染料敏化太陽能電池及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明是關(guān)于一種染料敏化太陽能電池及其制造方法，特別是關(guān)于一種具有復(fù)合 對電極的染料敏化太陽能電池及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于全球能源的持續(xù)短缺且對于能源的需求與日俱增，因此如何提供環(huán)保且干凈 的能源便成為目前最迫切需要研究的議題。在各種替代性能源的研究當(dāng)中，利用自然的太 陽光經(jīng)由光電能量轉(zhuǎn)換產(chǎn)生電能的太陽能電池，為目前所廣泛應(yīng)用且積極研發(fā)的技術(shù)。
[0003] 太陽能電池的基本原理是利用特定物質(zhì)被光照射時，其光電轉(zhuǎn)換層的電子與空穴 分離。利用電路引導(dǎo)這些電子便可得到電能。舉例來說，染料敏化太陽能電池（DSSC)先將 金屬氧化物如二氧化鈦（Ti02)燒結(jié)于導(dǎo)電基板上，再將光敏物質(zhì)（染料）吸附于金屬氧化 物表面以形成光電極。光電極和對電極（白金電極）之間以電解質(zhì)幫助氧化還原。上述染 料敏化太陽能電池的光致電子轉(zhuǎn)移（photo-inducedelectrontransfer)效率很高，因此 成為開發(fā)低成本太陽能電池中受到重視的太陽能電池類型之一。
[0004] 在降低染料敏化太陽能電池的成本考慮下，提供電傳導(dǎo)特性高，催化活性高，與具 備長期穩(wěn)定性佳的對電極材料，并滿足輕量化太陽能電池的需求，是研究開發(fā)染料敏化太 陽能電池所待解決的課題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明一實施例提供的染料敏化太陽能電池，包含：復(fù)合對電極，包含基板及設(shè)置 于基板上的復(fù)合層，其中復(fù)合層包含石墨烯板與摻雜的金屬氧化物納米粒子的混合物；工 作電極，其中復(fù)合層位于基板與工作電極之間；以及電解質(zhì)，位于工作電極與復(fù)合對電極之 間。
[0006] 本發(fā)明另一實施例提供的染料敏化太陽能電池的制造方法，包含：混合石墨烯板、 摻雜的金屬氧化物納米粒子、與溶劑以形成混合物；施加混合物于基板上，并干燥混合物以 形成復(fù)合層于基板上，其中復(fù)合層與基板組成復(fù)合對電極；提供工作電極，其中復(fù)合層位于 基板與工作電極之間；以及提供電解質(zhì)于工作電極與復(fù)合對電極之間。
【附圖說明】
[0007] 圖1為本發(fā)明一實施例中，染料敏化太陽能電池的示意圖。
[0008] 圖2為本發(fā)明一實施例中，復(fù)合層的示意圖。
[0009]【符號說明】
[0010] 100染料敏化太陽能電池；
[0011] 101 基板；
[0012] 102 復(fù)合層；
[0013] 103石墨烯板；
[0014] 104摻雜的金屬氧化物納米粒子；
[0015] 105 孔洞；
[0016] 110復(fù)合對電極；
[0017] 120 電解質(zhì)；
[0018] 130工作電極。
【具體實施方式】
[0019] 如圖1所示，本發(fā)明提供的染料敏化太陽能電池100具有相對設(shè)置的復(fù)合對電極 110和工作電極130,以及位于復(fù)合對電極110與工作電極130之間的電解質(zhì)120。上述 復(fù)合對電極110包括基板101及設(shè)置在基板101上的復(fù)合層102,且復(fù)合層102包含石墨 烯板103與摻雜的金屬氧化物納米粒子104的混合物。在一實施例中，基板101可為導(dǎo)電 基板如金屬基板，或具有表面導(dǎo)電層的基板，例如包含氟摻雜氧化錫（FT0)、銦摻雜氧化錫 (IT0)、鋁摻雜氧化鋅（AZ0)、鎵摻雜氧化鋅（GZ0)、銦摻雜氧化鋅（IZ0)、金屬、或其他導(dǎo)電 層于其上的玻璃基板或塑料基板。在一實施例中，摻雜的金屬氧化物納米粒子可為氟摻雜 氧化錫（FT0)、銦摻雜氧化錫（IT0)、銻摻雜氧化錫（AT0)、鋁摻雜氧化鋅（AZ0)、鎵摻雜氧化 鋅（GZ0)、銦摻雜氧化鋅（IZ0)、其他摻雜的金屬氧化物、或上述的組合。在一實施例中，摻 雜的金屬氧化物納米粒子可經(jīng)由改質(zhì)步驟，將摻雜的金屬氧化物納米粒子、改質(zhì)劑、及溶劑 制成改質(zhì)過的摻雜的金屬氧化物納米粒子。改質(zhì)過的摻雜的金屬氧化物納米粒子可進一步 降低復(fù)合對電極的界面阻抗。改質(zhì)劑可為苯甲酸（Benzoicacid)、2_萘甲酸（2-Naphthoic acid)、2_ 萘硫酌?（2_Naphthalenethi01)、l-花羧酸（l-Pyrenecarboxylicacid)、1_ 花橫 酸（1-Pyrenesulfonicacid)、或上述的組合。溶劑可為乙醇、丙酮、或上述的組合。
[0020] 在一實施例中，石墨烯板103可為單層石墨烯板、多層石墨烯板或上述的組合。而 在另一實施例中，石墨烯板103的長寬介于0. 02iim至2iim之間。若石墨烯板103的長寬 過大，其表面積小，催化活性過低。若石墨烯板103的長寬過小，其導(dǎo)電性較低且難以與摻 雜的金屬氧化物納米粒子混合。
[0021] 上述石墨烯板103分散于摻雜的金屬氧化物納米粒子104中，使片狀的石墨烯板 103之間隔有摻雜的金屬氧化物納米粒子104,進而使石墨烯板103不易聚集，以露出較多 的催化活性中心，提高復(fù)合對電極110的催化活性。如圖2所示，石墨烯板103分散在摻雜 的金屬氧化物納米粒子104中，摻雜的金屬氧化物納米粒子104除了支撐石墨烯板103的 基質(zhì)（matrix)之外，更具備優(yōu)良的電傳導(dǎo)特性，可作為電子通道并增加轉(zhuǎn)換效率。在一實 施例中，摻雜的金屬氧化物納米粒子104的顆粒大小介于5nm至600nm之間。若摻雜的金 屬氧化物納米粒子104的顆粒太大，則難以附著在基板101上。在一實施例中，上述復(fù)合層 102為多孔層，其具有孔洞105。若摻雜的金屬氧化物納米粒子104的顆粒太小，則電解質(zhì) 120在孔洞105中的傳遞阻抗過大（或是電解質(zhì)120在復(fù)合層102中的傳遞阻抗過大）。在 另一實施例中，石墨烯板103與摻雜的金屬氧化物納米粒子104的重量比介于1 : 0.01至 1 : 200之間。若摻雜的金屬氧化物納米粒子104的用量過高，則電解質(zhì)120在復(fù)合層102 中的傳遞阻抗過大。若摻雜的金屬氧化物納米粒子的用量過低，則石墨烯板103容易彼此 堆疊聚集，使石墨烯板103露出的催化活性中心過少。
[0022] 此外，上述的復(fù)合對電極110可應(yīng)用于軟性染料敏化太陽能電池中。在本發(fā)明一 實施例中，電解質(zhì)120包括液態(tài)電解質(zhì)或固態(tài)電解質(zhì)。
[0023] 在本發(fā)明一實施例中，上述染料敏化太陽能電池100的制造方法包括：混合石墨 烯板103、摻雜的金屬氧化物納米粒子104、與溶劑形成混合物。施加混合物于基板101上， 并干燥混合物以形成復(fù)合層102。上述基板101與復(fù)合層102組成復(fù)合對電極110。提供 工作電極130,使復(fù)合層102設(shè)置在基板101和工作電極130之間。提供電解質(zhì)120于工作 電極130和復(fù)合對電極110之間，即完成染料敏化太陽能電池100。
[0024] 在一實施例中，染料敏化太陽能電池100的制造方法更包含在干燥混合物之后， 進一步熱處理或加壓干燥后的混合物以形成復(fù)合層102。熱處理可增加復(fù)合層102與基板 101附著，降低電子傳遞阻抗。上述熱處理工藝的溫度范圍介于200°C至600°C之間。若熱 處理工藝的溫度過低，則與未進行熱處理工藝的效果相同。若熱處理工藝的溫度過高，則摻 雜的金屬氧化物納米粒子104彼此熔合，形成的孔洞105過小，電解質(zhì)120不易擴散傳遞。 上述加壓的壓力范圍介于20Psi至lOOPsi之間。加壓工藝可增加復(fù)合層102與基板101 附著，降低電子傳遞阻抗。若加壓工藝的壓力過小，則與未進行加壓工藝的效果相同。若加 壓工藝的壓力過大，則孔洞105過小，電解質(zhì)120不易擴散傳遞。
[0025] 在一實施例中，溶劑黏度介于3mPas至lOOmPas。若溶劑黏度過高，則石墨烯板 103、摻雜的金屬氧化物納米粒子104、與溶劑的混合物不易涂布成膜，造成復(fù)合層102表 面不平整。若溶劑黏度過低，則石墨烯板103與摻雜的金屬氧化物納米粒子104無法穩(wěn) 定的懸浮在溶劑中，兩者均會快速沉降而產(chǎn)生分離現(xiàn)象。舉例來說，適用溶劑可為二乙二 醇甲醚（Diethyleneglycolmethylether)、二乙二醇乙醚（Diethyleneglycolethyl ether)、二乙二醇丁醚（Diethyleneglycolbutylether)、二乙二醇己醚（Diethylene glycolhexylether)、三乙二酉享甲醚（Triethyleneglycolmethylether)、三乙二酉享乙 醚（Triethyleneglycolethylether)、三乙二酉享丁醚（Triethyleneglycoln-butyl ether)、二丙二醇甲醚（Dipropyleneglycolmethylether)、二丙二醇丙醚（Dipropylene glycoln-propylether)、二丙二酉享丁醚（Dipropyleneglycoln-butylether)、三丙 二醇甲醚（Tripropyleneglycolmethylether)、三丙二醇丁醚（Tripropyleneglycol n-butylehter)、乙二醇己醚（Ethyleneglycolhexylether)、乙二醇苯醚（Ethylene glycolphenylether)、丙二醇丁醚（Propyleneglycoln-butylether)、丙二醇苯醚 (Propyleneglycolphenylether)、乙二醇丁醚醋酸酯（Diethyleneglycoln-butyl etheracetate)、松油醇（Terpineol)、環(huán)己基批咯燒酮（N-Cyclohexyl-2-pyrrolidone)、 或上述的組合。
[0026] 為了讓本發(fā)明的上述和其他目的、特征、和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉多個實施 例配合所附附圖，作詳細說明如下：
[0027] 實施例
[0028] 比較例1
[0029] 取石墨烯板分散于異丙醇中，配制成0? 2wt%溶液（石墨烯板購自Cheaptube的 Grade4,其BET比表面積> 700m2/g，層數(shù)< 4層，平均厚度3~5nm，且長或?qū)?lt; 2iim。）。 取表面具有FT0層的玻璃基板厚度2.2mm(8-10Q/□，購自PilkingtonTECgla