量子点染料敏化太阳电池

摘要

本发明公开一种量子点染料敏化太阳电池，包括阳极、阴极以及介于阳极与阴极之间的电解液，其中阳极包括吸附有染料的半导体电极层、分布于半导体电极层中的量子点以及分布于半导体电极层中的纳米金属粒子。由于量子点、染料及半导体电极层的吸收光谱涵盖红外光、可见光及紫外光光谱范围，所以可更有效率的吸收自红外至紫外的太阳光光谱，提升太阳电池的转换效益。至于纳米金属粒子则可增加光线的有效利用率。

权利要求

1.一种量子点染料敏化太阳电池，包括阳极、阴极以及介于该阳极与该阴极之间的电解液，其中该阳极包括：半导体电极层，其吸附有染料，其中该染料占该半导体电极层的体积百分比为1%~20%之间；

多数个量子点，分布于该半导体电极层中，其中该些量子点在该半导体电极层中的体积百分比为1%~20%之间；以及多数个纳米金属粒子，分布于该半导体电极层中，其中该些纳米金属粒子在该半导体电极层中的体积百分比为大于0至10%之间。

2.如权利要求1所述的量子点染料敏化太阳电池，其中该半导体电极层的材料包括二氧化钛或氧化锌。

3.如权利要求1所述的量子点染料敏化太阳电池，其中该半导体电极层的材料为氮掺杂二氧化钛。

4.如权利要求1所述的量子点染料敏化太阳电池，其中该半导体电极层的材料为表面含有纳米金属粒子的氮掺杂二氧化钛。

5.如权利要求1所述的量子点染料敏化太阳电池，其中该些纳米金属粒子的材料包括银、金或铜。

6.如权利要求1所述的量子点染料敏化太阳电池，其中该些纳米金属粒子的粒径小于

50纳米。

7.如权利要求1所述的量子点染料敏化太阳电池，其中该染料的成分包括含钌化合物、花青素或叶绿素。

8.如权利要求1所述的量子点染料敏化太阳电池，其中该些量子点的能隙小于该染料的能隙。

9.如权利要求1所述的量子点染料敏化太阳电池，其中该些量子点的材料包括锑化镓、硫化铅、锑化铟、磷化铟、氮化铟、砷化铟、砷化镓、硫化镉、碲化镉、硒化铜铟、硒化铜镓或硒化铜铟镓。

10.如权利要求1所述的量子点染料敏化太阳电池，其中该些量子点的粒径小于50纳米。

11.如权利要求1所述的量子点染料敏化太阳电池，其中该半导体电极层是由多数个纳米颗粒构成。

12.如权利要求11所述的量子点染料敏化太阳电池，其中该些纳米金属粒子包括形成于该些纳米颗粒表面。

说明书

量子点染料敏化太阳电池

技术领域

[0001] 本发明涉及一种染料敏化太阳电池(dye-sensitized solar cell，DSSC)，且特别是涉及一种量子点染料敏化太阳电池(QDDSSC)。

背景技术

[0002] 太阳电池是一种干净能源，可直接从阳光产生电(electricity)。近年，染料敏化太阳电池因为成本较其他种类的太阳电池低得多，因而成为最有潜力的太阳电池之一。

[0003] 而太阳幅射的能量主要分布在可见光区和红外区，前者占太阳幅射总量的50％，后者占43％。紫外区只占能量的7％。不过，传统染料敏化太阳电池的吸收光谱范围仅含可见光及紫外光，占太阳辐射总量近50％的红光及红外区则未能加以利用。因此，传统的染料敏化太阳电池与量子点敏化太阳电池的模块效率均未能达到10％。虽然染料敏化太阳电池的实验室转换效率达12％，其模块转换效率颇有打破10％的可能，但所用的染料相当昂贵，对染料敏化太阳电池的普及是一个障碍。

[0004] 目前有专利提出添加胶体纳米金属颗粒于染料敏化太阳电池，以便利用纳米颗粒的表面电浆增强染料对光的吸收，来提升电池的转换效益(请见美国专利公开号US2009/0032097 A1)。

[0005] 然而，上述染料敏化太阳电池的吸收光谱范围仍然仅含可见光及紫外光，所以对于电池的转换效益的提升有限。

发明内容

[0006] 本发明提供一种量子点染料敏化太阳电池，以增加对红外光谱的吸收并增强染料对光的吸收。

[0007] 本发明提供一种量子点染料敏化太阳电池，包括阳极、阴极以及介于阳极与阴极之间的电解液，其中阳极包括吸附有染料的半导体电极层、分布于半导体电极层中的量子点以及分布于半导体电极层中的纳米金属粒子。

[0008] 在本发明的一实施例中，上述染料占半导体电极层的体积百分比为1％～20％之间。

[0009] 在本发明的一实施例中，上述量子点在半导体电极层中的体积百分比为1％～20％之间。

[0010] 在本发明的一实施例中，上述纳米金属粒子在半导体电极层中的体积百分比为大于0至10％之间。

[0011] 在本发明的一实施例中，上述半导体电极层的材料包括但不限二氧化钛(TiO2)、氮掺杂TiO2或氧化锌(ZnO)。

[0012] 在本发明的一实施例中，上述半导体电极层的材料包括表面含有纳米金属粒子的氮掺杂TiO2。

[0013] 在本发明的一实施例中，上述纳米金属粒子的材料包括但不限银、金或铜。

[0014] 在本发明的一实施例中，上述纳米金属粒子的粒径小于50纳米。

[0015] 在本发明的一实施例中，上述染料的成分包括含钌(ruthenium)化合物、花青素(anthocyanidins)或叶绿素(chlorophyll)。

[0016] 在本发明的一实施例中，上述量子点的能隙小于该染料的能隙。

[0017] 在本发明的一实施例中，上述量子点的材料包括但不限锑化镓(GaSb)、硫化铅(PbS)、锑化铟(InSb)、磷化铟(InP)、氮化铟(InN)、砷化铟(InAs)、砷化镓(GaAs)、硫化镉(CdS)、碲化镉(CdTe)、硒化铜铟(CIS)、硒化铜镓(CGS)或硒化铜铟镓(CIGS)等。

[0018] 在本发明的一实施例中，上述量子点的粒径小于50纳米。

[0019] 在本发明的一实施例中，上述半导体电极层是由数个纳米颗粒构成。

[0020] 在本发明的一实施例中，上述纳米金属粒子包括形成于上述纳米颗粒表面。

[0021] 基于上述，本发明因为结合染料、纳米金属粒子及量子点在量子点染料敏化太阳电池(QDDSSC)的半导体电极层中，由于量子点、染料及半导体电极层的吸收光谱涵盖红外光、可见光及紫外光光谱范围，所以可更有效率的吸收自红外至紫外的太阳光光谱，提升太阳电池的转换效益；而纳米金属粒子的粒子电浆效应能增强染料的光吸收效果，所以可增加光线的有效利用率。

[0022] 为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图作详细说明如下。

附图说明

[0023] 图1为根据本发明的第一实施例的一种量子点染料敏化太阳电池(QDDSSC)的示意图；

[0024] 图2是第一实施例的量子点染料敏化太阳电池的光谱吸收示意图；

[0025] 图3A至图3B为根据本发明的第二实施例的一种量子点染料敏化太阳电池的阳极的制作流程示意图；

[0026] 图4是根据本发明的第三实施例的一种量子点染料敏化太阳电池的制作流程步骤图；

[0027] 图5为实验例1～3与比较例的染料敏化太阳能电池的光电流密度与电压(I-V)图。

[0028] 主要元件符号说明

[0029] 100：量子点染料敏化太阳电池

[0030] 102、310：阳极

[0031] 104：阴极

[0032] 106：电解液

[0033] 108、304：透明导电基板

[0034] 110：光

[0035] 112：透明基板

[0036] 114：导电层

[0037] 300：纳米金属粒子

[0038] 302：氮掺杂TiO2

[0039] 306：染料

[0040] 308：量子点

[0041] 400～430：步骤

具体实施方式

[0042] 图1为根据本发明的第一实施例的一种量子点染料敏化太阳电池(QDDSSC)的示意图。

[0043] 请参照图1，本实施例的量子点染料敏化太阳电池100包括阳极102、阴极104以及介于阳极102与阴极104之间的电解液106。所述阳极102包括吸附有染料的半导体电极层、分布于半导体电极层中的量子点以及分布于半导体电极层中的纳米金属粒子。此外，通常量子点染料敏化太阳电池100的阳极102是形成在透明导电基板108上，而光110则是从阳极102端的透明基板112入射。上述透明导电基板108一般包括透明基板112与一层导电层114，其中导电层114例如ITO、FTO、AZO或石墨烯(Graphene)等。在本实施例中，染料占半导体电极层的体积百分比为1％～20％之间。在本实施例中，量子点在半导体电极层中的体积百分比为1％～20％之间，且半导体电极层譬如是由数个纳米颗粒构成。在本实施例中，纳米金属粒子在半导体电极层中的体积百分比为大于0至10％之间。以上比例可依照染料、量子点与纳米金属粒子的材料或粒径做变更。

[0044] 在图1中，半导体电极层的材料包括TiO2、氮掺杂(N doped)TiO2、ZnO等；较适合的是氮掺杂TiO2。因为氮掺杂TiO2的光吸收范围是450纳米波长以下的太阳光，相较吸收380纳米波长以下太阳光的TiO2或ZnO，能多吸收太阳光中50％以上的紫外光光谱。上述半导体电极层的材料也可以是表面含有纳米金属粒子的氮掺杂TiO2。

[0045] 图2是第一实施例的量子点染料敏化太阳电池的光谱吸收示意图。从图2可知本实施例的量子点染料敏化太阳电池的整个结构几乎可涵盖所有太阳光红外至紫外光谱范围。

[0046] 请继续参照图1，本实施例中的量子点具有量子局限效应(quantumconfinement effect)、冲击离子化效应(impact ionization effect)及迷你传送带效应(miniband effect)，因此可提升光电流及光电压，进而提升DSSC太阳电池的能量转换效益。在本实施例中，所述量子点的能隙优选是小于染料的能隙，而量子点的材料例如锑化镓(GaSb)、硫化铅(PbS)、锑化铟(InSb)、磷化铟(InP)、氮化铟(InN)、砷化铟(InAs)、砷化镓(GaAs)、硫化镉(CdS)、碲化镉(CdTe)、硒化铜铟(CIS)、硒化铜镓(CGS)或硒化铜铟镓(CIGS)等，粒径则可小于50纳米，如在5纳米～40纳米之间。而且，在半导体电极层中加入量子点，除可增加对红外线光谱的吸收外，也可降低染料的使用量，对降低DSSC太阳电池的成本有所帮助。至于在半导体电极层中的纳米金属粒子因为会产生表面电浆子共振效应，所以在接近纳米金属粒子的表面会引发极强的近场增强型(Near-field Enhancement)电磁场，此现象可催化光所引起的物理及化学反应。在本实施例中，所述纳米金属粒子的材料例如银、金或铜；优选为银，且纳米金属粒子的粒径例如小于50纳米。而半导体电极层中的染料分子在纳米金属粒子的表面电浆子共振效应的作用下，能提高染料的吸收系数(absorption coefficient)，进而提升DSSC太阳电池的能量转换效益。至于染料的成分例如含钌(ruthenium)化合物，如：N3染料(dye)、N719染料(顺-二(氰硫基)-N，N′-二(2，2”-联吡啶-4，4′-二羧酸盐)Ru(II)(cis-di(thiocyanato)-bis(2，2’-bipyridyl-4-carboxylate-4’-carboxylic acid)-ruthenium(II)))、黑染料(Blackdye)、K77及K19等；染料的成分也可以是花青素(anthocyanidins)或叶绿素(chlorophyll)。

[0047] 图3A至图3B为根据本发明的第二实施例的一种量子点染料敏化太阳电池的阳极的制作流程示意图。

[0048] 请参照图3A，先制备表面有纳米金属粒子300的氮掺杂TiO2302的纳米颗粒，其制备方法可参照现有技术，如2004年Cozzo等人发表于美国化学会志(Journal of American Chemical Society)126第 3868～3879 页 的“Photocatalytic Synthesis of Silver Nanoparticles Stabilized by TiO2 Nanorods：ASemiconductor/Metal Nanocomposite in Homogeneous Nonpolar Solution”；及如2007年Chen等人发表于纳米粒子研究杂志(Journal of NanoparticleResearch)9第365～375页的“Preparation of N-doped TiO2 photocatalyst byatmospheric pressure plasma process for VOCs decomposition under UV andvisible light sources”等。之后，将表面有纳米金属粒子300的氮掺杂TiO2302涂布于透明导电基板304上。

[0049] 然后，请参照图3B，将纳米金属粒子300、染料306与量子点308混合，再将混合后的产物涂布于表面有纳米金属粒子300的氮掺杂TiO2302上构成量子点染料敏化太阳电池的阳极310。

[0050] 以上第二实施例仅为制作本发明的量子点染料敏化太阳电池的阳极的其中一种例子，但本发明并不限于此。

[0051] 图4是根据本发明的第三实施例的一种量子点染料敏化太阳电池的制作流程步骤图。

[0052] 请参照图4，本实施例基本上包含多种制作量子点染料敏化太阳电池的阳极的流程。首先，可选择进行步骤400或者步骤402，以便制作出半导体电极层。在步骤400中，可利用如第二实施例中所记载的2004年Cozzo及2007年Chen等人发表的制作工艺，在透明导电基板上形成表面有纳米金属粒子的氮掺杂TiO2。此外在步骤402中则只在透明导电基板上形成氮掺杂TiO2，其制作工艺例如电浆化学气相沉积(PECVD)制作工艺、离子束辅助蒸镀(ion-beam-assisted deposition，IBAD)制作工艺或常压电浆纳米颗粒合成(atmospheric pressure plasma-enhanced nanoparticles synthesis，APPENS)制作工艺。举例来说，如2007年Chen等人发表于纳米粒子研究杂志(Journal ofNanoparticle Research)9第365～375页的“Preparation of N-doped TiO2photocatalyst by atmospheric pressure plasma process for VOCs decompositionunder UV and visible light sources”。除此之外，在透明导电基板上形成的也可以是TiO2或ZnO之类的材料。

[0053] 然后，为了制备含纳米金属粒子、量子点与染料的混合物，可选择以下五种流程。首先是步骤404～406，先混合纳米金属粒子与染料，再将量子点加入。或者进行步骤408～
410，先混合纳米金属粒子与量子点，再将染料加入。另外也可直接进行步骤412，混合纳米金属粒子、量子点与染料。此外可进行步骤414～416，先混合染料与量子点，再将纳米金属粒子加入。最后一种是步骤418～422，依序添加纳米金属粒子、量子点与染料。举例来说，图3A至图3B就如同步骤400至步骤412的流程示意图。至于上述纳米金属粒子、量子点与染料的选择可参考第一实施例。

[0054] 接着，进行步骤424，将以上步骤制备的含纳米金属粒子、量子点与染料的混合物涂布在氮掺杂TiO2上。随后，进行步骤426，组合透明导电基板与阴极板，再进行步骤428，倒入电解液。最后进行封装(步骤430)。

[0055] 以下列举几个实验来验证本发明的效果。

[0056] 实验例1：制作TiO2/量子点/纳米金属粒子/N719染料的量子点染料敏化太阳电池，步骤如下：

[0057] 步骤1.制备工作电极：配制二氧化钛浆料，以刮刀涂布方式制备二氧化钛电极层(厚度13微米)至透明导电基板(FTO/glass)后，送入高温炉于450℃进行烧结30分钟。

[0058] 步骤2.将于步骤1的工作电极浸泡于40mM TiCl4中以70℃浸泡30分钟后送入高温炉于500℃进行烧结60分钟。

[0059] 步骤3.配制纳米金材料，将纳米金以涂布方式制备于步骤2的电极层上。

[0060] 步骤4.配制量子点(CIGS)材料，以涂布方式将量子点材料制备于步骤3的二氧化钛电极层上。

[0061] 步骤5.将步骤4中所制备好的工作电极，放进入高温炉中以450℃进行烧结10分钟。

[0062] 步骤6.制备对电极：以蒸镀方式制备白金对电极至透明导电基板(FTO/glass)。

[0063] 步骤7.将步骤5中的工作电极浸泡于3×10-4M的N719染料溶液中，于室温下浸泡24小时后，以乙醇清洗后静置风干。

[0064] 步骤8.将步骤6中的对电极与步骤7已吸附染料且配置有量子点CIGS/纳米金- -的工作电极以热可塑性的塑胶进行对组粘合，并将含有I/I3 作为氧化/还原电子对且溶于乙腈(acetonitrile)的电解液注入两电极间并封装后，进行测试。

[0065] 对照例：制作TiO2/N719染料的染料敏化太阳电池

[0066] 重复上述实验例1的步骤，但不含加入量子点与纳米金属粒子的步骤。

[0067] 实验例2：制作TiO2/量子点/N719染料的量子点染料敏化太阳电池[0068] 重复上述实验例1的步骤，但不含加入纳米金属粒子的步骤。

[0069] 实验例3：制作TiO2/纳米金属粒子/N719染料的染料敏化太阳电池[0070] 重复上述实验例1的步骤，但不含加入量子点的步骤。

[0071] 测量

[0072] 图5为实验例1～3与比较例的染料敏化太阳电池的光电流密度与电压(I-V)图。下表一则是记载实验例1～3与比较例所量测的数据并计算出太阳能电池的电池效率。

[0073] 由图5与表一可知，实验例1的量子点染料敏化太阳电池效率明显高于比较例与实验例2～3的电池效率。

[0074] 表一

[0075]对照例 实验例2 实验例3 实验例1
Voc(V) 0.49 0.53 0.53 0.55
Jsc(mA/cm2) 7.14 8.52 8.71 9.13
FF 0.59 0.60 0.61 0.64
光电转换效率(％) 2.05 2.72 2.83 3.23

[0076] 综上所述，本发明因为将半导体电极层、纳米金属粒子、染料及量子点同时加入染料敏化太阳电池里，除增强对太阳光吸收外，也可让吸收光谱范围涵盖从红外光至紫外光，较传统染料敏化太阳电池多50％的红光及红外光谱的吸收。而且，本发明采用量子点与染料混合一同敏化太阳电池，还能降低染料的使用量，由此降低成本。

[0077] 虽然已结合以上实施例揭露了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中熟悉此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围应以所附的权利要求所界定的为准。