[發明專利]染料敏化太陽能電池及其制法

無效

• 申請號: 200910160045.4
• 申請日: 2009-07-16
• 公開（公告）號: CN101609750A
• 公開（公告）日: 2009-12-23
• 發明（設計）人: 陳信宏;蔡安益
• 申請（專利權）人: 長興化學工業股份有限公司
• 主分類號: H01G9/20
• 分類號: H01G9/20;H01G9/022;H01G9/025;H01M14/00;H01L51/42;H01L51/44;H01L51/48
• 代理公司: 北京中原華和知識產權代理有限責任公司
• 代理人: 壽 寧;張華輝

技術領域

本發明涉及一種太陽能電池及其制法；尤其關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

隨著科技與經濟的快速發展，能源的需求也大幅度的增加。現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點，為目前最被看好且最重要的新興能源來源之一。

二十世紀中，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體的光伏效應。雖然目前硅太陽能電池的光電轉化效率優于其它形式者，但由于制造工藝復雜、成本高、材料要求嚴苛等缺點，因此在商業化量產上仍有所限制。

近年來，染料敏化太陽能電池(Dye-Sensitized?Solar?Cell，DSSC)由于具有價格低廉的優勢而被認為極具發展潛力，可望取代傳統硅太陽能電池，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電基板、作為電子傳輸層的半導體氧化物(如TiO₂)、敏化染料、傳輸電子與空穴的電解質、以及封裝材料。DSSC是利用形成于導電基板上的半導體納米晶膜，在其表面吸附一敏化染料后，形成DSSC的工作電極。當敏化染料吸收太陽光后，其電子躍遷至激發態并迅速轉移至半導體納米晶膜，電子隨后擴散至導電基板并經外電路轉移至對電極。因失去電子而成為氧化態的敏化染料則通過電解質而還原，而氧化后的電解質則接受對電極的電子而還原成基態，從而完成電子的整個傳輸過程。

舉例言之，瑞士的M.團隊發展一種DSSC，其是將TiO₂納米結晶粒涂布于導電基板氟摻雜氧化錫(fluorine-doped?tin?oxide，FTO)玻璃上，并利用TiO₂納米粒多孔膜的孔隙結構，吸附釕絡合物(Ru-complexes，如N3、N719)敏化染料，隨后以鍍上鉑(Pt)的導電玻璃作為對電極。其中，是利用碘離子(I₃^-/I^-)溶液作為電解質，提供DSSC所需的氧化-還原反應。N3及N719的結構分別如下所示：

傳統制造DSSC的方法，包括將兩塊導電基板分別做成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，最后封孔完成DSSC等操作。特定言之，是先在一塊導電基板涂布一層半導體納米層，并經一燒結程序以固化所述半導體納米層后，將所述覆有半導體納米層的導電基板置入敏化染料溶液中，使得敏化染料吸附于半導體上而形成工作電極；另一塊導電基板則在真空或非真空狀態下通過合適手段在其上形成一層導電物質(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、封裝等操作，最后再注入電解質并將注入口密封。

傳統制造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。不僅在制作大面積DSSC時極為不便，亦會受限于基板的形狀及大小，且在后續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，此種傳統制法必須使用兩塊基板，基板成本約達總成本的一半，因此減少基板的用量勢必可更提高DSSC的商業價值。

此外，為便于將電解質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，傳統制造方法一般是使用液態電解質。目前常用的液態電解質是將以鹵素為主的I₃^-/I^-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)、二甲基甲酰胺(dimethylformamide，DMF)、及甲基吡咯酮(N-methyl-2-pyrrolidone，NMP))中后，再加上一些用于修飾半導體氧化物(如TiO2)的添加劑(如：第三丁基吡啶(4-tert-butylpyridine，TBP)、N-甲基苯并咪唑(N-methylbenzimidazole，NMBI)、LiI、NaI)而獲得。此種液態電解質容易因鹵素的高活性以及溶劑本身的高揮發性，導致液態電解質滲透到電池外部，造成DSSC失效及環境的污染。