化還原電對及一選自以下群組的
添加物比表面積至少約30mVg的填充物、分子量約500至約4,000,000 的高分子及其組合，且所述添加物的含量以所述電解質(zhì)總重計是約至少50 重量％。上述填充物的比表面積優(yōu)選約30m2/g至約160 m2/g的填充物。優(yōu) 選地，所述添加物是分子量約500至約4, 000， 000的高分子且其含量以所 述電解質(zhì)總重計是約60重量％至約95重量％。
可用于本發(fā)明的填充物可選自以下群組Ti02、 ZnO、 Sn02、 ln203、 CdS、 ZnS、 CdSe、 GaP、 CdTe、 MoSe2、 WSe2、 Nb205、 W03、 KTa03、 Zr02、 SrTi03、 Si02、 CdS及其組合；優(yōu)選是選自Ti02、 ZnO、 Sn02、 Si02及其組合。
可用于本發(fā)明的高分子可選自以下群組聚醚類、聚丙烯腈、聚壓克 力、聚吡啶、聚苯胺、聚吡咯、聚苯乙烯、聚對苯、聚噻吩、聚乙炔、聚 3， 4-乙基雙醚噻吩、3-異丁基-4-氧基-二十三酸苯甲基酯 (3-sec-butyl-4-oxo-tricosanoic acid benzyl ester )、 聚乙烯p比。定 (polyvinylpyridine, PVP )、環(huán)丁石風(fēng)(sulfolane )、聚酰氨枝狀高分子 (poly (amidoamine) dendritic derivatives , PPDD )、 螺環(huán)二藥 (spiro-OMeTAD)、聚(N-乙烯基口卡唑)(poly (N-vinylcarbazole) , PVK)、 聚3, 4-乙烯二氧噻吩(poly(3, 4-ethylenedioxythiophene))、聚環(huán)氧乙烷 (poly (ethylene oxide))、 聚二氟乙烯(poly (vinylidene fluoride )、聚 醚型聚氨酯(polyether urethane )及其組合。^^艮據(jù)本發(fā)明的一優(yōu)選具體 實施例，高分子是為具式(I)的聚醚型聚氨酯
<formula>formula see original document page 10</formula>
其中R為經(jīng)取代或未經(jīng)取代的芳基或C3-6環(huán)烴基；n為2至4的整數(shù)； m為6至50的整數(shù)，優(yōu)選為6至15的整數(shù)；以及k為2至4的整數(shù)。根據(jù) 一優(yōu)選實施方法，式(I)中的R為曱苯基，k為2，即，聚醚型聚氨酯具 下式(II)的結(jié)構(gòu)，
<formula>formula see original document page 10</formula>
其中，n為2至4的整數(shù)且m為6至15的整數(shù)。
根據(jù)另一優(yōu)選實施方法，聚醚型聚氨酯為聚乙醚曱苯二胺酯具下式 (12)的結(jié)構(gòu)。O
(12)
其中，m為6至15的整數(shù)。
本發(fā)明所使用的聚醚型聚氨酯，可由含羥基化合物與異氰酸酯聚合而 形成，前述的異氰酸酯例如但不限于選自以下群組甲苯二異氰酸酯 (toluene diisocyanate ， TDI ) 、 二苯曱烷二異氰酸酉旨 (methylenediphenylene diisocyanate ， MDI)、 異j弗爾酉同二異氛酉臾酉旨 (isophoronediisocyanate ， IPDI ) 、 二環(huán)己*克亞甲基二異氰酸酯 (dicyclohexanemethylene di isocyanate )、 二曱苯二異氰酸酉旨(xylene diisocyanate )、 氫化二曱苯二異氰酸面旨(hydrogenated xylene diisocyanate)及其組合，優(yōu)選為甲苯二異氰酸酯。前述的含羥基化合物 為包括一個或多個羥基的化合物，或包括具有不同數(shù)目羥基化合物的混合 物，例如選自根據(jù)以下所組成的群聚乙二醇(polyethylene glycol, PEG )、 聚丙二醇(polypropyleneglycol, PPG )及聚丁二醇(polytetramethyiene glycol, PTMG)。優(yōu)選者是聚乙二醇。
適用于染料敏化太陽能電池的氧化還原電對并無一定限制，只要氧化 還原電對所產(chǎn)生的氧化還原能階可與染料的最高填電子能階(Highest Occupied Molecular Orbital, H0M0)相匹酉己即可。例如I37r、 Br—/Br2、 SeCN7(SeCN)2、或SCN7(SCl其中，由于碘離子的擴散速率較快，所以
優(yōu)選氧化還原電對為i37r。
制備電解質(zhì)層14所用的溶劑，可提供所形成電解質(zhì)中離子傳遞的環(huán)境， 亦可用于溶解添加物(如上述填充物及高分子)。可用于本發(fā)明中的溶劑通 ?？蛇x自以下群組腈類(如乙腈、甲氧基丙腈、戊腈)、酯類(如碳酸乙 烯酯、碳酸丙烯酯)、四氫呋喃、二甲基甲酰胺、曱基吡咯酮及其組合。
本發(fā)明膠態(tài)電解質(zhì)或固態(tài)電解質(zhì)亦可選擇添加聚氧化乙烯 (polyethylene oxide， PEO),聚氧化乙烯是一種線性結(jié)晶性的高分子，主 鏈上有氧等陰電性大的元素可表現(xiàn)出極性鍵(polar bonding),可幫助解 離?？捎糜诒景l(fā)明中的聚氧化乙烯，純度需達(dá)90%以上，平均分子量范圍為 500, 000至8, 000， 000,優(yōu)選的平均分子量在4， 000, 000至5, 000， 000范圍 內(nèi)者。
此外，本發(fā)明膠態(tài)電解質(zhì)或固態(tài)電解質(zhì)亦可選擇添加任何公知的添加 劑， 一般而言，是添加用以修飾納米級的半導(dǎo)體氧化物相關(guān)性質(zhì)以改善電 池效率的添加劑。常用添加劑可選自以下群組第三丁基吡咬
ii(4一tert-butylpyridine ， TBP ) 、 N— 曱基苯并。米峻 (N—methyl—benzimidazole , MBI ) 、 1， 2— 二甲基—3—丙基。米哇石典鹽 (1,2-DimethyH-Propylimidazolium Iodide, DMP 11)、硪化鋰(LiI) 及碘化鈉(NaI)。當(dāng)在電解質(zhì)中加入小體積的碘化鋰或碘化鈉時，鋰離子 (Li+)或鈉離子(Na+)會吸附半導(dǎo)體氧化物的表面，可縮短傳導(dǎo)帶電子在 相鄰或不相鄰的半導(dǎo)體氧化物的間傳輸?shù)淖枇途嚯x，可改善電子在半導(dǎo) 體氧化物表面的傳輸，提高太陽能電池的短路電流密度(JSC)，但在此同 時，Li+-e_與電解質(zhì)中1—3再結(jié)合的速率也快，使電壓(VOC)減小。因此， 通過加入第三丁基吡咬(4-tert-butylpyridine, TBP )、 1，2-二曱基-3-丙 基咪唑石典鹽或N-甲基苯并咪唑可提高染料的最低未填電子能階(Lowest Unoccupied Molecular Orbital, LUM0 )與半導(dǎo)體氧化物的傳導(dǎo)帶間的費 米能階，增加電池的電壓。為考量電池各性質(zhì)的表現(xiàn)，通常可以兩種以上 的添加劑合并使用。
本發(fā)明的第二電極16包含一導(dǎo)電材料，實質(zhì)上為一導(dǎo)電材料層，其特 征為不包含基板。在本發(fā)明中，所述第二電極16形成于所述電解質(zhì)層14 之上，由于本發(fā)明的第二電極16不需額外使用一基板以為支撐及/或后續(xù) 封裝用，因此，在制作大面積染料敏化太陽能電池時，能大幅減少電極所 需的基板用量，節(jié)省制造成本。第二電極16的材料可為任何合宜的導(dǎo)電材 料，可例如選自以下群組金、鉑、金鉑合金、銀、鋁、碳及其化合物、 透明導(dǎo)電氧化物、導(dǎo)電高分子及其組合。上述透明導(dǎo)電氧化物(transparent conducting oxide, TC0 )，舉例言之，可選自以下群組氟摻雜氧化錫 (fluorine-doped tin oxide, FTO )、銻捧雜氧化錫(antimony-doped tin oxide, AT0)、 ^呂捧雜氧4b4爭(aluminum—doped zinc oxide, AZ0 )、 IU匕 銦錫(indium tin oxide, ITO )及其組合。上述碳及其化合物是例如選自 以下群組納米碳管、碳纖維、納米碳角、碳黑、富勒烯(fullerene)及 其組合。上述導(dǎo)電高分子是例如選自以下群組聚苯胺(polyani line, PAN )、 聚口比咯(polypyrrole, PPY )、聚苯乙烯(poly-phenylene vinylene， PPV )、 聚對苯(poly(p-phenylene), PPP )、聚蓉吩(polythiophene， PT )、聚乙 炔 (polyacetylene ， PA )、 聚 3， 4—乙基雙醚p塞-分 (poly 3, 4-ethylenedioxythiophene, PED0T)及其組合。在本發(fā)明的部分實施方 法中，第二電極16的材料是使用鉑、PED0T、 PED0T與納米碳管的混合物、 或PED0T與富勒烯的混合物。
本發(fā)明的染料敏化太陽能電池，其表面包裝亦可包含一保護膜，例如 聚乙烯膜、熱縮膜或公知封裝材^K以阻隔水氣。
以往制備染料敏化太陽能電池的方法必須使用兩塊基板作為電極，且 兩塊基板必須分開加工處理，造成制造過程上的不連續(xù)，本發(fā)明染料敏化太陽能電池僅使用單一基板，除大幅降低其制造成本外，由于可以層疊方 式完成各組件的制備，故可連續(xù)操作，更具經(jīng)濟效益。
本發(fā)明另關(guān)于一種上述染料敏化太陽能電池的制造方法，包含以下步
驟
(a)提供一第一電極12;以及
(b )依序形成一電解質(zhì)層14及一第二電極16于所述第一電極的上方， 其中所述電解質(zhì)層包含非流動性的電解質(zhì)；以及所述第二電極包含一
導(dǎo)電材料，且其限制條件為不包含基板。
本發(fā)明的第一電極12,包含依序形成于一基板121a上的一導(dǎo)電層
121b、 一半導(dǎo)體層123及吸附于該半導(dǎo)體層表面的一敏化染料125,可藉本
發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者所公知的方法制備，其例如包含下列 步驟(1)在一基板121a上鍍一導(dǎo)電層121b,形成一導(dǎo)電基板in; (2) 將納米級半導(dǎo)體氧化物均勻涂覆于導(dǎo)電基板121上；(3 )進行一固化步驟， 例如在40(TC至600 。C下進行燒結(jié)，形成一半導(dǎo)體層123; ( 4 )浸漬于敏化 染料125溶液中，進行染料吸附。上述步驟(2)的涂覆方式，例如但不限 于刮涂、網(wǎng)印、旋轉(zhuǎn)涂布或噴涂。
上述太陽能電池制造方法中步驟(b)的依序形成是指于第一電極12 的半導(dǎo)體層123與敏化染料125之上，涂覆一非流動性的電解質(zhì)先形成一 電解質(zhì)層14，之后在電解質(zhì)層14上形成第二電極16。形成第二電極16的 方式例如在真空下進行一賊鍍(splitting)金屬(例如鉑)的程序；或是 在非真空狀態(tài)下涂覆金屬前驅(qū)物(例如鉑前驅(qū)物)于電解質(zhì)層14上并接著 進行熱處理還原程序；又或是將導(dǎo)電高分子或?qū)щ姼叻肿优c碳黑材料的混 合物先于溶劑中摻混后，涂抹在電解質(zhì)層14上接著進行干燥程序。
茲以下列具體實施方法以進一步例示說明本發(fā)明。
實施例1
將Ti02涂料HT (Eternal公司所生產(chǎn)，粒徑20納米至50納米，比表 面積80-120m7g)涂布于一 FT0玻璃上，厚度約5±1微米，進行一約500 。C的燒結(jié)程序，以形成半導(dǎo)體層。
將上述覆有半導(dǎo)體層的FTO玻璃含浸于染料溶液N719 (Solaronix公 司生產(chǎn))中進行染料吸附，歷時約12小時，制得染料敏化太陽能電池的工作 電極(第一電極)。其中，N719所用的溶劑是正丙醇及乙腈，重量比為1:1。
待完成吸附程序并將所制得的工作電極清洗千凈后，在其表面涂布一 含有35重量°/。聚乙醚曱苯二胺酯(分子量2000至4000 )、 35重量％聚氧化 乙烯(分子量3, 500， 000至4， 000, 000)及1371—氧化還原電對的混合物的 固態(tài)電解質(zhì)組合物，待涂覆完成后抽干電解質(zhì)的溶劑成分，形成電解質(zhì)層。
隨后以真空濺鍍的方式在電解質(zhì)表面鍍覆鉑金屬，形成染料敏化太陽能電池的對電極(第二電極)，制得本發(fā)明僅使用單一基板的染料敏化太陽 能電池A。對染料敏化太陽能電池A進行電池效能測試并將結(jié)果記錄于表1。
實施例2
以與實施例1相同的方式制得染料敏化太陽能電池B，但是使用導(dǎo)電高 分子PED0T作為對電極的材料。其中是將PED0T涂覆于電解質(zhì)層表面后， 在真空環(huán)境及約50土1(TC的溫度下固化，以形成對電極。對染料敏化太陽能 電池B進行電池效能測試并將結(jié)果記錄于表1。
實施例3
以與實施例2相同的方式制得染料敏化太陽能電池C，但是使用導(dǎo)電高 分子PEDOT及富勒烯的混合物作為對電極的材料。其中以混合物的總重量 計，PEDOT的含量約95重量％，富勒烯的含量約5重量％。對染料敏化太陽 能電池C進行電池效能測試并將結(jié)果記錄于表1。
實施例4
以與實施例2相同的方式制得染料敏化太陽能電池D。 ^旦是使用導(dǎo)電高 分子PEDOT及納米碳管的混合物作為對電極的材料，其中以混合物的總重 量計，PEDOT的含量約95重量％，納米碳管的含量約5重量％。對染料敏化 太陽能電池D進^f亍電池效能測試并將結(jié)果記錄于表1。
實施例5
以與實施例4相同的方式制得染料敏化太陽能電池E。但以對電極材料 的混合物的總重量計，PEDOT的含量約90重量°/ ,納米碳管的含量約10重 量°/ 。對染料敏化太陽能電池E進行電池效能測試并將結(jié)果記錄于表1。
電j:也凌丈能測i式
太陽能電池測試通常使用全美國平均照度AMl. 5 ( 6=48.2° )來代表 地表上太陽光的平均照度(溫度25。C),其光強度約為100mW/cm2。因此本 次測試是使用光強度為100 mW/c^的模擬太陽光光源(AM 1. 5),針對具有 上述實施例所制得的染料壽l化太陽能電池進行測試，量測其電流及電壓， 并將所得結(jié)果記錄于下表1。其中，AM 1.5是代表大氣質(zhì)量(Air Mass) 1.5, AM=l/cos(e)， e代表相對垂直入射光偏離的角度。
表l
染料敏化太陽 能電池開路電壓￥0^ (V。c)短路電流密度JSC;b (mA/cm2)填充因子FF光電轉(zhuǎn)換效率n
A0. 425. 310. 471. 06
B0. 150. 950. 260. 04
C0. 447. 610. 280. 95
D0. 542. 230. 470. 56
E0. 562. 950. 400. 65
a開3各電壓(open circuit photovoltage, Voc ): 太陽肯g電^也夕卜部電流斷路時所量到的電壓。
b短路電流密度(short-circuit current density, Jsc):太P曰能電
池在負(fù)載為零時，輸出電流與組件面積相除的值。
c填充因子(fill factor, FF):太陽能電池的才喿作功率輸出與理想功 率輸出的比值，是代表太陽能電池性能優(yōu)劣的一個重要參數(shù)。
綜上所述，本發(fā)明的染料敏化太陽能電池，僅使用單一基板，能大幅 降低制造成本，且于本發(fā)明中，染料敏化太陽能電池的制造方法是以層疊 方式依序完成各組件的制備，故可連續(xù)操作，更具經(jīng)濟效益。由表1的測試 結(jié)果可證明本發(fā)明的染料敏化太陽能電池確可據(jù)以實施，具產(chǎn)業(yè)利用價值。
以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式 上的限制，雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā) 明，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當(dāng)可利 用上述揭示的方法及技術(shù)內(nèi)容作出些許的更動或修飾為等同變化的等效實 施例，但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以 上實施例所作的任何筒單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方 案的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種染料敏化太陽能電池，其特征在于其包含一第一電極，包含一基板、一導(dǎo)電層、一半導(dǎo)體層及一敏化染料；一電解質(zhì)層，包含非流動性的電解質(zhì)；以及一第二電極，包含一導(dǎo)電材料，該第二電極不包含基板，其中所述電解質(zhì)層及所述第二電極是依序形成于第一電極的上方。
2、 如權(quán)利要求l所述的染料敏化太陽能電池，其特征在于其中所述非 流動性的電解質(zhì)包含一膠態(tài)電解質(zhì)、 一固態(tài)電解質(zhì)或其組合。
3、 如權(quán)利要求l所述的染料敏化太陽能電池，其特征在于其中所述電 解質(zhì)的導(dǎo)電度為10—2S/cm至10—6S/cm。
4、 如權(quán)利要求2所述的染料敏化太陽能電池，其特征在于其中所述月交 態(tài)電解質(zhì)包含一氧化還原電對及一選自以下群組的添加物比表面積至少 30mVg的填充物、分子量1， 000至5, 000， 000的高分子及其組合，且所述 添加物的含量以所述電解質(zhì)總重計是至少3重量％。
5、 如權(quán)利要求4所述的染料敏化太陽能電池，其特征在于其中所述添 加物是選自以下群組比表面積約30m2/g至約160ra7g的填充物、分子量 500， 000至5, 000， 000的高分子及其組合，且所述添加物的含量以所述電解 質(zhì)總重計是3重量％至10重量％。
6、 如權(quán)利要求2所述的染料敏化太陽能電池，其特征在于其中所述固 態(tài)電解質(zhì)包含一氧化還原電對及一選自以下群組的添加物比表面積至少 30mVg的填充物、分子量500至4， 000, 000的高分子及其組合，且所述添 加物的含量以所述電解質(zhì)總重計至少50重量％。
7、 如權(quán)利要求6所述的染料敏化太陽能電池，其特征在于其中所述添 加物是分子量500至4， 000, 000的高分子且其含量以所述電解質(zhì)總重計是 60重量％至95重量％。
8、 如權(quán)利要求4或6所述的染料敏化太陽能電池，其特征在于其中所 述填充物是選自以下群組Ti02、 ZnO、 Sn02、 ln203、 CdS、 ZnS、 CdSe、 GaP、 CdTe、 MoSe2、 WSe2、歸5、 W03、 KTa03、 Zr02、 SrTi03、 Si02、 CdS及其組合。
9、 如權(quán)利要求8所述的染料敏化太陽能電池，其特征在于其中所述填 充物是選自以下群組Ti02、 ZnO、 Sn02、 Si02及其組合。
10、 如權(quán)利要求4或6所述的染料敏化太陽能電池，其特征在于其中 所述高分子是選自以下群組聚醚類、聚丙烯腈、聚壓克力、聚吡啶、聚 苯胺、聚吡咯、聚苯乙烯、聚對苯、聚噻吩、聚乙炔、聚3，4-乙基雙醚p塞 吩、3-異丁基-4-氧基-二十三酸苯曱基酯、聚乙烯吡啶、環(huán)丁砜、聚酰氨 枝狀高分子、螺環(huán)二芴、聚(N-乙烯基咔唑)、聚3，4-乙烯二氧噻吩、聚環(huán)氧乙烷、聚二氟乙烯、聚醚型聚氨酯及其組合。
11、 如權(quán)利要求10所述的染料敏化太陽能電池，其特征在于其中所述 聚醚型聚氨酯是聚乙醚甲苯二胺酯。
12、 如權(quán)利要求4或6所述的染料敏化太陽能電池，其特征在于其中 所述氧化還原電對是選自以下群組I3—/r、 Br7Br2、 SeCN7 (SeCN) 2 、 SCN7 (SCN)2及其組合。
13、 如權(quán)利要求1所述的染料敏化太陽能電池，其特征在于其中所述 導(dǎo)電材料是選自以下群組金、柏、金鉑合金、銀、鋁、碳及其化合物、 透明導(dǎo)電氧化物、導(dǎo)電高分子及其組合。
14、 一種染料敏化太陽能電池的制造方法，其特征在于包含以下步驟 提供一第一電極；以及依序形成一電解質(zhì)層及一第二電極于所述第一電極的上方， 其中所述電解質(zhì)層包含非流動性的電解質(zhì)；以及所述第二電極包含一 導(dǎo)電材料，且不包含基板。
15、 如權(quán)利要求14所述的染料敏化太陽能電池的制造方法，其特征在 于其中所述第一電極包含依序形成于一基板上的一導(dǎo)電層、 一半導(dǎo)體層及 吸附于該半導(dǎo)體層表面的一敏化染料。
全文摘要
本發(fā)明是有關(guān)一種染料敏化太陽能電池及其制法。所述染料敏化太陽能電池包含一第一電極、一電解質(zhì)層、以及一第二電極。其中，所述電解質(zhì)層包含非流動性的電解質(zhì)；所述第二電極包含一導(dǎo)電材料，其限制條件為不包含基板；且所述電解質(zhì)層及所述第二電極是依序形成于第一電極上方。本發(fā)明的染料敏化太陽能電池，僅使用單一基板，能大幅降低制造成本，且本發(fā)明染料敏化太陽能電池的制造方法是以層疊方式依序完成各組件的制備，故可連續(xù)操作，更具經(jīng)濟效益。
文檔編號H01G9/20GK101609750SQ20091016004
公開日2009年12月23日 申請日期2009年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月16日
發(fā)明者蔡安益, 陳信宏 申請人:長興化學(xué)工業(yè)股份有限公司