TW201327856A - 染料敏化太陽能電池 - Google Patents
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Abstract
一種染料敏化太陽能電池包含一透光導電基板、一染料層、一集電電極、一絕緣膠以及一金屬膜片。透光導電基板具有一透光基板及一透光導電層，透光導電層設置於透光基板上。染料層設置於透光導電層上。集電電極設置於透光導電層上並位於染料層之周圍。絕緣膠設置於染料層周圍以及集電電極上。金屬膜片設置於染料層及絕緣膠上。
Description
本發明係關於一種太陽能電池，特別關於一種染料敏化太陽能電池。
太陽能本身並無公害問題且取得容易，永不竭盡，故太陽能成為重要替代性能源之一。較常應用太陽能之太陽能電池是一種光電轉換元件，其經由太陽光照射後，把光能轉換成電能。
太陽能電池的種類繁多，諸如矽基(silicon-based)太陽能電池、半導體化合物(compound semiconductor)太陽能電池或有機(organic)太陽能電池、或染料敏化太陽能電池(Dye Sensitized Solar Cell,DSSC)。其中，染料敏化太陽能電池之結構係包含兩導電基板相互封裝貼合，其中一導電基板上設有二氧化鈦以吸附染料，另一導電基板上設有一例如鉑的催化層。由於習知染料敏化太陽能電池係由二基板組裝而成，因而增加產品的體積及厚度且不利於輕薄化。
因此，如何針對染料敏化太陽能電池提出一種新的結構設計以利產品的輕薄化，進而提升產品競爭力，實為當前重要課題之一。
有鑑於上述課題，本發明之目的為提供一種染料敏化太陽能電池，其具有新的結構設計以利產品的輕薄化，進而提升產品競爭力。
為達上述目的，依據本發明之一種染料敏化太陽能電池包含一透光導電基板、一染料層、一集電電極、一絕緣膠以及一金屬膜片。透光導電基板具有一透光基板及一透光導電層，透光導電層設置於透光基板上。染料層設置於透光導電層上。集電電極設置於透光導電層上並位於染料層之周圍。絕緣膠設置於染料層周圍以及集電電極上。金屬膜片設置於染料層及絕緣膠上。
在一實施例中，透光導電層係為一連續透光導電層或包含複數不連接之透光導電部。
在一實施例中，透光導電層係具有複數不連接之透光導電部，染料層具有複數不連接之染料部，該等染料部分別設置於該等透光導電部上。
在一實施例中，染料層包含複數不連接之染料部，該等染料部為正多邊形或是矩形。
在一實施例中，集電電極包含至少一框部。
在一實施例中，框部之一側具有一導電連接部。
在一實施例中，導電連接部位於透光導電基板之一側或相對側。
在一實施例中，金屬膜片為一連續金屬膜片或包含複數不連接之金屬部。
在一實施例中，金屬膜片之材質包含鈦、鎳或不銹鋼。
在一實施例中，染料敏化太陽能電池更包含一封裝膠，其係設置於金屬膜片上。
在一實施例中，封裝膠具有至少一第一導電孔以及至少一第二導電孔。
在一實施例中，第一導電孔係與集電電極電性連接，第二導電孔係與金屬膜片電性連接。
在一實施例中，染料敏化太陽能電池更包含一雙面電路板，其具有相對之一第一表面及一第二表面，第一表面具有至少一第一導電墊以及至少一第二導電墊，第一導電墊與第一導電孔電性連接，第二導電墊與第二導電孔電性連接。
在一實施例中，雙面電路板更具有二開孔，且電路板之第二表面具有一第三導電墊以及一第四導電墊，其中一開孔係連接第三導電墊以及其中一第一導電墊，另一開孔係連接第四導電墊以及其中一第二導電墊。
在一實施例中，雙面電路板更具有一轉移墊，轉移墊位於第二表面且位於雙面電路板之一邊緣並與第四導電墊電性連接。
承上所述，本發明之染料敏化太陽能電池可僅包含一基板，再於基板上設置染料層、集電電極、絕緣膠以及金屬膜片，其中，金屬膜片可與集電電極形成電性迴路，且藉由絕緣膠將金屬膜片與集電電極、染料層電性隔離，使得染料敏化太陽能電池能正常作用並進行光電轉換。藉此，本發明賦與染料敏化太陽能電池新的結構設計，使其達到產品輕薄化，並提升產品競爭力。
以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例之一種染料敏化太陽能電池，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。
圖1A為本發明第一實施例之一種染料敏化太陽能電池1的立體示意圖，圖1B為染料敏化太陽能電池1的分解示意圖，圖1C為染料敏化太陽能電池1的俯視示意圖，圖1D為染料敏化太陽能電池1沿圖1C之AA線段的剖面示意圖。請參照圖1A至圖1D以說明染料敏化太陽能電池1。染料敏化太陽能電池1包含一透光導電基板11、一染料層12、一集電電極13、一絕緣膠14以及一金屬膜片15。
透光導電基板11具有一透光基板111及一透光導電層112，透光導電層112設置於透光基板111上。光線可經由透光導電基板11進入染料敏化太陽能電池1。透光基板111之材質可例如包含玻璃或塑膠，塑膠例如為聚對苯二甲酸乙二酯(PET)或其他透光性高分子。透光導電層112之材質例如可為透光導電氧化物(TCO)，例如氧化銦錫、氧化錫、氧化鋅、或是摻雜氟的二氧化錫(Sn：F)，而此種透光導電基板11又稱可為FTO基板。透光導電層112可為一連續透光導電層或包含複數不連接之透光導電部；於此，透光導電層112係以一連續透光導電層並未有圖案化為例。
染料層12設置於透光導電層112上。染料層12可為一連續的染料層或具有複數不連接之染料部；於此，染料層12係以一連續的染料層並未有圖案化為例。在形成染料層12時，可先將一染料吸附層(例如二氧化鈦，圖中未顯示)塗佈於透光導電層112上，再充填染料，以讓二氧化鈦吸附染料而形成染料層12。當吸收光時，染料層12會產生電子，而電子會傳遞至透光導電基板11的透光導電層112。於此，染料層12中的染料可例如包含釕(Ru)等金屬錯合物色素、或是甲基、酞菁等有機色素。
集電電極13設置於透光導電層112上並位於染料層12之周圍。集電電極13包含至少一框部131；於此，集電電極13以包含一框部131為例。框部131位於染料層12周圍。框部131之一側具有一導電連接部132，導電連接部132用以作為電池的一電極，以將電力傳送出去。於此，導電連接部132為一多邊形，例如為一矩形，且位於框部131之一側，並以作為負極為例。
集電電極13之材質係以銀膠為例，亦可為其他材質的導電膠，例如鋁膠或銅膠。形成集電電極13的方式可為印刷、塗佈或點膠，藉由集電電極13的設置，能夠協助染料層12之電子的傳遞。於此，染料層12所產生的電子，會先傳遞至透光導電基板11上的透光導電層112，再由透光導電層112傳遞至集電電極13。
絕緣膠14設置於染料層12周圍以及集電電極13上，甚至覆蓋住部份集電電極13。絕緣膠14設置於集電電極13與金屬膜片15之間而可使二者電性絕緣。絕緣膠14可為熱熔膠，並具有接合與保護集電電極13不生鏽之功效。
金屬膜片15設置於染料層12及絕緣膠14上。金屬膜片15可為一連續金屬膜片或包含複數不連接之金屬部；於此，金屬膜片15以一連續金屬膜片，例如為一金屬箔片。金屬膜片15設置於染料層12及絕緣膠14上，但未覆蓋導電連接部132，故未與導電連接部132電性接觸。金屬膜片15之材質可例如包含鈦、鎳或不銹鋼。金屬膜片15與染料層12電性連結，例如能夠作為電池的正極，並與集電電極13一同形成電性迴路。
染料敏化太陽能電池1更包含一電解質16，其係設置於金屬膜片15、絕緣膠14以及染料層12之間的空間內。由於絕緣膠14之最高點較染料層12高，故可形成一空間來容置電解質16。金屬膜片15可藉由電解質16而與染料層12電性連結，而形成電池的另一電極。
染料敏化太陽能電池1可更包含一封裝膠17，其設置於金屬膜片15上。封裝膠17可防止異物進入染料敏化太陽能電池1內，而能避免染料敏化太陽能電池1損壞。封裝膠17亦可保持染料敏化太陽能電池1的密閉性。另外，封裝膠17具有至少一第一導電孔171以及至少一第二導電孔172。第一導電孔171係與集電電極13電性連接，第二導電孔172係與金屬膜片15電性連接。細部來說，第一導電孔171係與集電電極13之導電連接部132電性連接，可例如藉由一導線連接集電電極13之導電連接部132、或是預設導電連接部132之高度，使導電連接部132直接接觸第一導電孔171而達到電性連接，進而成電池迴路。
請參照圖2A及圖2B所示，為將光電轉換所產生的電力導出，染料敏化太陽能電池1可更包含一雙面電路板18，其具有相對之一第一表面181及一第二表面182；其中，圖2A為第一表面181的示意圖，圖2B為第二表面182的示意圖。請參照圖2A、圖2B及圖1C所示，第一表面181具有至少一第一導電墊183以及至少一第二導電墊184，第一導電墊183與第一導電孔171電性連接，第二導電墊184與第二導電孔172電性連接；於此，第一導電墊183與第一導電孔171直接接觸而電性連接，第二導電墊184與第二導電孔172直接接觸而電性連接。另外，雙面電路板18更具有二開孔(圖未顯示)，且雙面電路板18之第二表面182具有一第三導電墊185以及一第四導電墊186，其中一開孔係連接第三導電墊185以及第一導電墊183，另一開孔係連接第四導電墊186以及第二導電墊184。如此，電力就可經由位於第一表面181的第一導電墊183及第二導電墊184傳導至位於第二表面182的第三導電墊185以及第四導電墊186。雙面電路板18可更具有一轉移墊187，轉移墊187係位於第二表面182且位於雙面電路板18之一邊緣並與第四導電墊186電性連接。如此，電力即可轉移至靠近雙面電路板18之邊緣之轉移墊187以及第三導電墊185(其係以位於雙面電路板18之一邊緣為例)，進而能方便將來電力的導出。例如，染料敏化太陽能電池1的使用方式可類同於現在手機充電電池，即二接點鄰近且均在電池的同一側邊。
圖3A為本發明第二實施例之一種染料敏化太陽能電池2的立體示意圖，圖3B為染料敏化太陽能電池2的分解示意圖，圖3C為染料敏化太陽能電池2的俯視示意圖，圖3D為染料敏化太陽能電池2沿圖3C之BB線段的剖面示意圖。請參照圖3A至圖3D以說明染料敏化太陽能電池2。染料敏化太陽能電池2包含一透光導電基板21、一染料層22、一集電電極23、一絕緣膠24、一金屬膜片25、一電解質26以及一封裝膠27。上述元件之特性與第一實施例之對應元件相同，於此不再贅述。不過上述部分元件之結構與第一實施例之對應元件不相同，於以下詳述之。
在本實施例中，透光導電層212係包含複數不連接之透光導電部213。透光導電層212可例如以雷射切割、機械切割、化學腐蝕或FTO印刷等後續加工方式來斷開。藉由斷開透光導電層212，可將染料敏化太陽能電池2分為多個小電池來進行串聯或並聯，進而增加應用性。於此，透光導電層212係具有複數平行間隔排列的矩形導電層。
染料層22具有複數不連接之染料部221，該等染料部221分別設置於該等透光導電部212上。於此不限制染料部221之形狀，其可例如為正多邊形或是矩形，如正六角形。於此，染料層22係配合透光導電層212的形狀，也為複數平行間隔排列的矩形。
集電電極23包含複數框部231，各框部231設置於各透光導電部212上，並設置於各染料部221之周圍。本發明不限制框部231之形狀，其可例如為正多邊形或是矩形，如正六角形。當框部231為正六角形時，藉由這樣的佈線設計(layout design)可使集電電極23提供最佳化的載子傳遞效果。如此，集電電極23與其內之染料層22係形成蜂窩狀，並且可共用側邊而形成最密排列，因而大幅提升染料面積以及整體光電轉換效能。另外，染料層22之染料部221亦可為正六角形，並分別位於集電電極23之框部231內。如圖4所示為集電電極23之框部231與染料層22之染料部221皆為正六角形的態樣，框部231與染料部221之一間距D係介於0.1mm至5mm，較佳者係介於0.2mm至1mm。據驗證，這樣的間距特徵使得本實施例之發電效能得到較佳的效果。當然，隨著不同的實施態樣，間距D可被調整。另外，集電電極23之框部231之線寬係以介於0.1mm至3mm為例，較佳者係介於0.2mm至1mm。
請參照圖3B所示，集電電極23更包含至少一導電連接部232，導電連接部232係與框部231連結。該等導電連接部232可位於透光導電基板21之一側或相對側；於此係以導電連接部232位於透光導電基板21之一側為例。另外，如圖5A及圖5B所示為導電連接部232位於透光導電基板21之相對側之態樣。其中，圖5A所示為6個染料部221對應6個框部231及6個導電連接部232，其中3個導電連接部232位於透光導電基板21之一側，另外3個導電連接部232位於透光導電基板21之另一側。圖5B所示為12個染料部221對應12個框部231及12個導電連接部232，其中6個導電連接部232位於透光導電基板21之一側，另外6個導電連接部232位於透光導電基板21之另一側。
請參照圖3A至圖3D所示，金屬膜片25包含複數不連接之金屬部251，各金屬部251對應各染料部221以及各透光導電部212設置，並且各金屬部251之尺寸大致對應各透光導電部212。各金屬部251未覆蓋集電電極23之導電連接部232。
封裝膠27具有至少一第一導電孔271以及至少一第二導電孔272；於此係以封裝膠27具有6個第一導電孔271以及6個第二導電孔272為例。第一導電孔271係與集電電極23電性連接，第二導電孔272係與金屬膜片25電性連接。細部來說，各第一導電孔271係與集電電極23之各導電連接部232電性連接，可例如藉由一導線連接集電電極23之導電連接部232、或是預設導電連接部232之高度，使導電連接部232直接接觸第一導電孔271而達到電性連接。細部來說，各第二導電孔272與各金屬膜片25之金屬部251電性連接。
請參照圖6A及圖6B所示，為將光電轉換所產生的電力導出，染料敏化太陽能電池2可更包含一雙面電路板28，其具有相對之一第一表面281及一第二表面282；其中，圖6A為第一表面281的示意圖，圖6B為第二表面282的示意圖。第一表面281具有至少一第一導電墊283以及至少一第二導電墊284；於此係以第一表面281具有6個第一導電墊283以及6個第二導電墊284為例。請參照圖6A、圖6B及圖3C所示，各第一導電墊283與各第一導電孔271電性連接，各第二導電墊284與各第二導電孔272電性連接；於此，第一導電墊283與第一導電孔271直接接觸而電性連接，第二導電墊284與第二導電孔272直接接觸而電性連接。此外，其中5個第一導電墊283分別與5個第二導電墊284電性連接而形成串聯。
另外，雙面電路板28更具有二開孔(圖未顯示)，且雙面電路板28之第二表面282具有一第三導電墊285以及一第四導電墊286，其中一開孔係連接第三導電墊285以及其中一第一導電墊283(以圖式中最左邊之第一導電墊283為例)，另一開孔係連接第四導電墊286以及其中一第二導電墊284(以圖式中最右邊之第二導電墊284為例)。如此，電力就能傳導至第三導電墊285以及第四導電墊286。雙面電路板28可更具有一轉移墊287，轉移墊287係位於第二表面282且位於雙面電路板28之一邊緣並與第四導電墊286電性連接。如此，光伏電池的電力即可藉由雙面電板28之電路設計而將電力串聯轉移至靠近雙面電路板28之邊緣之轉移墊287以及第三導電墊285(其係以位於雙面電路板28之一邊緣為例)，進而能方便將來電力的導出，並且提高了輸出電壓可應用於更多的產品上。例如，染料敏化太陽能電池2的使用方式可類同於現在手機充電電池，即接點在電池的同一側邊。
綜上所述，本發明之染料敏化太陽能電池僅包含一基板，再於基板上設置染料層、集電電極、絕緣膠以及金屬膜片，其中，金屬膜片可與集電電極形成電性迴路，並可作為催化層之用，且藉由絕緣膠將金屬膜片與集電電極、染料層電性隔離，使得染料敏化太陽能電池能正常作用並進行光電轉換。藉此，本發明賦與染料敏化太陽能電池新的結構設計，使其達到產品輕薄化，並提升產品競爭力。
另外，集電電極以及染料層所形成之六角形有下列優點：
圖7為正六邊形內接於一圓的示意圖。當正六邊形內接於圓時，圓的半徑剛好等於正六邊形的邊長，正六邊形最長的對角線就等於圓的直徑，因此可以採用正六邊形為圓的近似圖形。相同周長的的n邊形中，以正n邊形的面積為最大，並且邊數越多，面積也越大；圓的面積比任何正多邊形的還要大。但從堆疊的角度來看，圓的密合度不好，圓形不能共邊，圓與圓之間堆疊只有點相接，會有許多空間被浪費，因此正六邊形結構符合節省材料、容積最大且堆疊與密合度高。
正六邊型之結構在化學上也常見，受到共振效應，苯環的結構是正六邊形，石墨也是由碳原子排成正六邊形的連續層狀結構，還有冰晶也是六邊形，結冰時，水分子受到氫鍵吸引，也是正六邊形，此因正六邊形的結構受力平均。圖8A與圖8B為染料吸附層之二氧化鈦塗佈於透光導電基板21上的示意圖。當二氧化鈦塗佈於透光導電基板21時，二氧化鈦層的表面並非平整，而需藉由攤平過程來使二氧化鈦層的表面平整。當二氧化鈦以重力攤平時，因六角型近似圓形而受力平均，故可降低二氧化鈦層的厚度高低差異性，進而能降低變異性並提升良率。
圖9A為三種不同形狀(六角形、正方形、長方形)之染料部及集電電極之電子傳遞路徑的示意圖，電子傳遞路徑可包含最短路徑、次短路徑以及短路徑。但實際上在電子傳遞時，可能因為內電阻過高而出現短路徑失效的現象，如圖9B所示。電子以最短路徑傳遞，一旦短路徑失效(例如印刷導致內電阻過高)，其傳遞路徑增長，會增加內部電阻。但六角形每邊皆等距，故路徑失效不影響其傳遞路徑。
以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。
1、2、2a、2b．．．染料敏化太陽能電池
11、21．．．透光導電基板
111、211．．．透光基板
112、212．．．透光導電層
12、22．．．染料層
13、23．．．集電電極
131、231．．．框部
132、232．．．導電連接部
14、24．．．絕緣膠
15、25．．．金屬膜片
16、26．．．電解質
17、27．．．封裝膠
171、271．．．第一導電孔
172、272．．．第二導電孔
18、28．．．雙面電路板
181、281．．．第一表面
182、282．．．第二表面
183、283．．．第一導電墊
184、284．．．第二導電墊
185、285．．．第三導電墊
186、286．．．第四導電墊
187、287．．．轉移墊
213．．．透光導電部
221．．．染料部
251．．．金屬部
D．．．間距
圖1A至圖1D為本發明第一實施例之一種染料敏化太陽能電池的示意圖；
圖2A及圖2B為本發明第一實施例之染料敏化太陽能電池之一雙面電路板的示意圖；
圖3A至圖3D為本發明第二實施例之一種染料敏化太陽能電池的示意圖；
圖4為本發明第二實施例之染料敏化太陽能電池之集電電極之框部與染料層之染料部為正六角形的示意圖；
圖5A及圖5B為本發明第二實施例之染料敏化太陽能電池之不同態樣的示意圖，其中導電連接部位於透光導電基板之相對側；
圖6A及圖6B為本發明第二實施例之染料敏化太陽能電池之一雙面電路板的示意圖；
圖7為正六邊形內接於一圓的示意圖；
圖8A及圖8B為染料吸附層之二氧化鈦塗佈於透光導電基板上的示意圖；以及
圖9A及圖9B為三種不同形狀之染料部及第一導電層之電子傳遞路徑的示意圖。
1．．．染料敏化太陽能電池
11．．．透光導電基板
111．．．透光基板
112．．．透光導電層
12．．．染料層
13．．．集電電極
131．．．框部
14．．．絕緣膠
15．．．金屬膜片
16．．．電解質
17．．．封裝膠
172．．．第二導電孔
Claims (15)
- 一種染料敏化太陽能電池，包含：一透光導電基板，具有一透光基板及一透光導電層，透光導電層設置於透光基板上；一染料層，設置於該透光導電層上；一集電電極，設置於該透光導電層上並位於該染料層之周圍；一絕緣膠，設置於該染料層周圍以及該集電電極上；以及一金屬膜片，設置於該染料層及該絕緣膠上。
- 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池，其中該透光導電層係為一連續透光導電層或包含複數不連接之透光導電部。
- 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池，其中該透光導電層係具有複數不連接之透光導電部，該染料層具有複數不連接之染料部，該等染料部分別設置於該等透光導電部上。
- 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池，其中該染料層包含複數不連接之染料部，該等染料部為正多邊形或是矩形。
- 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池，其中該集電電極包含至少一框部。
- 如申請專利範圍第5項所述之染料敏化太陽能電池，其中該集電電極更包含一導電連接部，該導電連接部係與該框部連結。
- 如申請專利範圍第6項所述之染料敏化太陽能電池，其中該等導電連接部位於該透光導電基板之一側或相對側。
- 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池，其中該金屬膜片為一連續金屬膜片或包含複數不連接之金屬部。
- 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池，其中該金屬膜片之材質包含鈦、鎳或不銹鋼。
- 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池，更包含：一封裝膠，設置於該金屬膜片上。
- 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池，其中該封裝膠具有至少一第一導電孔以及至少一第二導電孔。
- 如申請專利範圍第11項所述之染料敏化太陽能電池，其中該第一導電孔係與該集電電極電性連接，該第二導電孔係與該金屬膜片電性連接。
- 如申請專利範圍第12項所述之染料敏化太陽能電池，更包含：一雙面電路板，具有相對之一第一表面及一第二表面，該第一表面具有至少一第一導電墊以及至少一第二導電墊，該第一導電墊與該第一導電孔電性連接，該第二導電墊與該第二導電孔電性連接。
- 如申請專利範圍第13項所述之染料敏化太陽能電池，其中該雙面電路板更具有二開孔，且該雙面電路板之該第二表面具有一第三導電墊以及一第四導電墊，其中一開孔係連接該第三導電墊以及其中一第一導電墊，另一開孔係連接該第四導電墊以及其中一第二導電墊。
- 如申請專利範圍第14項所述之染料敏化太陽能電池，其中該雙面電路板更具有一轉移墊，該轉移墊係位於該第二表面且位於該雙面電路板之一邊緣並與該第四導電墊電性連接。
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