专利名称：具金属线层的染料敏化太阳能电池及其电极的制作方法
技术领域：
本发明关于用于电化学装置的电极的金属线层，尤指用于染料敏化太阳能电池的电极的金属线层。
背景技术：
在能源耗竭与环境保护的双重难题下，太阳能是极具潜力的绿色能源。由于硅晶太阳能电池的成本昂贵，使得具有低成本发电组件的染料敏化太阳能电池 (dye-sensitized solar cell，DSSC)的技术开发逐渐受到重视。请参阅图1，染料敏化太阳能电池100的主要内部结构包含工作电极(阳极)110、 对电极(阴极)120、电解质130。该阳极110包含导电基板111和接收太阳光能量的感光层 112，而阴极120则包含导电基板121以及适当厚度的触媒层122。前述导电基板111、121 视其基材113、123材质而定，例如若前述基材113、123为非导电或导电性较差的材料，可分别于基材113、123上设有由导电材料所构成的导电层114和124 ；反之，若基材113、123 为金属材质，则无须设置该导电层114及124。感光层112含有表面吸附有光激发染料的光电极材料，而电解质130的主要成分为含碘及碘离子的有机溶液。由于染料敏化太阳能电池的结构简单，因此若使用塑料或适当厚度的钛板作为基材113、123，所制成的染料敏化太阳能电池便可具可挠特性，适合于多种用途。除此之外，基材113、123亦可为玻璃材质。简单来说，染料敏化太阳能电池的工作原理为(1)感光层中的光电极材料受光子激发成使其中的染料成为氧化态并产生电子/电洞；( 电子导入导电基板的导电材料中，并经额外的金属布线和外部电路传递出去；(3)通过电解质中的氧化还原对将氧化态的染料还原至基态；及(4)通过外部电路所获得的电子于阴极上还原氧化还原对。电子传导效率是影响电化学装置效能的关键，以目前的技术而言，选用塑料或玻璃等不具导电性的材质作为导电基板的基材，即便涂布导电层，整体导电基板的阻抗值最低仍仅到7ohm/Sq.。若欲制作大面积太阳能电池，这样的阻抗值并不足够。银是导电性能极为优异的金属，传统上为了降低阻抗值，会以镀膜技术在导电基板上布植银线，但银会与电解质液中的碘离子反应生成碘化银而沉积于电极上，造成光电转换效率的衰减。因此，必须在银线与电解质液接触的表面形成保护膜(如玻璃胶、热封膜或UV封膜)以避免银线与电解质液产生反应。然而形成该保护膜的过程过于耗时耗力，具有极高的失败率，且不适用于可挠性太阳能电池的制作，因为在挠曲的动作下，会破坏该保护膜的结构，而使得银线与电解质接触。更甚之，由于额外加附保护膜，使得整体保护膜/ 银线的面积相当程度地遮盖了导电基板的表面积，而影响了电极的透光度。综上所述，传统上为了降低导电基板的阻抗值所采用的方式，不仅过于费时，也限制了染料敏化太阳能电池的运用，并不理想
发明内容
由此，本发明的目的是提供一种供染料敏化太阳能电池使用的具有低阻抗值的电极，突破传统上以银作为金属布线(metal wiring)的缺点，达到提高电子传导率的目的。为达到上述目的，本发明提供一种染料敏化太阳能电池的电极，其包含导电基板；及金属线层，其是设置于前述基板(导电基板)之上，且该金属为镍、铝、钛或其组合。在本发明提供的上述电极中，优选地，前述电极进一步包含一感光层，其是覆盖于前述金属线层之上；其中该感光层是由表面吸附有光激发染料的光电极材料所构成。在本发明提供的上述电极中，优选地，前述电极进一步包含一触媒层，该触媒层是覆盖于前述金属线层之上。本发明又提供一种染料敏化太阳能电池，其包含工作电极，其包含一导电基板及一感光层；对电极，其包含一导电基板及一触媒层；电解质，其介于前述工作电极和前述对电极之间；金属线层，该金属为镍、铝、钛或其组合；及封装材料，其是用于包覆前述电解质。根据本发明的具体技术方案，优选地，前述导电基板的材质为金属。根据本发明的具体技术方案，优选地，前述导电基板为于表面涂布有导电材料的基材。更优选地，前述基材的材质为玻璃、塑料或金属。根据本发明的具体技术方案，优选地，前述导电材料为铟锡氧化物(ΙΤ0，Indium Tin Oxide)、掺氟氧化锡(FTO，Fluorine-Doped Oxide)、掺锑氧化锡(ATO，Antimony-Doped Tin Oxide)、掺铝氧化锌(ΑΖ0, Aluminum-Doped ZincOxide)、掺镓氧化锌(GZ0, Gallium-Doped Zinc Oxide)、掺铟氧化锌(ΙΖ0, Indium Zinc Oxide)或其组合。根据本发明的具体技术方案，优选地，前述金属线层设置于前述导电基板之上，且前述感光层覆盖于前述金属线层之上。根据本发明的具体技术方案，优选地，前述感光层是由表面吸附有光激发染料的光电极材料所构成；其中前述光电极材料为二氧化钛、氧化锌、二氧化锆或其组合。根据本发明的具体技术方案，优选地，前述金属线层设置于前述导电基板之上，且前述触媒层覆盖于前述金属线层之上。根据本发明的具体技术方案，优选地，前述触媒层的材料为金属触媒、非金属触媒或其组合。根据本发明的具体技术方案，优选地，前述金属触媒为钼。根据本发明的具体技术方案，优选地，前述非金属触媒为硫化钴、硫化镍、三硫化
二铁或其组合。根据本发明的具体技术方案，优选地，前述金属线层的形状为并行线状(平行线状)、网状、蜂巢状或其组合。综上所述，本发明克服传统上采用银作为金属布线的材质的技术偏见，改以镍、 铝、钛或其组合作为金属布线的材质以降低导电基板的阻抗值，没有与电解质产生反应的疑虑，因此无须加附保护膜，也不会限制染料敏化太阳能电池的可挠性特质。
图1为常规染料敏化太阳能电池各层体结构的示意图。图2A是示意本发明实施例一的工作电极的层体结构。
图2B是显示图2A的金属线层的布植形态。图3A是示意本发明的实施例二的对电极的层体结构。图;3B是显示图3A的金属线层的布植态样。图4是示意含有图2A的工作电极和图3A的对电极的染料敏化太阳能电池的层体结构。主要组件符号说明染料敏化太阳能电池100 ；工作电极110 ；导电基板111 ；感光层112 ；基材113 ；导电层114 ；对电极120 ；导电基板121 ；触媒层122 ；基材123 ；导电层124 ；电解质130 ；工作电极210 ；导电基板211 ；基材212 ；导电层213 ；第一镍线层214 ；铝线层215 ；第二镍线层 216 ；金属线层217 ；感光层218 ；对电极310 ；导电基板311 ；基材312 ；导电层313 ；金属线层314 ；触媒层315 ；染料敏化太阳能电池400 ；工作电极410 ；导电基板411 ；感光层412 ；对电极420 ；导电基板421 ；基材422 ；导电层423 ；金属线层424 ；触媒层425 ；电解质430。
具体实施例方式以下通过具体实施例详细说明本发明技术方案的实施和所具有的有益效果，但不能对本发明的可实施范围形成任何限定。本发明使用镍、铝、钛或其组合作为金属布线的材质，不仅符合降低导电基板阻抗值的目的，也没有与电解质产生反应的疑虑。本发明的导电基板的定义为，在电池操作环境中，具有优良导电能力的基板。前述导电基板的基材是指提供整体导电基板主要物理支撑力的材质包括，但不限于玻璃、 塑料、金属或其组合。若欲制作具有可挠特性的染料敏化太阳能电池，则可选用具有可挠性特质的塑料或适当厚度的钛板作为导电基板的基材，前述塑料包括，但不限于聚对苯二甲酸乙二酯(PET，polyethylene terephthalate)或聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN, polyethylenenaphthalate)。若采用玻璃或塑料作为前述导电基板的基材，则需于该基材预设用以形成感光层的一面，先涂布一由导电材料所构成的导电层，使该导电层夹附于基材与感光层之间，前述导电材料包括，但不限于铟锡氧化物(ITO，Indium Tin Oxide)、掺氟氧化锡(FTO，Fluorine-Doped Oxide)、掺锑氧化锡(ΑΤ0，Antimony-Doped Tin Oxide)、 掺铝氧化锌(ΑΖ0, Aluminum-Doped Zinc Oxide)、掺镓氧化锌(GZ0, Gallium-Doped ZincOxide)、掺铟氧化锌(ΙΖ0，Indium Zinc Oxide)或其组合；若采用金属作为前述导电基板的基材，则无需限制是否设置前述导电层。前述设置该导电层的方式包括，但不限于蒸镀、溅镀、涂布或化学气相沉积(CVD)。此外，若选用玻璃或塑料作为前述导电基板的基材，为了降低导电基板的阻抗值， 则需于导电基板上布植金属线层，若选用金属作为前述导电基板的基材则可视情况选择是否布植金属线层。本发明的金属线层，是以常规适用于金属布植的镀膜技术，将选用的金属布植于导电基板上。该镀膜技术包括，但不限于真空溅镀、蒸镀或化学电镀。该金属是指镍、铝、 钛或其组合。前述金属布植于导电基板上所形成的前述金属线层的形状并无限制，以不过度遮盖导电基板的表面积而保持良好的透光度为佳，包括，但不限于并行线状、网状、蜂巢状或其组合。
本发明的光电极材料为半导体纳米颗粒，其材料包括，但不限于二氧化钛 (Ti02)、氧化锌(ZnO)、二氧化锆(&02)或其组合。而本发明的感光层为表面吸附有光激发染料的前述光电极材料，该光激发染料是指能被光能激发为氧化态，而传递出电子 /电洞的染料，本发明是使用已知的光激发染料而无需加以限制，举例来说，溶于叔丁醇 (t-butanol)与乙腈(acetonitrile)的N3或N719染料溶液(乙腈叔丁醇的体积比为 1:1)。前述感光层的厚度约在微米尺度，更精确地，为5-30 μ m，而前述半导体纳米颗粒， 可使感光层的有效受光表面积增加为工作电极表面积的1000倍以上，因此得以提升整体染料敏化太阳能电池的效能。本发明的触媒层的材质是参考常规的染料敏化太阳能电池的触媒层，而无需加以限制，如，金属触媒或非金属触媒。该金属触媒包括，但不限于钼；该非金属触媒包括，但不限于硫化钴、硫化镍、三硫化二铁或其组合。前述触媒层的厚度并不加以限制，举例来说，为l-200nm，而于前述导电基板上设置前述触媒层以制备本发明的阴极(对电极)的方法是采用常规方法包括，但不限于真空镀膜。本发明的电解质为含碘及碘离子的有机溶剂，其为所属领域所公知，而无需加以限制，举例来说，使用1-丁基-3-甲基-碘化咪唑铵(l-Butyl-3-methyl-midazolium iodide, BMImI)提供碘离子，而使用的有机溶剂包括，但不限于乙腈(acetonitrile), 3-甲氧基丙腈(3-methoxypropionitrile)、Y-丁内酉旨(Y-butyro lactone)、二甲基甲酉先胺(N，N，-dimethylformamide)、二甲基乙酰胺(N，N，-dimethylacetamide)或二甲基亚砜 (dimethylsulfoxide)0本发明所述的封装材料可为热塑膜或UV胶，无需加以限制。以下实施例是用于进一步了解本发明的优点，并非用于限制本发明的权利要求保护范围。此外，以下图式仅用以示意本发明的各实施例的层体结构的连结关系，其显示的比例并非用于表示各层体厚度的关系。实施例一制备具本发明的金属线层的工作电极[制备]请参阅图2A，选用玻璃作为本实施例工作电极(阳极)210的导电基板211的基材212，将掺氟锡氧化物(FT0，Fluorine-Doped Oxide)以化学气相沉积(CVD)的方式于前述基材的表面形成一导电层213。以蒸镀的方式将镍金属布植于前述导电层213之上，以形成第一镍线层214，接着再以蒸镀的方式将铝金属布植于前述第一镍线层214之上，形成一铝线层215，最后再以蒸镀的方式将镍金属布植于前述铝线层215之上，以形成第二镍线层216。前述第一镍线层214、铝线层215和第二镍线层216共同构成本实施例的金属线层 217，其金属线布植的形状如图2B所示，为蜂巢状，以提供工作电极(阳极)210良好的透光度及导电性。请再参阅图2A，接着再将二氧化钛纳米颗粒(TiO2)涂布并覆盖于前述设有本发明的金属线层217的导电层213之上，以制得厚度约为15 μ m的Ti02/FT0电极。接着将前述Ti02/FT0电极裁切为10公分XlO公分(长X宽)的大小后，置于电热炉中以500°C烧结30分钟，以强化二氧化钛纳米颗粒之间的连接力。然后于室温下，将Ti02/FT0电极浸泡于0. 3mmol/L的光激发染料溶液(将0. 022克的N3染料溶于100毫升叔丁醇与乙腈混合液中，其中乙腈叔丁醇的体积比为1 1)中12小时，使光激发染料充分吸附于二氧化钛纳米颗粒的表面。最后，再以乙腈清洗以获得感光层218，而完成本实施例的工作电极(阳极)210。[比较]比较本实施例的工作电极与传统以保护膜/银线为金属线的工作电极的阻抗值及线宽差异，其结果如下表1:表1 金属线的线宽以及阻抗值的差异
本实施例的工作电极传统保护膜/银线的工作电极金属线的线宽(cm)<0.010.05阻抗值(ohm/sq.)<100x10"380x10"3由表1的数据可知，本实施例的工作电极的阻抗值与传统具保护膜/银线的工作电极的阻抗值相去不远，但就金属线的线宽而言，本实施例的金属线宽显著小于传统保护膜/银线的线宽。因此，本实施例的金属线层，不仅没有与电解质产生反应的风险，更具有较小的线宽，可减少金属线遮盖导电基板的程度。也因此，本发明的金属线层可具有更密实的金属线以提供更好的电子传导效率，而不至于影响导电基板的透光度。实施例二 制备具本发明的金属线层的对电极请参阅图3A，选用具可挠性的聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)作为本实施例工作电极 (阳极)310的导电基板311的基材312，将铟锡氧化物(ITOJndium Tin Oxide)以溅镀的方式于前述基材的表面形成一导电层313。然后以蒸镀的方式将钛金属布植于前述导电层 313之上以形成本实施例的金属线层314。前述金属线层314的形状如图所示，为并行线状，以维持对电极(阴极)310良好的透光度。接着以真空镀膜的方式于设有前述金属线层314的前述导电层313的表面覆盖一钼层，作为触媒层315(厚度为Inm)，便完成本实施例的对电极(阴极)310。实施例三制备本发明的电化学装置请参阅图4，以染料敏化太阳能电池400为本实施例电化学装置的例子，其各层体结构分述如下选用具可挠性的钛板(Ti)作为本实施例工作电极(阳极)410的导电基板411，接着再将二氧化钛纳米颗粒(TiO2)涂布于其上，以制得厚度约为15μπι的Ti02/Ti电极。接着将前述Ti02/Ti光电极裁切为面积8公分X8公分(长X宽)的大小后，置于电热炉中以500°C烧结30分钟，以强化二氧化钛纳米颗粒之间的连接力。然后于室温下，将Ti02/Ti 光电极浸泡于0. 3mmol/L的光激发染料溶液(将0. 036克的N719染料溶于100毫升叔丁醇与乙腈混合液中，其中乙腈叔丁醇的体积比为1 1)中12小时，使光激发染料充分吸附于二氧化钛纳米颗粒的表面。最后，再以乙腈清洗，以获得感光层412，而完成本实施例的工作电极(阳极)410。由于钛为导电性良好的物质，因此本实施例的工作电极410不需要设置金属线层。对电极(阴极)420 使用实施例二所述的对电极。简述之，其包含由基材422和导电层423所构成的导电基板421 ；由金属钛所构成的第二金属线层424 ；及触媒层425。电解质430为含碘及碘离子的有机溶液，更明确地，为溶于乙腈(acetonitrile) 的 0. 6mol/L 的 1-丁基-3-甲基-碘化咪唑铵(BMImI)、0. lmol/L 的碘化锂(LiI)、0. 05mol/L 的碘(I2)、0. 05mol/L 的 4-叔丁基吡啶(4-tert-butylpyridine，TBP)和 0. IM 的硫氰酸月瓜(guanidinium thiocyanate, GuSCN)。组装使用SX-1170-25热塑膜(Solaronix)作为封装材料(图中未示)，将该热塑膜置于前述工作电极410和前述对电极420之间，加热至约100°C并施予适当压力使前述工作电极410和前述对电极420分别与热塑膜粘合，接着将前述电解质430灌入并充满于前述热塑膜与前述工作电极410和前述对电极420所形成的内部空间，便完成含有本发明的染料敏化太阳能电池400。所属领域的技术人员当可了解，在不违背本发明精神下，依据本案实施方式所能进行的各种变化。因此，显见所列的实施方式并非用以限制本发明，而是企图在所附权利要求保护范围的定义下，涵盖于本发明的精神与范畴中所做的修改。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种染料敏化太阳能电池的电极，其包含 导电基板；及金属线层，设置于所述基板之上，且该金属为镍、铝、钛或其组合。
2.如权利要求1所述的电极，其中，所述导电基板的材质为金属。
3.如权利要求1所述的电极，其中，所述导电基板为于表面涂布有导电材料的基材。
4.如权利要求3所述的电极，其中，所述基材的材质为玻璃、塑料或金属。
5.如权利要求3所述的电极，其中，所述导电材料为铟锡氧化物、掺氟氧化锡、掺锑氧化锡、掺铝氧化锌、掺镓氧化锌、掺铟氧化锌或其组合。
6.如权利要求1所述的电极，其进一步包含一感光层，其覆盖于所述金属线层之上；其中该感光层是由表面吸附有光激发染料的光电极材料所构成。
7.如权利要求6所述的电极，其中，所述光电极材料为二氧化钛、氧化锌、二氧化锆或其组合。
8.如权利要求1所述的电极，其进一步包含一触媒层，该触媒层覆盖于所述金属线层之上。
9.如权利要求8所述的电极，其中，所述触媒层的材料为金属触媒、非金属触媒或其组I=I ο
10.如权利要求9所述的电极，其中，所述金属触媒为钼。
11.如权利要求9所述的电极，其中，所述非金属触媒为硫化钴、硫化镍、三硫化二铁或其组合。
12.如权利要求1所述的电极，其中，所述金属线层的形状为并行线状、网状、蜂巢状或其组合。
13.一种染料敏化太阳能电池，其包含 工作电极，其包含一导电基板及一感光层； 对电极，其包含一导电基板及一触媒层； 电解质，其介于所述工作电极和所述对电极之间； 金属线层，该金属为镍、铝、钛或其组合；及封装材料，其是用于包覆所述电解质。
14.如权利要求13所述的染料敏化太阳能电池，其中，所述金属线层设置于所述导电基板之上，且所述感光层覆盖于所述金属线层之上。
15.如权利要求13所述的染料敏化太阳能电池，其中，所述感光层是由表面吸附有光激发染料的光电极材料所构成，其中，所述光电极材料为二氧化钛、氧化锌、二氧化锆或其组合。
16.如权利要求13所述的染料敏化太阳能电池，其中，所述金属线层设置于所述导电基板之上，且所述触媒层覆盖于所述金属线层之上。
17.如权利要求16所述的染料敏化太阳能电池，其中，所述触媒层的材料为金属触媒、 非金属触媒或其组合。
18.如权利要求17所述的染料敏化太阳能电池，其中，所述金属触媒为钼。
19.如权利要求17所述的染料敏化太阳能电池，其中，所述非金属触媒为硫化钴、硫化镍、三硫化二铁或其组合。
全文摘要
本发明涉及一种具金属线层的染料敏化太阳能电池及其电极。本发明提供的染料敏化太阳能电池的电极，其包含导电基板和金属线层，该金属线层的材质为镍、铝、钛或其组合，不会与染料敏化太阳能电池的电解质产生反应，因此不需于金属线的表面附加保护层。本发明也关于包含该电极的染料敏化太阳能电池，其包含工作电极，其包含一导电基板及一感光层；对电极，其包含一导电基板及一触媒层；电解质，其介于所述工作电极和所述对电极之间；金属线层，该金属为镍、铝、钛或其组合；及，封装材料，其是用于包覆所述电解质。
文档编号H01G9/04GK102243921SQ201010180990
公开日2011年11月16日 申请日期2010年5月14日 优先权日2010年5月14日
发明者谢坤龙, 陈建清 申请人:福盈科技化学股份有限公司