TWI500175B

TWI500175B - 金屬柔性染料敏化太陽能電池及其製造方法

Info

Publication number: TWI500175B
Application number: TW102115019A
Authority: TW
Inventors: Sung Jin Kim
Original assignee: Sangbo Corp
Priority date: 2012-05-15
Filing date: 2013-04-26
Publication date: 2015-09-11
Also published as: TW201347213A; CN103426641A; CN103426641B; KR101192981B1

Description

金屬柔性染料敏化太陽能電池及其製造方法

本發明涉及染料敏化型太陽能電池(DYE-SENSITIZED SOLAR CELL)及其製造方法，更詳細地說，涉及金屬柔性染料敏化太陽能電池及其製造方法，所述金屬柔性染料敏化太陽能電池在高分子塑料基板的正面上塗覆或沉積銀(Argentum，以下，總稱為“Ag”)之後，利用雷射或熱壓紋進行構圖，在其上塗覆或沉積保護膜之後，將塗覆有碳類薄膜或Al₂ O₃ 的阻擋層塗覆在所述高分子塑料基板的背面上，以製造上部電極基板；在高分子塑料基板的正面上塗覆不銹鋼(SUS：Stainless Use Steel)薄膜之後，在其上塗覆金屬層，從而在以能以柔軟的薄膜形態進行應用的方式應用柔性金屬基板之後，用二氧化鈦(以下，總稱為“TiO₂ ”)、SiO₂ 或透明的碳類薄膜對所述金屬層進行塗覆，在其上塗覆TiO₂ 奈米粒子層，然後應用彩色有機染料和彩色無機染料製造下部電極基板；在所述上部電極基板與下部電極基板之間注入電解質之後，用密封材料進行雙重密封，再用乙烯/乙酸乙烯酯共聚物(Ethylene Vinyl Acetate，以下總稱為“EVA”)進行密封。

因持續使用化石燃料而引起的全球變暖等環境問題正在顯現。此外鈾的使用會引起放射性污染和核廢料處理設施等問題。因此，開始提出對替代能源的要求並展開相應的研究，其中具有代表性的是利用太陽能的太陽能電池。

太陽能電池是使用在有光照射時產生電子和空穴的光吸收物質直接進行發電的元件。這起因於以下事實，即，1839年法國的物理學家Becquerel首次發現了由光誘發的化學反應能產生電流的光致發電，隨後又在硒(selenium)等固體中發現了類似的現象。隨後，1954年在Bell實驗室首次開發了具有大約6%的效率的矽類太陽能電池，此後圍繞著無機矽持續進行了太陽能電池的研究。

這種無機類太陽能電池元件由像矽這樣的無機物半導體的p-n節構成。作為太陽能電池的材料的矽大體上分為像單晶矽或多晶矽這樣的晶體矽類和非晶矽類。其中，與非晶矽類相比，晶體矽類將太陽能轉換為電能的能量轉換效率更加優秀，但是由於生長晶體所需的時間和能量，使其生產性降低。

由於這樣的問題，曾經嘗試了對代替矽而利用有機物質的光致發電現象的太陽能電池元件的研究。有機物光致發電現像是如下現象，即，當對有機物質照射光時，吸收光子(Photon)產生電子(Electron)-空穴(Hole)對，將其分離並分別傳遞給陰極和陽極，通過這樣的電荷的流動而產生電流。即，通常來說在有機類太陽能電池中，在對由電子施體(Electron Donor)和電子受體(Electron Acceptor)物質的結合構造構成的有機物質照射光時，在電子施體形成電子-空穴對，通過電子向電子受體移動，從而實現電子-空穴的分離。這種過程通常稱為“光誘導載流子(Charge Carrier)”或“光誘導電荷轉移現象(Photoinduced Charge Transfer，PICT)”，通過光產生的載流子分離為電子-空穴並通過外部電路產生電力。

但是，利用通常的有機物質的太陽能電池存在能量轉換效率低並且使用壽命短的問題，但是1991年瑞士的格蘭澤爾(Gratzel)研究小組利用染料作為感光劑開發了作為光電化學型的太陽能電池的染料敏化太陽能電池。由格蘭澤爾等提出的光電化學型的太陽能電池是利用由感光性染料分子和奈米粒子的二氧化鈦構成的氧化物半導體的光電化學型太陽能電池。即，染料敏化太陽能電池是在透明電極與金屬電極之間吸附有染料的像氧化鈦這樣的無機氧化物層插入電解質，利用光電化學反應製造的太陽能電池。一般來說，染料敏化太陽能電池由兩種電極(光電極和相向電極)、無機氧化物、染料以及電解質構成，因為染料敏化太陽能電池使用對環境無害的物質/材料，所以是環保的，具有與現有的無機太陽能電池中的非晶矽類的太陽能電池相匹敵的10%左右的高的能量轉換效率，製造單價卻只有矽太陽能電池的20%左右，所以商業化可能性非常高。

一般來說，染料敏化太陽能電池的構造從下層開始具備玻璃基板、第1透明電極、吸附有染料的無機氧化物層、電解質層、第2透明電極以及上部基板等。無機氧化物層為以奈米(Nano)多孔膜的形態存在的像TiO₂ 、ZnO、SnO₂ 這樣的具有寬的帶隙的n型氧化物半導體，在其表面吸附有單分子層的染料。

對染料敏化太陽能電池的原理進行說明如下。當太陽光入射到太陽能電池時，染料(Dye)的HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital)能階電子吸收光能躍遷到LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital)能階，並快速注入到無機氧化物層(Conduction Band，CB)形成傳導電子。此時，失去電子的染料的HOMO能階的空位將由電解質層內的離子(I-)提供的電子所重新填充。

即，這可以解釋為，隨著太陽光的入射，在無機氧化物層側積累傳導電子，同時在電解質層側逐漸丟失電子，即會積累空穴，在有外部負載時，通過積累的載流子(Carrier)形成電動勢。

參照以往的染料敏化太陽能電池的製造方法，如圖1所示，下部電極基板10在玻璃基板11上沉積FTO(Fluorine-doped Tin Oxide)或ITO的第1透明電極12之後，在其上塗覆TiO₂ 膠體溶液，然後在大約450℃以上的溫度進行燒結(Sintering)，從而塗覆TiO₂ 薄膜13。通過反覆進行本過程，從而能調節所需的無機氧化物層的厚度或狀態。接著，浸泡在染料(Dye)溶液中約2~3日左右，使染料在TiO₂ 粒子表面著色而形成染料層14。另一方面，上部電極基板20通過一般濺射(Sputtering)方法在玻璃基板21上塗覆鉑(Pt)等，沉積第1透明電極22，然後形成電解質30注入用孔。此後，所述下部電極基板10和上部電極基板20利用高分子封裝材料40進行接合，通過預先做好的孔注入電解質30作為陽極物質，通過封合從而完成。

這種染料敏化太陽能電池由於廉價的原料以及容易的製作方法從而能以以往矽太陽能電池的四分之一水準的生產費進行製作，並且由於輕量、薄膜化、透明性以及能實現各種色相等而能應用於多種應用領域。此外，染料敏化太陽能電池自身具有柔性，在實現適當的柔性透明電極的情況下，能實現柔性太陽能電池。

特別是，用於便攜式裝置的染料敏化太陽能電池作為移動的動力源，其輕量和柔性可以看作是必需的特性，因為染料敏化太陽能電池自身具有柔性，所以在實現適當的柔性透明電極的情況下，能實現柔性(Flexible)太陽能電池。

但是，在當前的染料敏化太陽能電池製造技術上要求高溫的燒結(Sintering)過程，所以使用像塑料那樣的柔性基板和導電性聚合物等透明電極是困難的。從而，當前大部分的染料敏化太陽能電池都使用玻璃基板的ITO(lndium Tin Oxide)等氧化物類透明電極。

雖然最近開發出了能進行低溫燒結(大約不足150℃)的無機氧化物層，能使用商用導電性塑料基板等，但是在該情況下需要承受光電變換效率的降低。此外，因為透明上部電極基板與ITO基板相比透射度和傳導特性較低，所以可預見附加的效率降低。從而，欲實現效率高的柔性染料敏化太陽能電池是相當困難的。

此外，雖然這種以往的柔性染料敏化太陽能電池注入了液體電解質等，但是隨著時間的流逝，會產生由於注入的液體電解質洩漏的電解質洩漏現象而造成使用壽命不穩定等問題。

從而，本發明是為了解決上述那樣的問題而提出的，其目的在於，提供一種金屬柔性染料敏化太陽能電池及其製造方法，在高分子物質的基板上塗覆或沉積吸附有感光性染料分子的奈米粒子氧化物而形成半導體電極，在所述半導體電極上塗覆或沉積Ag之後，通過雷射或熱壓紋進行構圖，再沉積或塗覆保護膜，由此形成許多的金屬柔性染料敏化太陽能電池單元，以串聯或並聯方式對這樣形成的金屬柔性染料敏化太陽能電池單元進行結綫而製造金屬柔性染料敏化太陽能電池，用密封材料對該金屬柔性染料敏化太陽能電池進行雙重密封，再用EVA進行三重密封，從而提高太陽能電池的光電效率，防止電解質洩漏現象，保護其不會受到微小灰塵等雜質的侵害。

本發明的金屬柔性染料敏化太陽能電池，其中，該金屬柔性染料敏化太陽能電池包括：上部電極基板，該上部電極基板通過在第1高分子塑料基板的正面上塗覆或沉積Ag之後，利用雷射或熱壓紋進行構圖，在進行構圖的Ag上沉積或塗覆保護膜之後，在所述第1高分子塑料基板的背面上塗覆由透明的碳類薄膜和Al₂ O₃ 中的任一種形成的第1阻擋層而製造；下部電極基板，該下部電極基板通過在第2高分子塑料基板的正面上塗覆不銹鋼(Stainless Use Steel，SUS)薄膜之後，在不銹鋼上塗覆金屬層，在所述金屬層的正面和背面塗覆由TiO₂ 、SiO₂ 和透明的碳類薄膜中的任一種形成的第2阻擋層，在第2阻擋層上塗覆TiO₂ 奈米粒子層，然後形成應用了多種彩色有機染料和多種彩色無機染料的染料層而製造；以及注入到所述上部電極基板與下部電極基板之間的電解質，其中，用密封材料對與所述電解質相接的第2阻擋層和所述上部電極基板形成一次密封壁，用密封材料對所述上部電極基板和下部電極基板形成二次密封壁，用EVA對所述第1阻擋層和所述第2高分子塑料基板進行塗覆。

本發明的金屬柔性染料敏化太陽能電池的製造方法，其中，該方法包括：準備第1高分子塑料基板的步驟；用Ag塗覆所述第1高分子塑料基板的正面的步驟；利用雷射或熱壓紋對所述塗覆有Ag的第1高分子塑料基板進行構圖的步驟；在所述進行構圖的Ag上塗覆保護膜的步驟；在所述第1高分子塑料基板的背面上塗覆由透明的碳類薄膜和Al₂ O₃ 中的任一種形成的第1阻擋層，以製造上部電極基板的步驟；準備第2高分子塑料基板的步驟；在所述第2高分子塑料基板的正面上塗覆SUS的步驟；在所述SUS上塗覆金屬層的步驟；在所述金屬層的正面和背面上塗覆第2阻擋層的步驟；在所述第2阻擋層上塗覆TiO₂ 奈米粒子層的步驟；在所述TiO₂ 奈米粒子層上形成染料層，以製造下部電極基板的步驟；用密封材料對所述第2阻擋層和上部電極基板進行一次密封，以形成一次密封壁的步驟；用密封材料對所述上部電極基板和所述下部電極基板進行二次密封，以形成二次密封壁的步驟；在所述上部電極基板和所述下部電極基板之間注入電解質的步驟；以及用EVA對所述上部電極基板和所述下部電極基板進行塗覆的步驟。

如上所述，本發明的金屬柔性染料敏化太陽能電池在上部電極基板與下部電極基板之間注入電解質之後，用密封材料進行雙重密封，再用EVA進行密封，從而具有如下優點，即，能提高太陽能電池的光電效率，能防止電解質洩漏現象，提高具有電極劣化可能性的染料敏化型太陽能電池的可靠性，能保護其不會受到微小灰塵或濕氣等雜質的侵害。

此外，具有能通過保護膜保護塗覆在上部電極基板上的Ag不受電解質的侵害的優點。

10‧‧‧下部電極基板

11‧‧‧玻璃基板

12‧‧‧第1透明電極

13‧‧‧TiO₂ 薄膜

14‧‧‧染料層

20‧‧‧上部電極基板

21‧‧‧玻璃基板

22‧‧‧第1透明電極

30‧‧‧電解質

40‧‧‧高分子封裝材料

200‧‧‧上部電極基板

201‧‧‧第1高分子塑料基板

202‧‧‧Ag

203‧‧‧保護膜

204‧‧‧第1阻擋層

210‧‧‧下部電極基板

211‧‧‧第2高分子塑料基板

212‧‧‧SUS薄膜

213‧‧‧金屬層

214‧‧‧第2阻擋層

215‧‧‧TiO2奈米粒子層

216‧‧‧染料層

220‧‧‧電解質

230‧‧‧一次密封壁

240‧‧‧二次密封壁

250‧‧‧EVA

S300~S314‧‧‧步驟

圖1是以往的染料敏化型太陽能電池的截面圖；圖2是本發明的第1實施例的金屬柔性染料敏化太陽能電池的截面圖；圖3是本發明的第1實施例的金屬柔性染料敏化太陽能電池製造方法的流程圖；圖4是本發明的第2實施例的金屬柔性染料敏化太陽能電池的截面圖；圖5是本發明的第2實施例的金屬柔性染料敏化太陽能電池製造方法的流程圖；圖6是本發明的金屬柔性染料敏化太陽能電池模組的概略性的放大截面圖；圖7是本發明的金屬柔性染料敏化太陽能電池的產品照片。

以下，通過參照附圖進行的對實施例的詳細的說明對本發明的金屬柔性染料敏化太陽能電池及其製造方法進行更詳細的記述。在對本發明進行說明時，在判斷為對相關的習知技術或結構的具體的說明有可能不必要地混淆本發明的要旨的情況下，將省略其詳細的說明。而且，後述的用語是考慮了在本發明中的功能而定義的用語，有可能根據客戶或運用者、使用者的意圖或習慣等而有所不同。因此，應基於本說明書整體內容進行定義。

在所有附圖中，相同的附圖標記表示相同的組成要素。

圖2是本發明的第1實施例的金屬柔性染料敏化太陽能電池的截面圖，圖3是本發明的第1實施例的金屬柔性染料敏化太陽能電池製造方法的流程圖，圖4是本發明的第2實施例的金屬柔性染料敏化太陽能電池的截面圖，圖5是本發明的第2實施例的金屬柔性染料敏化太陽能電池製造方法的流程圖，圖6是本發明的金屬柔性染料敏化太陽能電池模組的概略性的放大截面圖，圖7是本發明的金屬柔性染料敏化太陽能電池的產品照片。

以下，通過下述實施例對本發明的金屬柔性染料敏化太陽能電池及其製造方法更加具體地進行說明。

[實施例1]

本發明的第1實施例的金屬柔性染料敏化太陽能電池如圖2所示，包括：上部電極基板200，該上部電極基板200通過在第1高分子塑料基板201的正面上塗覆或沉積Ag202之後，利用雷射或熱壓紋進行構圖，在其上沉積或塗覆保護膜203之後，在所述第1高分子塑料基板201的背面上塗覆由透明的碳類薄膜和Al₂ O₃ 中的任一種形成的第1阻擋層204而製造；下部電極基板210，該下部電極基板210通過在第2高分子塑料基板211的正面上塗覆不銹鋼(Stainless Use Steel，SUS)薄膜212之後，在其上塗覆金屬層213，在所述金屬層213的正面和背面塗覆由TiO₂ 、SiO₂ 和透明的碳類薄膜中的任一種形成的第2阻擋層214，在其上塗覆TiO₂ 奈米粒子層215，然後形成應用了多種彩色有機染料和多種彩色無機染料的染料層216而製造；以及注入到所述上部電極基板200與下部電極基板210之間的電解質220。

在此，用密封材料對與所述電解質220相接的第2阻擋層214和所述上部電極基板200形成一次密封壁230，用密封材料對所述上部電極基板200和下部電極基板210形成二次密封壁240，用EVA250對所述第1阻擋層204和所述第2高分子塑料基板211進行三次密封。此外，只在與電解質220相接的第2阻擋層214上形成所述TiO₂ 奈米粒子層215。

此外，所述1高分子塑料基板201和第2高分子塑料基板211由PET(Polyethylene Terephthalate)、PEN(Polyethylene Naphthalate)、PES(Polyethersulfone)中的任一種構成。

此外，所述保護膜203和所述透明的碳類薄膜是透明的碳奈米管(Carbon Nano Tube，以下總稱為“CNT”)薄膜或透明的石墨烯(Graphen)薄膜。

此外，所述金屬層213由Ti、W、Zn、Co、Ni、Al、SUS、Cr、Mo、Cu中的任一種形成。

此外，所述電解質220是液體電解質或準固體電解質。

下面，參照圖3對這樣的本發明的第1實施例的金屬柔性染料敏化太陽能電池的製造方法詳細地進行說明，本發明的金屬柔性染料敏化太陽能電池的製造方法包括：準備第1高分子塑料基板201的步驟S300；用Ag202塗覆所述第1高分子塑料基板201的正面的步驟S301；利用雷射或熱壓紋對所述塗覆有Ag202的第1高分子塑料基板201進行構圖的步驟S302；在所述進行構圖的Ag202上塗覆保護膜203的步驟S303；在所述第1高分子塑料基板201的背面上塗覆由透明的碳類薄膜和Al₂ O₃ 中的任一種形成的第1阻擋層204，以製造上部電極基板200的步驟S304；準備第2高分子塑料基板211的步驟S305；在所述第2高分子塑料基板211的正面上塗覆SUS212的步驟S306；在所述SUS212上塗覆金屬層213的步驟S307；在所述金屬層213的正面和背面上塗覆第2阻擋層214的步驟S308；在所述第2阻擋層214上塗覆TiO₂ 奈米粒子層215的步驟S309；在所述TiO₂ 奈米粒子層215上形成染料層，以製造下部電極基板的步驟S310；用密封材料對所述第2阻擋層214和上部電極基板200進行一次密封，以形成一次密封壁230的步驟S311；用密封材料對所述上部電極基板200和所述下部電極基板210進行二次密封，以形成二次密封壁240的步驟S312；在所述上部電極基板200和所述下部電極基板210之間注入電解質的步驟S313；以及用EVA250對所述上部電極基板200和所述下部電極基板210進行塗覆的步驟S314。

在此，如前所述，所述TiO₂ 奈米粒子層215只在與電解質220相接的第2阻擋層214上形成。此外，所述第1高分子塑料基板 201和第2高分子塑料基板211由PET(Polyethylene Terephthalate)、PEN(Polyethylene Naphthalate)、PES(Polyethersulfone)中的任一種構成。此外，所述保護膜203和所述透明的碳類薄膜是透明的CNT薄膜或透明的石墨烯(Graphen)薄膜。此外，所述金屬層213由Ti、W、Zn、Co、Ni、Al、SUS、Cr、Mo、Cu中的任一種形成。此外，所述電解質220是液體電解質或準固體電解質。

從而，這樣形成的金屬柔性染料敏化太陽能電池能通過雙重密封防止電解質洩漏現象，通過EVA塗覆能保護其不受微小灰塵或濕氣等雜質的侵害。此外，能通過保護膜保護塗覆在上部電極基板上的Ag不受電解質的侵害。

下面，對本發明的第2實施例的金屬柔性染料敏化太陽能電池的模組進行說明。

[實施例2]

本發明的第2實施例的金屬柔性染料敏化太陽能電池如圖4所示，在第2高分子塑料基板211的正面上塗覆像Ti、W、Zn、Co、Ni、Al、SUS、Cr、Mo或Cu那樣的金屬層213。從而，除了在所述第2高分子塑料基板211的正面上沒有塗覆不銹鋼薄膜212以外，都與實施例1相同，因此，省略對其的詳細說明。

此外，本發明的第2實施例的金屬柔性染料敏化太陽能電池的製造方法如圖5所示，由準備第2高分子塑料基板211的步驟S305和在所述第2高分子塑料基板211的正面上塗覆金屬層213的步驟S306構成。即，除了省略了在第2高分子塑料基板211的正面上塗覆SUS212的實施例1的步驟S306以外，都與實施例1的製造方法相同，因此省略對其的詳細說明。

參照圖示了本發明的金屬柔性染料敏化太陽能電池模組的概略性的放大截面的圖6，在上部電極基板(未圖示)上塗覆Ag202之後，利用雷射或熱壓紋進行構圖(Patterning)，然後塗覆保護膜 203，在其下側設置沉積在下部電極基板(未圖示)上的吸附有有機和無機染料的TiO₂ 奈米粒子層215。這樣形成本發明的太陽能電池模組，用A表示的部分就是本發明的金屬柔性染料敏化太陽能電池模組。

這樣形成的本發明的金屬柔性染料敏化太陽能電池的產品如圖7所示，該產品能以柔軟的形態進行彎曲，所以能附著在手機、可穿戴PC等下一代PC產業所需的電源的家用充電器或衣物、帽子、汽車玻璃、建築物等進行使用。

如前所述的本發明的金屬柔性染料敏化太陽能電池用密封材料進行雙重密封再用EVA進行三重密封，從而能提高太陽能電池的光電效率，能防止電解質洩漏現象，能提高具有電極劣化可能性的染料敏化型太陽能電池的可靠性，能保護其不受微小灰塵或濕氣等雜質的侵害。此外，能通過保護膜保護塗覆在上部電極基板上的Ag不受電解質的侵害。

雖然像以上那樣根據良好的實施例對本發明進行了說明，但是這些實施例並不用於限制本發明，只是舉例說明，所以本發明所屬技術領域的技術人員能在不脫離本發明的技術思想的情況下進行對上述實施例的多種變化、變更或調節。因此，本發明的保護範圍應理解為包括屬於本發明的技術思想要旨的所有的變化例、變更例或調節例。