TWI455334B - 用於染料敏化太陽能電池之光陽極的製造方法 - Google Patents
用於染料敏化太陽能電池之光陽極的製造方法 Download PDFInfo
- Publication number
- TWI455334B TWI455334B TW101117251A TW101117251A TWI455334B TW I455334 B TWI455334 B TW I455334B TW 101117251 A TW101117251 A TW 101117251A TW 101117251 A TW101117251 A TW 101117251A TW I455334 B TWI455334 B TW I455334B
- Authority
- TW
- Taiwan
- Prior art keywords
- dye
- electrospinning
- titanium dioxide
- electrospun
- film layer
- Prior art date
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 36
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 143
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 71
- 239000004408 titanium dioxide Substances 0.000 claims description 68
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 64
- 239000000084 colloidal system Substances 0.000 claims description 47
- 238000001523 electrospinning Methods 0.000 claims description 45
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 30
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims description 27
- 239000002270 dispersing agent Substances 0.000 claims description 15
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 15
- 238000005245 sintering Methods 0.000 claims description 15
- 238000002791 soaking Methods 0.000 claims description 14
- 229920003171 Poly (ethylene oxide) Polymers 0.000 claims description 12
- 229920000036 polyvinylpyrrolidone Polymers 0.000 claims description 11
- 239000001267 polyvinylpyrrolidone Substances 0.000 claims description 11
- 235000013855 polyvinylpyrrolidone Nutrition 0.000 claims description 11
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 11
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 9
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 9
- -1 titanium alkoxide Chemical class 0.000 claims description 9
- SOQBVABWOPYFQZ-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);titanium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Ti+4] SOQBVABWOPYFQZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 6
- 239000002202 Polyethylene glycol Substances 0.000 claims description 5
- 229920001223 polyethylene glycol Polymers 0.000 claims description 5
- 201000009310 astigmatism Diseases 0.000 claims description 3
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 claims description 3
- 239000000975 dye Substances 0.000 description 63
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 38
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 13
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 9
- WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N Acetonitrile Chemical compound CC#N WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 6
- YSHMQTRICHYLGF-UHFFFAOYSA-N 4-tert-butylpyridine Chemical compound CC(C)(C)C1=CC=NC=C1 YSHMQTRICHYLGF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- HSZCZNFXUDYRKD-UHFFFAOYSA-M lithium iodide Chemical compound [Li+].[I-] HSZCZNFXUDYRKD-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 4
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 4
- FXPLCAKVOYHAJA-UHFFFAOYSA-N 2-(4-carboxypyridin-2-yl)pyridine-4-carboxylic acid Chemical compound OC(=O)C1=CC=NC(C=2N=CC=C(C=2)C(O)=O)=C1 FXPLCAKVOYHAJA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000013504 Triton X-100 Substances 0.000 description 3
- 229920004890 Triton X-100 Polymers 0.000 description 3
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 3
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 3
- VXUYXOFXAQZZMF-UHFFFAOYSA-N titanium(IV) isopropoxide Chemical compound CC(C)O[Ti](OC(C)C)(OC(C)C)OC(C)C VXUYXOFXAQZZMF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- POILWHVDKZOXJZ-ARJAWSKDSA-M (z)-4-oxopent-2-en-2-olate Chemical compound C\C([O-])=C\C(C)=O POILWHVDKZOXJZ-ARJAWSKDSA-M 0.000 description 2
- VMISXESAJBVFNH-UHFFFAOYSA-N 2-(4-carboxypyridin-2-yl)pyridine-4-carboxylic acid;ruthenium(2+);diisothiocyanate Chemical compound [Ru+2].[N-]=C=S.[N-]=C=S.OC(=O)C1=CC=NC(C=2N=CC=C(C=2)C(O)=O)=C1.OC(=O)C1=CC=NC(C=2N=CC=C(C=2)C(O)=O)=C1 VMISXESAJBVFNH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- ZCYVEMRRCGMTRW-UHFFFAOYSA-N 7553-56-2 Chemical compound [I] ZCYVEMRRCGMTRW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N Diethyl ether Chemical compound CCOCC RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000006482 condensation reaction Methods 0.000 description 2
- 238000001962 electrophoresis Methods 0.000 description 2
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 2
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 2
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 2
- 229910052740 iodine Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011630 iodine Substances 0.000 description 2
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- YAYGSLOSTXKUBW-UHFFFAOYSA-N ruthenium(2+) Chemical compound [Ru+2] YAYGSLOSTXKUBW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000007650 screen-printing Methods 0.000 description 2
- DZLFLBLQUQXARW-UHFFFAOYSA-N tetrabutylammonium Chemical compound CCCC[N+](CCCC)(CCCC)CCCC DZLFLBLQUQXARW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005054 agglomeration Methods 0.000 description 1
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 1
- 125000003545 alkoxy group Chemical group 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 238000010924 continuous production Methods 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000007606 doctor blade method Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000009472 formulation Methods 0.000 description 1
- AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N indium;oxotin Chemical compound [In].[Sn]=O AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 239000006166 lysate Substances 0.000 description 1
- 229920002114 octoxynol-9 Polymers 0.000 description 1
- 239000011368 organic material Substances 0.000 description 1
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 229920000151 polyglycol Polymers 0.000 description 1
- 239000010695 polyglycol Substances 0.000 description 1
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 1
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 1
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 1
- 238000004227 thermal cracking Methods 0.000 description 1
- XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N tin dioxide Chemical compound O=[Sn]=O XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001887 tin oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000011179 visual inspection Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G9/00—Electrolytic capacitors, rectifiers, detectors, switching devices, light-sensitive or temperature-sensitive devices; Processes of their manufacture
- H01G9/20—Light-sensitive devices
- H01G9/2027—Light-sensitive devices comprising an oxide semiconductor electrode
- H01G9/2031—Light-sensitive devices comprising an oxide semiconductor electrode comprising titanium oxide, e.g. TiO2
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/542—Dye sensitized solar cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Hybrid Cells (AREA)
- Photovoltaic Devices (AREA)
Description
本發明是有關於一種用於染料敏化太陽能電池之光陽極的製造方法。
染料敏化太陽能電池(dye-sensitized solar cell;DSSC)由於具有製程簡易、容易量產與低成本等優點,因此被視為新世代的太陽能電池之一。這種太陽能電池的結構中的光陽極包含二氧化鈦層以及染料,且染料吸附在二氧化鈦層中。這是因為二氧化鈦層只能吸收紫外光來轉換電能,無法利用可見光來發電,因此需要利用染料可吸收可見光的特性來提高電能的產出。
為了確保染料敏化太陽能電池的性能,光陽極之二氧化鈦層須符合一定性能要求,例如,厚度均勻性佳、成膜性好與附著性強。在習知技術中,二氧化鈦層通常是藉由微米濕式塗佈法、電泳法、網版印刷法或刮刀成膜法來形成二氧化鈦膜層,然後再經由燒結而形成二氧化鈦層。然而在上述習知技術的製造方法中,很難同時滿足這些要求。例如,以網版印刷法所形成的二氧化鈦層,雖然成膜性很好,但是與基材的附著性不佳而容易脫落。
此外,目前讓二氧化鈦層吸附染料的方法是將二氧化鈦層浸泡於染料溶液中,讓二氧化鈦層吸附其中的染料。但這個方法的缺點在於製程時間過長,通常需要至少八小時以上的浸泡時間。
因此,在染料敏化太陽能電池的技術領域中,仍需要一種可以製備出性能佳的光陽極且低製造成本的製造方法,來提昇染料敏化太陽能電池在市場上的競爭力。
發明內容旨在提供本揭示內容的簡化摘要,以使閱讀者對本揭示內容具備基本的理解。此發明內容並非本揭示內容的完整概述,且其用意並非在指出本發明實施例的重要/關鍵元件或界定本發明的範圍。
本發明之一態樣是揭露一種用於染料敏化太陽能電池的光陽極的製造方法,其包含下列步驟:電紡粒子膠體,以形成第一電紡絲薄膜層於基材上。其中,粒子膠體包含奈米二氧化鈦粒子、高分子材料、分散劑以及溶劑,而此高分子係用以協助成膜。燒結第一電紡絲薄膜層,以形成主二氧化鈦層。
依據本發明一實施方式,上述高分子材料包含一材料係選自由聚乙二醇、聚氧化乙烯和聚乙烯砒咯烷酮及其組合所構成之群組。
依據本發明一實施方式,上述粒子膠體之溶劑係選自由水、乙醇及其組合所構成的群組。
依據本發明一實施方式,粒子膠體之溶劑為水與乙醇,且水對乙醇的體積比值為約0.5至約2。
依據本發明一實施方式,電紡粒子膠體步驟之製程電壓為12-18 kV。
依據本發明一實施方式,電紡粒子膠體步驟之流速為
0.5-1.5 ml/hr。
依據本發明一實施方式,更包含吸附染料於主二氧化鈦層中。
依據本發明一實施方式,吸附染料步驟包含浸泡主二氧化鈦層於染料溶液中。
依據本發明一實施方式,吸附染料步驟包含電紡染料溶液於主二氧化鈦層上。
依據本發明一實施方式,電紡粒子膠體步驟後,更包含電紡溶凝膠體於第一電紡絲薄膜層上,以形成第二電紡絲薄膜層,其中溶凝膠體包含烷氧基鈦、分散劑以及溶劑。
依據本發明一實施方式,電紡溶凝膠體步驟後,更包含浸泡第二電紡絲薄膜層於溶凝膠體中。
依據本發明一實施方式,電紡溶凝膠體步驟之製程電壓為12-18 kV。
依據本發明一實施方式,電紡溶凝膠體步驟之流速為0.5-1.5 ml/hr。
依據本發明一實施方式,電紡溶凝膠體步驟後,更包含燒結第二電紡絲薄膜層,以形成散光二氧化鈦層於主二氧化鈦層上。
依據本發明一實施方式,燒結第一電紡絲薄膜層步驟及燒結第二電紡絲薄膜層係在同一步驟中進行。
依據本發明一實施方式,更包含吸附染料於散光二氧化鈦層中。
依據本發明一實施方式,吸附染料步驟包含電紡染料溶液於散光二氧化鈦層上。
依據本發明一實施方式,電紡染料溶液步驟之製程電壓為2-6 kV。
依據本發明一實施方式,電紡染料溶液步驟之流速為0.1-0.5 ml/hr。
本發明之另一態樣揭露一種可用於染料敏化太陽能電池的光陽極,而此光陽極是使用上述任一種方法所製造的。
上述發明內容旨在提供本揭示內容的簡化摘要,以使閱讀者對本揭示內容具備基本的理解。此發明內容並非本揭示內容的完整概述,且其用意並非在指出本發明實施例的重要/關鍵元件或界定本發明的範圍。在參閱下文實施方式後,本發明所屬技術領域中具有通常知識者當可輕易瞭解本發明之基本精神及其他發明目的,以及本發明所採用之技術手段與實施態樣。
下述將更詳細討論本發明之實施方式。然而,此實施方式可為各種發明概念的應用,可被具體實行在各種不同的特定範圍內。特定的實施方式是僅以說明為目的,且不受限於揭露的範圍。
第1圖係顯示依照本發明一實施方式之製造染料敏化太陽能電池之光陽極的方法100的流程圖。製造方法100包含有電紡粒子膠體以形成第一電紡絲薄膜層(步驟110)、燒結第一電紡絲薄膜層(步驟120)、以及染料溶液處理(步驟130)。第2圖係顯示依照本發明一實施方式之染料敏化太陽能電池的示意圖。
在步驟110中,電紡二氧化鈦粒子膠體於一基材210上,以形成第一電紡絲薄膜層。基材210可為具有一導電層之基板。導電層可為氧化銦錫(indium tin oxide,ITO)、摻雜氟的氧化錫(fluorine-doped tin oxide,FTO)。基板可為玻璃基板或塑膠基板。
以下將簡述靜電紡絲(electrospinning)製程的原理。首先,由發射電極施加高電壓於粒子膠體,而使粒子膠體帶電。帶電的粒子膠體經過噴嘴噴出後,因帶有相同電性,所以會分散成絲狀。絲狀的粒子膠體藉由正負電極間之吸引力,可被牽引至收集器。當絲狀的粒子膠體中的溶劑揮發後,即可形成奈米級的電紡纖維。巨觀來看,交織的電紡纖維可視為電紡絲薄膜層。而電紡製程中的電壓、膠體流速與溶劑的揮發速度都會影響到電紡絲薄膜層的特性。此外,相較於一般的刮刀法或電泳法製備出的二氧化鈦薄膜層而言,使用電紡製程製備的第一電紡絲薄膜層的厚度均勻性較佳。在一實施方式中,電紡粒子膠體的製程電壓為12-18 kV,較佳為13-15 kV。流速可為0.5-1 ml/hr。
粒子膠體包含奈米級二氧化鈦粒子、高分子、分散劑、以及溶劑。舉例來說,可將一定比例的上述四種材料混合並研磨,而可得到粒子膠體。
奈米二氧化鈦粒子的粒徑可為約10-100 nm。例如可為德固薩股份公司(Degussa Corporation)型號P25的奈米二氧化鈦粒子。
高分子可為聚乙二醇(polyethylene glycol,PEG)、聚氧化乙烯(polyethylene oxide,PEO)、聚乙烯砒咯烷酮
(polyvinylpyrrolidone,PVP)或其混合物。高分子用以提高第一電紡絲薄膜層的成膜性及附著性。
分散劑可為乙醯丙酮酸酯(acetylacetonate,ACAC)或辛基酚聚乙醇醚(polyoxyethylene octyl phenyl ether,又稱Triton X-100)。分散劑用以預防奈米二氧化鈦粒子凝集。
溶劑可為水、乙醇或其混合物。乙醇具有良好的揮發性,因此在形成電紡纖維後,乙醇可快速揮發。
粒子膠體組成舉例如下。奈米二氧化鈦粒子可為總重的15-30 wt%、分散劑可為總重的5-10 wt%、高分子聚合物可為總重的3-10 wt%。粒子膠體中剩餘的重量百分比為溶劑。
在一實施方式中,粒子膠體中的溶劑為水與乙醇的混合物,且水的體積(V1)與乙醇的體積(V2)的比值(V1/V2)為約0.5至約2之間。
在步驟120中,燒結第一電紡絲薄膜層以形成主二氧化鈦層220。藉由高溫製程,讓第一電紡絲薄膜層內的有機物質熱裂解,而留下多孔性的主二氧化鈦層220。燒結製程的最高溫度可在400-500℃左右。
在步驟130中,對主二氧化鈦層220進行染料溶液處理。例如可將主二氧化鈦層220浸泡於染料溶液中,或者電紡染料溶液於主二氧化鈦層220上。
在一實施方式中,將主二氧化鈦層220浸泡於染料溶液中一段時間,例如可為8至24小時。
在另一實施方式中,電紡染料溶液於主二氧化鈦層220上。詳細而言,是將主二氧化鈦層220放置於收集器端,
再使用靜電紡絲設備將染料溶液電紡於主二氧化鈦層220上。在電紡過程中,因溶劑逐漸揮發,所以染料230會留在主二氧化鈦層220的孔洞中或在二氧化鈦粒子的表面。在一實施方式中,電紡製程電壓為2-6 kV。流速為0.1-0.5 ml/hr。
染料溶液包含染料230以及溶劑。染料230例如為二(四丁基銨)順式-雙(異硫氰基)雙(2,2’-聯吡啶-4,4'-二羧酸)釕(II)錯合物(di-tetrabutylammonium cis-bis(isothiocyanato)bis(2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylato)ruthenium(II),又稱N719)或者順式-雙(異硫氰基)雙(2,2'-聯吡啶-4,4'-二羧酸)釕(II)錯合物(cis-bis(isothiocyanato)bis(2,2-bipyridyl-4,4-dicarboxylato)-ruthenium(II),又稱N3)。溶劑例如為無水乙醇。
最後,將以上述方式製造的光陽極與對電極250組裝後,注入電解質240,而製備出染料敏化太陽能電池200。對電極250例如可為包含有鉑金屬層的電極。電解質240例如可由0.05M的碘溶液、0.5M的碘化鋰溶液以及0.5M的4-叔丁基吡啶(4-tert-Butylpyridine,TBP)溶液所組成。電解質中的溶劑例如為乙腈(acetonitrile)。有關於對電極與電解質的材料已於諸多習知技術中揭露,所以在此僅稍作舉例以便於瞭解。
第3圖係顯示依照本發明另一實施方式之製造染料敏化太陽能電池之光陽極的方法300的流程圖。製造方法300包含有電紡粒子膠體以形成第一電紡絲薄膜層(步驟310)、電紡溶凝膠體以形成第二電紡絲薄膜層(步驟320)、
燒結第一電紡絲薄膜層及第二電紡絲薄膜層(步驟330),以及染料溶液處理(步驟340)。步驟310可與步驟110的具體實施方式相同。第4圖係顯示依照本發明另一實施方式之染料敏化太陽能電池的示意圖。
在步驟320中,電紡溶凝膠體於第一電紡絲薄膜層上,以形成第二電紡絲薄膜層。溶凝膠體包含烷氧基鈦、分散劑以及溶劑。舉例來說,可將烷氧基鈦、分散劑與溶劑混合後攪拌,而形成溶凝膠體。
烷氧基鈦可為一種或數種之具有一個、兩個、三個或四個烷氧基的烷氧基鈦。烷氧基鈦例如可為四異丙氧基鈦(titanium(IV)isopropoxide)。溶凝膠體中的分散劑與溶劑可與粒子膠體中的分散劑與溶劑相同或相異。例如可使用辛基酚聚乙醇醚作為分散劑,使用乙醇作為溶劑。
當烷氧基鈦與水氣接觸後,會發生水解縮合反應(hydrolysis-condensation reaction),而形成奈米二氧化鈦粒子。相較於粒子膠體而言,以縮合反應形成的二氧化鈦粒子的粒徑分佈會較寬。也因為粒徑大小不均一的關係,使得燒結出來的二氧化鈦粒子具有良好的散光效果。
溶凝膠體組成舉例如下。烷氧基鈦可為總重的0.3至0.9 wt%、分散劑可小於總重的0.001 wt%。溶凝膠體中剩餘的重量百分比為溶劑。
在一實施方式中,在步驟320後,浸泡第二電紡絲薄膜層於溶凝膠體中。由於第二電紡絲薄膜層為多孔性的薄膜層,因此經過浸泡製程後,第二電紡絲薄膜層中的孔洞可充滿溶凝膠體。
在步驟330中,燒結第一電紡絲薄膜層及第二電紡絲薄膜層,以分別形成主二氧化鈦層420與散光二氧化鈦層422。燒結製程的最高溫度可以在400-500℃左右。散光二氧化鈦層422可使光行進的路徑變長,進而可提昇染料敏化太陽能電池的光利用率。
在步驟340中,對散光二氧化鈦層422進行染料溶液處理。例如可將主二氧化鈦層420與散光二氧化鈦層422浸泡於染料溶液中,或者電紡染料溶液於散光二氧化鈦層422上。
在一實施方式中,將主二氧化鈦層420與散光二氧化鈦層422浸泡於染料溶液中一段時間,例如可為8至24小時。
在一實施方式中,電紡染料溶液於散光二氧化鈦層422上。詳細而言,是將散光二氧化鈦層422放置於收集器端,再將染料溶液電紡於散光二氧化鈦層422上。在電紡過程中,因溶劑逐漸揮發,所以染料430就會留在散光二氧化鈦層422的孔洞中或在二氧化鈦粒子的表面。此外,在電紡過程中,染料溶液還可能會滲透到主二氧化鈦層420中,所以主二氧化鈦層422的表面或孔洞中也可能有染料430。在一實施方式中,電紡製程電壓為2-6 kV。流速為0.1-0.5 ml/hr。
同樣地,將以上述方式製造的光陽極與對電極450組裝後,注入電解質440,而製備出染料敏化太陽能電池400。
由上述可知,本發明之實施方式使用電紡及燒結製程來製作主二氧化鈦層,而其具有良好的厚度均勻性、成膜
性以及附著性,且製造成本低。另外,還可使用電紡及燒結製程製作散光二氧化鈦層於主二氧化鈦層上,以提昇在染料敏化太陽能電池中的光利用率。
相較於浸泡染料溶液製程,電紡染料溶液製程可大幅減少製程時間以及染料的用量。並且,浸泡染料溶液一般為批次式的製程,而電紡染料溶液可應用於捲軸式(roll-to-roll)連續生產製程,因此在製程速度上具有更大的優勢。
綜上所述,本發明之實施方式製備出的光陽極具備有良好的厚度均勻性、成膜性以及附著性,且能夠有效的降低使用的染料量、製程時間以及製程成本。因此,本發明之實施方式具極高的商業價值,而有益於應用在染料敏化太陽能電池的製造流程中。
以下的實施例係用以詳述本發明之特定態樣,並使本發明所屬技術領域中具有通常知識者得以實施本發明。以下的實施例不應用以限制本發明。
實驗例1是先電紡粒子膠體,再浸泡染料,其製造流程的簡寫為1p2d。實驗例2是先電紡粒子膠體,再電紡染料,其製造流程的簡寫為1p1d。上述「1」代表電紡製程,「2」代表浸泡製程。「p」代表粒子膠體,「d」代表染料。下述將詳細說明各製程步驟。
首先,配置粒子膠體。將1.5克的奈米二氧化鈦粉末(型號P25)、0.4g的聚乙二醇、0.05毫升的Triton X-100、乙醇、水混合並研磨,而獲得粒子膠體。
然後,先電紡上述粒子膠體於具有透明導電層的基材上,再進行燒結製程而形成主二氧化鈦層。詳細來說,是將附有一層透明導電薄膜的玻璃擺放在靜電紡絲設備的收集器端,再電紡粒子膠體於透明導電薄膜上。電紡的製程電壓設定為15 kV,流速設定為0.75 ml/hr。待形成一定厚度的第一電紡絲薄膜層後,進行燒結製程。燒結製程的升溫條件如下:以20分鐘從室溫升至150℃,在150℃左右維持1小時,以20分鐘從150℃升至250℃,在250℃左右維持1小時,以20分鐘從250℃升至350℃,在350℃左右維持1小時,以20分鐘從350℃升至450℃,在450℃左右維持1小時。所以,粒子膠體中的高分子和分散劑因熱裂解而被移除,留下主二氧化鈦層。
接著,將主二氧化鈦層作外觀上的檢測。發現在目視檢查時沒有任何龜裂的情形,且輕敲玻璃時並沒有掉粉的狀況。因此,主二氧化鈦層具有良好的成膜性以及與透明導電薄膜間的附著性。
隨後,將主二氧化鈦層浸泡在染料溶液24小時,使二氧化鈦層吸附其中的染料。染料溶液的濃度為2×10-4M。染料為二(四丁基銨)順式-雙(異硫氰基)雙(2,2’-聯吡啶-4,4'-二羧酸)釕(II)錯合物(di-tetrabutylammonium cis-bis(isothiocyanato)bis(2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylato)ruthenium(II),又稱
N719),溶劑為無水乙醇。
最後,將製備好的光陽極與對電極(即陰極)組裝,再注入電解質,而形成染料敏化太陽能電池。對電極為包含有鉑金屬層的電極。電解質是以注射的方式填充於光陽極與對電極之間。電解質是由0.05M的碘溶液、0.5M的碘化鋰溶液以及0.5M的4-叔丁基吡啶(4-tert-Butylpyridine,TBP)溶液所組成。電解質中的溶劑為乙腈(acetonitrile)。
實驗例2係使用相同於實驗例1中所述之方法製備主二氧化鈦層。實驗例2與實驗例1的不同之處在於,實驗例2是電紡染料溶液於主二氧化鈦層上。電紡製程的電壓設定為2-6 kV,流速設定為0.1 ml/hr。實驗例2的染料溶液組成與實驗例1的染料溶液組成相同。
然後將此染料敏化太陽能電池測試光電轉換效率(η),其結果列於表一。
由表一可知,上述兩種染料敏化太陽能電池皆具有一定程度的光電轉換效率。因此可證明使用上述粒子膠體的配方進行上述製程來製造光陽極是可行的。
實驗例3至11之製造流程與實驗例1相同。差異之處在於,實驗例3至8的粒子膠體使用的高分子為聚氧化乙烯(PEO),實驗例9至11使用的高分子為聚乙烯砒咯烷酮(PVP)。其染料敏化電池測試短路電流(Jsc)、開路電壓(Voc)、填充因子(FF)以及光電轉換效率(η),其效能分別列於表二。
由表二可知,聚氧化乙烯以及聚乙烯砒咯烷酮皆可用於粒子膠體中。在同樣使用0.15克的高分子的情況下,使用聚氧化乙烯的染料敏化電池的效能較佳。此外,實驗例3至11的轉換效率在0.97%至3.41%之間。
實驗例12至20之製造流程與實驗例2相同。差異之處在於,實驗例12至17的粒子膠體使用的高分子為聚氧化乙烯(PEO),實驗例18至20使用的高分子為聚乙烯砒咯烷酮(PVP)。其染料敏化電池的效能分別列於表三。
由表三可知,聚氧化乙烯以及聚乙烯砒咯烷酮皆可用於粒子膠體中。在同樣使用0.15克的高分子的情況下,使用聚氧化乙烯的染料敏化電池的效能較佳。此外,相較於實驗例3至11,實驗例12至20的轉換效率略低,其轉換效率在0.89%至2.49%之間。
實驗例21至24之製造流程分別敘述如下。實驗例21的製造流程為依序電紡粒子膠體、電紡溶凝膠體、浸泡染料,其簡寫為1p1sg2d。實驗例22的製造流程為依序電紡粒子膠體、電紡溶凝膠體、電紡染料,其簡寫為1p1sg1d。實驗例23的製造流程為依序電紡粒子膠體、電紡溶凝膠體、浸泡溶凝膠體、浸泡染料,其簡寫為1p1sg2sg2d。實驗例24的製造流程為依序電紡粒子膠體、電紡溶凝膠體、浸泡溶凝膠體、電紡染料,其簡寫為1p1sg2sg1d。上述「1」代表電紡製程,「2」代表浸泡製程。「p」代表粒子膠體,「sg」代表溶凝膠體,「d」代表染料。
實驗例21至24中的電紡粒子膠體、浸泡染料及電紡染料製程所使用的材料及製程條件分別與實驗例1及2相同,因此不再贅述。下述將詳細說明溶凝膠體的配製、電紡溶凝膠體及浸泡溶凝膠體的製程條件。
溶凝膠體的配製方法如下。首先,取0.1毫升的四異丙氧基鈦加入20毫升的乙醇中,再加入0.05毫升的Triton X-100攪拌,而製備出溶凝膠體。
電紡溶凝膠體的製程電壓設定為15至18 kV,流速設定為1.0至1.5 ml/hr。
浸泡溶凝膠體的製程是將已經電紡完成的第二電紡絲薄膜層浸泡至溶凝膠體中約10秒左右。目的是為了讓溶凝膠體充滿在第二電紡絲薄膜層中的孔洞。
最後,使用與實驗例1相同之對電極與實驗例21至24中的光陽極組裝,再灌入電解質(電解質組成與實驗例1
之電解質組成相同),而製備出一系列的染料敏化太陽能電池。經由測試得到的光電性能列於表四中。
由表四可知,對於具有主二氧化鈦層及散光二氧化鈦層的光陽極而言,使用浸泡染料溶液製程或電紡染料溶液製程皆能使染料敏化電池具有良好的光電效能。此外,增加浸泡溶凝膠體步驟,更可提高染料敏化電池的效率。
綜上所述,本發明之實施方式已提供數種可製備出性能佳的光陽極且低製造成本的製造方法,而可解決習知技術的問題。
雖然本發明已以實施方式揭露如上,然其並非用以限定本發明,任何熟習此技藝者,在不脫離本發明之精神和範圍內,當可作各種之更動與潤飾,因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100、300‧‧‧製造方法
110、120、130、310、320、330、340‧‧‧步驟
200、400‧‧‧染料敏化太陽能電池
210、410‧‧‧基材
220、420‧‧‧主二氧化鈦層
230、430‧‧‧染料
240、440‧‧‧電解質
250、450‧‧‧陰極
422‧‧‧散光二氧化鈦層
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例
能更明顯易懂,所附圖式之說明如下:第1圖係顯示依照本發明一實施方式之製造染料敏化太陽能電池之光陽極的方法的流程圖。
第2圖係顯示依照本發明一實施方式之染料敏化太陽能電池的示意圖。
第3圖係顯示依照本發明另一實施方式之製造染料敏化太陽能電池之光陽極的方法的流程圖。
第4圖係顯示依照本發明另一實施方式之染料敏化太陽能電池的示意圖。
100‧‧‧製造方法
110、120、130‧‧‧步驟
Claims (17)
- 一種用於染料敏化太陽能電池之光陽極的製造方法,包含:電紡一粒子膠體,以形成第一電紡絲薄膜層於一基材上,其中該粒子膠體包含奈米二氧化鈦粒子、高分子材料、分散劑以及溶劑,該高分子係用以協助成膜;燒結該第一電紡絲薄膜層,以形成主二氧化鈦層;以及吸附一染料於該主二氧化鈦層中,其中吸附該染料步驟包含電紡一染料溶液於該主二氧化鈦層上。
- 如請求項1所述之製造方法,其中該高分子材料包含一材料係選自由聚乙二醇、聚氧化乙烯和聚乙烯砒咯烷酮及其組合所構成之群組。
- 如請求項1所述之製造方法,其中該粒子膠體之該溶劑係選自由水、乙醇及其組合所構成的群組。
- 如請求項3所述之製造方法,該粒子膠體之該溶劑係水及乙醇,該水對該乙醇的體積比值為約0.5至約2。
- 如請求項1所述之製造方法,電紡該粒子膠體步驟之製程電壓為12-18kV。
- 如請求項1所述之製造方法,電紡該粒子膠體步驟之流速為0.5-1.5ml/hr。
- 如請求項1所述之製造方法,電紡該粒子膠體步驟後,更包含電紡一溶凝膠體於該第一電紡絲薄膜層上,以形成第二電紡絲薄膜層,其中該溶凝膠體包含烷氧基鈦、分散劑以及溶劑。
- 如請求項7所述之製造方法,電紡該溶凝膠體步驟後,更包含浸泡該第二電紡絲薄膜層於該溶凝膠體中。
- 如請求項7所述之製造方法,電紡該溶凝膠體步驟之製程電壓為12-18kV。
- 如請求項7所述之製造方法,電紡該溶凝膠體步驟之流速為0.5-1.5ml/hr。
- 如請求項7所述之製造方法,電紡該溶凝膠體步驟後,更包含燒結該第二電紡絲薄膜層,以形成散光二氧化鈦層於該主二氧化鈦層上。
- 如請求項11所述之製造方法,燒結該第一電紡絲薄膜層步驟及燒結該第二電紡絲薄膜層係在同一步驟中進行。
- 如請求項11所述之製造方法,更包含吸附一染料於該散光二氧化鈦層中。
- 如請求項11所述之製造方法,其中吸附該染料步驟包含電紡一染料溶液於該散光二氧化鈦層上。
- 如請求項14所述之製造方法,其中電紡該染料溶液步驟之製程電壓為2-6kV。
- 如請求項14所述之製造方法,其中電紡該染料溶液步驟之流速為0.1-0.5ml/hr。
- 一種用於染料敏化太陽能電池的光陽極,為由請求項1至16中任一項所述之製造方法製造而得。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
TW101117251A TWI455334B (zh) | 2011-06-01 | 2012-05-15 | 用於染料敏化太陽能電池之光陽極的製造方法 |
US13/484,288 US8956910B2 (en) | 2011-06-01 | 2012-05-31 | Method for fabricating photoanode for dye-sensitized solar cell |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
TW100119269 | 2011-06-01 | ||
TW101117251A TWI455334B (zh) | 2011-06-01 | 2012-05-15 | 用於染料敏化太陽能電池之光陽極的製造方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
TW201251070A TW201251070A (en) | 2012-12-16 |
TWI455334B true TWI455334B (zh) | 2014-10-01 |
Family
ID=47260738
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
TW101117251A TWI455334B (zh) | 2011-06-01 | 2012-05-15 | 用於染料敏化太陽能電池之光陽極的製造方法 |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US8956910B2 (zh) |
TW (1) | TWI455334B (zh) |
Families Citing this family (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US10661261B2 (en) | 2015-03-13 | 2020-05-26 | The Research Foundation For The State University Of New York | Metal oxide nanofibrous materials for photodegradation of environmental toxins |
CN105118930A (zh) * | 2015-08-03 | 2015-12-02 | 深圳市华星光电技术有限公司 | 有机电致发光器件的制备方法及有机电致发光器件 |
TWI721625B (zh) * | 2019-10-30 | 2021-03-11 | 國立雲林科技大學 | 複合奈米纖維、其製法及其應用 |
CN114289077B (zh) * | 2021-12-23 | 2022-12-27 | 浙江大学 | 一种染料敏化二氧化钛复合纤维的制备方法 |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1801909A1 (en) * | 2004-10-15 | 2007-06-27 | Bridgestone Corporation | Dye sensitized metal oxide semiconductor electrode and method for manufacturing the same, and dye sensitized solar cell |
EP2031613A2 (en) * | 2007-08-29 | 2009-03-04 | Korea Institute of Science and Technology | Dye-sensitized solar cell with metal oxide layer containing metal oxide nanoparticles produced by electrospinning and method for manufacturing same |
TW201016909A (en) * | 2008-08-29 | 2010-05-01 | Dow Corning | Article formed from electrospinning a dispersion |
Family Cites Families (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1709219A4 (en) * | 2003-09-05 | 2008-03-05 | Univ Louisiana State | NANO FIBERS AND DEVICE AND METHOD FOR MANUFACTURING NANO FIBERS BY REACTIVE ELECTROSPINS |
KR100543218B1 (ko) * | 2003-10-31 | 2006-01-20 | 한국과학기술연구원 | 전기방사된 초극세 산화티타늄 섬유로 이루어진 반도체전극을 가지는 염료감응형 태양전지 및 그 제조방법 |
JP2007529645A (ja) * | 2004-03-16 | 2007-10-25 | ユニバーシティ・オブ・デラウェア | 活性であり、かつ、適応可能なフォトクロミック繊維、布、及び、膜 |
EP2045868B1 (en) * | 2006-07-13 | 2015-12-02 | Teijin Dupont Films Japan Limited | Dye-sensitized solar cell, and electrode and laminated film therefor |
US20100330419A1 (en) * | 2009-06-02 | 2010-12-30 | Yi Cui | Electrospinning to fabricate battery electrodes |
CN102714240A (zh) * | 2009-10-02 | 2012-10-03 | 南达科他州大学 | 半导体纳米颗粒/纳米纤维复合电极 |
-
2012
- 2012-05-15 TW TW101117251A patent/TWI455334B/zh active
- 2012-05-31 US US13/484,288 patent/US8956910B2/en active Active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1801909A1 (en) * | 2004-10-15 | 2007-06-27 | Bridgestone Corporation | Dye sensitized metal oxide semiconductor electrode and method for manufacturing the same, and dye sensitized solar cell |
EP2031613A2 (en) * | 2007-08-29 | 2009-03-04 | Korea Institute of Science and Technology | Dye-sensitized solar cell with metal oxide layer containing metal oxide nanoparticles produced by electrospinning and method for manufacturing same |
TW201016909A (en) * | 2008-08-29 | 2010-05-01 | Dow Corning | Article formed from electrospinning a dispersion |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
US8956910B2 (en) | 2015-02-17 |
US20120305068A1 (en) | 2012-12-06 |
TW201251070A (en) | 2012-12-16 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Priya et al. | High-performance quasi-solid-state dye-sensitized solar cell based on an electrospun PVdF− HFP membrane electrolyte | |
Gao et al. | A facile method to prepare SnO 2 nanotubes for use in efficient SnO 2–TiO 2 core–shell dye-sensitized solar cells | |
Li et al. | Efficiency enhancement of ZnO-based dye-sensitized solar cell by hollow TiO2 nanofibers | |
Dissanayake et al. | Dye-sensitized solar cells based on electrospun polyacrylonitrile (PAN) nanofibre membrane gel electrolyte | |
CN104488051B (zh) | 具有涂覆有石墨烯的碳纳米网的染料敏化太阳能电池及其制造方法 | |
CN107799314B (zh) | 二硫化钼/碳化钛/碳复合纳米纤维膜及其制备方法 | |
Ding et al. | TiO2 nanocrystalline layer as a bridge linking TiO2 sub-microspheres layer and substrates for high-efficiency dye-sensitized solar cells | |
TWI455334B (zh) | 用於染料敏化太陽能電池之光陽極的製造方法 | |
Seo et al. | Preparation and characterization of quasi-solid-state electrolytes using a brominated poly (2, 6-dimethyl-1, 4-phenylene oxide) electrospun nanofiber mat for dye-sensitized solar cells | |
KR101381705B1 (ko) | 전기 방사 및 분무 공정에 의해 제조된 하이브리드 나노 섬유 매트릭스를 고분자 전해질에 포함하는 염료감응형 태양전지 및 이의 제조방법 | |
Fathy et al. | nQuasi-solid-state Electrolyte for Dye Sensitized Solar Cells Based on Nanofiber PMA-PVDF and PMA-PVDF/PEG Membranes | |
Rezaei et al. | Enhanced efficiency of DSSC through AC-electrophoretic hybridization of TiO2 nanoparticle and nanotube | |
Sun et al. | Bilayer TiO 2 photoanode consisting of a nanowire–nanoparticle bottom layer and a spherical voids scattering layer for dye-sensitized solar cells | |
Chiang et al. | Titania aerogels as a superior mesoporous structure for photoanodes of dye-sensitized solar cells | |
Roh et al. | Preparation of TiO 2 nanowires/nanotubes using polycarbonate membranes and their uses in dye-sensitized solar cells | |
Zheng et al. | Fabrication of improved dye-sensitized solar cells with anatase/rutile TiO2 nanofibers | |
KR101448923B1 (ko) | 전기 방사에 의해 제조된 하이브리드 나노 섬유 매트릭스를 고분자 전해질에 포함하는 염료감응형 태양전지 및 이의 제조방법 | |
KR101406427B1 (ko) | 우수한 촉매활성도와 전기전도도를 갖는 염료 감응형 태양전지용 전도성 고분자-탄소 복합체 전극과 이를 이용한 염료 감응형 태양전지 및 이들의 제조방법 | |
Malekshahi Byranvand et al. | Influence of nanostructured TiO2 film thickness on photoelectrode structure and performance of flexible Dye-Sensitized Solar Cells | |
KR100846156B1 (ko) | 탄소입자를 이용한 작업전극의 제조방법 및 이를 이용한염료감응 태양전지 모듈 | |
KR101131055B1 (ko) | 투명기판 상에 메조포러스 탄소전극이 형성된 상대전극을 포함하는 염료감응형 태양전지 및 이의 제조방법 | |
KR101086631B1 (ko) | 산화티타늄 나노섬유가 첨가된 염료감응형 태양전지의 광전극 및 그 제조방법 | |
Lim et al. | One-dimensional SnO2 nanotube solid-state electrolyte for fast electron transport and high light harvesting in solar energy conversion | |
Lan et al. | TiCl 4 assisted formation of nano-TiO 2 secondary structure in photoactive electrodes for high efficiency dye-sensitized solar cells | |
Park et al. | Fabrication of hole-patterned TiO2 photoelectrodes for solid-state dye-sensitized solar cells |