TW200812096A - Amorphous diamond energy converter - Google Patents

Description

200812096 九、發明說明： ' 【發明所屬之技術領域】 本發明係一種無晶鑽石能量轉換器，尤其係一種使用 .無晶鑽石以提高能量轉換效率的無晶鑽石能量轉換器。 【先前技術】 一般能量轉換器，如電池、冷卻器等皆屬於其範疇， 而在此先前技術我們以染料敏化太陽能電池為例，闡述目 前能量轉換器所產生的問題。 # 習用染料敏化電池的工作電極可包括兩部分，其係為 導電基片以及塗設有光敏染料層的半導體電極，該半導體 電極係採用奈米晶粒膜，如二氧化鈦等，而該光敏染料層 係塗設在半導體電極面對導電基片的一側表面，該染料為 釕（Ru )金屬錯合有機光敏染料，於導電基片相對於半導 體電極的另側設有另一電極^而於導電基片與半導體電極 之間還設有電解質層。 其工作原理係當染料層吸收光能後，其中的電子會躍 ® 遷至激發態，因半導體電極的導帶能階低於染料的激發 態，故電子能傳輸至半導體電極，隨後「擴散」至導電基 片，且經外迴路產生光電流至另一電極。失去電子的染料 層處於氧化態，此時電解質層中的電解質會補償染料層中 失去的電子，使氧化態的染料層被還原，該電解質為四級 胺基的碘鹽或鋰碘鹽類溶於高極性的有機溶劑當中，此時 處於氧化態的電解質又會從另一電極中接受電子而還原成 基態，此為染料敏化電池的光電流產生過程。 200812096 ‘ 然而，目前的染料敏化電池具有以下缺點： 1·:半導體電極係以陶宪粉末燒結而成，其燒結溫度 呵’而且為了增加染料的吸附面積，該陶瓷粉末須 使用奈米級的粉末，而且就算粉末為奈米粉末，其 燒結溫度也需達攝氏數百度以上，如奈米二氧化鈦 、疋、σ /皿度而約400 C，其燒結溫度大大限制導電基 片的選擇種類。 # 2.上述半導體奈求膜層的光吸收率低，故需塗佈有色 染料以吸收光。 3.上述半導體奈米膜層之電子傳輸效率差，因半導-^米曰中不存在有内在電場，因此電子傳輸方式 為擴散，使得電子遷移率低，故產生的電子會盘失 去電子的電解質產生結合，並降低光電轉換率:、 至該半導體奈米膜層本身不會有光電效應，九 ，電池需要利用染料吸收光，使電子激發到； • *您、’再使電子遷移’故染料的選擇決定染料敏化 太陽能電池效率。 匕 習用能量轉換器的限制报多，而且電子傳輪的效率為 限料導體電極的燒結溫度以及染料種類，因二 能量轉換效率的能量轉換器是目前業界積極研究的課有良好 為此’本發明人著手研究’發現無晶鑽石為良好的半 導體材枓，由於無晶鑽石為碳❹ (—-ukecarbon)，益晶錯石的的類鑽碳 …日日鑕石的鑽石鍵結係 則扭曲且長短不一 > Μ 、 卫八有不寻Ϊ的金屬鍵，故為非晶質 6 200812096 相，這些扭曲的鍵結會形成無晶鑽石内的缺陷能階，使無 晶鑽石的能隙大小可高可低，無—固定值，結果形成如階 梯般的能隙狀態’故電子报容易在無晶鑽石内部由低能階 躍遷至高能pu形成自&電子’目此無晶鑽石同時具有鑽 石的高硬度以及石墨的導電性’ έ欠而成為良好的半導體材 料。 【發明内容】 為解決習用g量轉換器的問題，本發明人經過不斷的 、试與努力，而發現無晶鑽石是可利用的材料，因此發明 此染料敏化電池。 x 本發明之染料敏化電池，其係包括有： 透明導電基片； 導電基板，其在面對導電基片的—側設有無晶鑽石膜； 、，吸附層，其係設置在透明導電基片與無晶鑽石膜之間， 並吸附在無晶鑽石膜上； 染料層，其係設置在透明導電基片與吸附層之間，並 與吸附層連接。 由於無晶鑽石為含有鑽石鍵結（SP3)、扭曲的四面體 •鍵結（D1Storeted Tetrahedral B〇nding)以及石墨鍵二 (SP2)的碳膜層，其性質兼具鑽石穩定性與石墨的導電性， $晶鑽石本身具光電以及熱電效應，在吸熱或照光後會有 包子產生。無晶鑽石可以物理氣相沉積法塗佈，而且因為 土佈的概度低於2〇〇，故幾乎可塗佈於任何材料上，如 孟屬陶尤、塑膠’並能製作成可繞式的能量轉換器，大 7 200812096 大增加此里轉換為'的適用環境，也因為該無晶鑽石塗佈於 導電基板的溫度低，因此利用該無晶鑽石加入染料敏化電 池中，即可改善習用缺點。 又由於無晶鑽石具有熱電效應以及光電效應，且具有 負陰電性的特性（Negative electron affinity)，因此 其導電帶的最低能階比真空還高，故當電子接受熱能或光 能時，電子會形成自由電子而從無晶鑽石表面射出，使無 φ 晶鑽石在極低的電場誘導下即可射出電子，且當溫度升高 時，射出電子的電流密度呈倍數增加，故可利用溫度差異、 高溫或是光子能量使無晶鑽石激發出電子，達到發電效 果。無晶鑽石可以物理氣相沉積法塗設在任何基材之上， 並調整塗佈參數，以控制表面型態、厚度等種種物理性質， 故無晶鑽石可被配置成任何型式的能量轉換器，俾使得具 有無晶鑽石的能量轉換器之能量轉換效率提高。 【實施方式】 • 請參考第一圖所示，本發明係一種無晶鑽石能量轉換 器，其係包括有： 透明導電基片（70)，該透明導電基板（7〇)的材質可 以選擇導電玻璃、透明導電塑谬，如聚乙二醇對笨二甲酸 酯（PET)等； 導電基板（60)，其於面對導電基片（7〇)的一側設有無 晶鑽石膜（10)，該無晶鑽石膜（1〇)係以物理氣相沉積法 塗佈在導電基板（60) ± ’因無晶鑽石膜(1。)可塗設在幾 乎所有材料之上，故導電基板（6〇)可使用金屬、陶瓷或 8 200812096 是導電塑膠，如聚乙二醇對苯二甲酸酯（PET)等材質； 吸附層（20)，其係設置在該導電基片（7〇)與無晶鑽石 膜（10)之間，並吸附在無晶鑽石膜（1〇)上，該吸附層（2〇) 為可鍵結在無晶鑽石膜（10)表面的高分子材料，如θ碳酸丙 烯’或是酯類，如甲基丙烯酸曱酯等；

染料層（30)，其係設置在該導電基片（7〇)與吸附層（2〇) 之間，並連結於吸附層（20)，俾使得該吸附層（2〇) 一端 吸附考無晶鑽石膜（i 〇 )、另一端連結著染料層（⑷之 染料分子，該染料層（30 )係作為光敏化劑之用，其由單 層或是多層染料分子的有機光敏染料，該有機光敏染料為 聯吡啶釕染料或紅汞； 封裝體（50)，其係設置在該吸附層（2 兩側’以將吸附層(20)與染料層⑽固定於導； 與導電基板⑽）之間，該封裝體（5())係絕緣體，且可為 如熱熔膠、塑膠等的彈性材料，使該無晶鑽石能量轉換哭 成為具有彈性、可彎曲的可繞式能量轉換器； 吃解液層(40) ’其係设置在染料層(3〇)與導電基片（7〇) 之::，以幫助電子傳遞’該電解液層（4〇)為氧化還原電 解貝溶液，可選用蛾離子電解質溶液，也可添加固化劑以 固化電解質，以避免電解溶液有流出該電池的疑慮。 由於無晶鑽石係略親油，〖生’因此當上述染料層為油性 染料分子，如尼羅红（·〗 (ΜΗ『Μ)時，則設置在無晶鑽石膜 ^料層之間以將染料層固定於無晶鑽石膜的吸附層則可 以省略。 9 200812096 實施例 為使為使熟知該項技術人士可確實了解本案之可行 性，故下列實驗及其結果分別證明無晶鑽石具光電、熱電 效應，吸收光子能量與熱能後產生電壓、電流的結果，以 證明利用無晶鑽石能量轉換器具有良好的能量轉換效率。 實施例1. 請參考第二圖所示，其係無晶鑽石在真空以及不同外 壓偏壓的環境下，吸收熱能以及吸收光能後所產生之電流 密度的比較圖，其顯示出光能可大大激發無晶鑽石的電 子，而且電流密度也會隨著溫度而上升，當施加的溫度為 1 0 0DC時，無晶鑽石電流密度約為施加溫度在54°C時的1. 6 倍（電場為3ν/μιη );由此可得知本發明之無晶鑽石能量 轉換器具明顯的光電效應及熱電效應。 實施例2. 請參考第三圖所示，本發明之無晶鑽石能量轉換器對 光照極為敏感，其吸收光能後電壓與電流會瞬間急速上 升，光照結束後電壓電流急速下降。而在光照過程中，電 壓上升後即呈現穩定狀態，且電流隨著時間會不斷上升， 故可證明本發明之無晶鑽石能量轉換器兼具可行性與實用 性。 【圖式簡單說明】 第一圖係本發明之結構示意圖。 10 200812096 第二圖係本發明之無晶鑽石膜在真空以及外壓偏壓的 環境下’吸收熱能以及吸收光能後所產生之電流密度圖。 第二圖係本發明在照光過程中，電壓與電流隨時間的 變化。 、 【主要元件符號說明】 (10)無晶鑽石膜 (2 0 )吸附層 (3 0 )染料層 (40 )電解液層 (5 0 )封裝體 (60)導電基板 (70)透明導電基板

Claims (1)

1. 200812096 十、申請專利範圍： 1 一種無晶鑽石能量轉換器，其係包括有： 透明導電基片； 導電基板，其在面對導泰其κ , 汰粗Μ .., ¥电基片的一側设有無晶鑽石膜； 木；4 g ，其係设置在透導 並與無晶鑽石膜連接。^基片與導電基板之間， 哭，1二:請專利範圍第1項所述之無晶鑽石能量轉換 口口 /、中5玄染料層為油性染料分子。 3.如中請專利範圍第1項所述之無晶鑽石能量轉換 益，其尚設有設置在染料層與無晶鑽石膜之間，並吸附在 無晶鑽石膜上的吸附層。 4 ·如申請專利範圍第上或2項所述之無晶鑽石能量 轉換器，其中該染料層兩側設有一封裝體。 。。5 .如申請專利範圍帛3項戶斤述之無晶鑽石能量轉換 為，其中5亥吸附層及染料層兩側設有一封裝體。 6 ·如中請專利範圍第或3項所述之無晶鑽石 能量轉換器，#尚設有一層位在該染料層與導電基片之間 的電解液層。 7 ·如中請專利範圍第或3項所述之無晶鑽石 能量轉換器’其中該透明導電基板的材質係導電玻璃。 8 .如中請專利範圍第1或2或3項所述之盈晶鑽石 能量轉換H ’其中該透明導電基板的材㈣透明 膠。 土 9.如申請專利範圍第工或2或3項所述之無晶鑽石 12 200812096 能重轉換器 在導電基板上。 1 0 ·如申請專利範圍第i或？ 丄A 2或3項所述之盔晶鑽 石能量轉換器，其中該導電基板係為金屬。 一曰鑕 1 1 ·如申請專利範圍第1吱？ 矛丄汊2或3項所述之盔晶鑽 石能量轉換器，其中該導電基板係為陶究。 …、曰曰鑽 12.如申請專利範圍第1或2或3項所述之益晶鑽 石能量轉換器’其中該導電基板係為導電塑膠。、 1 3 ··如申請專利範圍第q百 之…、晶鑽石能量轉 換裔，其中該吸附層係鍵 你…日日鑽石表面的高分子材 料0 i二如申請專利範圍第3項所述之無晶鑽石能量轉 換益’其中該吸附層係鍵結在無晶鑽石表面的醋類。 旦轉2二申請專利範圍第1《3項所述之無晶鑽石能 :、杰、、中该染料層具有至少一層有機光敏染 子0 轉換器 1 轉換器 1 換器， 1 換器， 士申σ月專利1巳圍帛1 5工員所述之無晶鑽石能量 ，其中該有機光敏染料為聯吡啶釕染料。 如申請專利範圍第1 5項所述之無晶鑽石能量 ，其中該有機光敏染料為紅汞。 8 ·如申請專利範圍第2項所述之無晶鑽石能量轉 其中該封裝體係為彈性材料。 9如申請專利範圍第3項所述之無晶鑽石能量轉 〃中°亥封裝體係為彈性材料。 13 200812096 • 2 0 如申凊專利範圍第6項所述之無晶鑽石能量轉 換裔，其中该電解液層為氧化還原電解質溶液。 2 1 ·如申請專利範圍第6項所述之無晶鑽石能量轉 換器，其中該電解液層係蛾離子電解質溶液。 2 2 ·如申請專利範圍第6或2 〇或2 1項所述之無 晶鑽石能量轉換器，其中該電解液層添加有固化電解質的 固化劑。 •十一、圖式： 如次頁

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