CN102403130B - 阵列纳米管型太阳能电池薄膜的制作方法 - Google Patents
阵列纳米管型太阳能电池薄膜的制作方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN102403130B CN102403130B CN201010277037.0A CN201010277037A CN102403130B CN 102403130 B CN102403130 B CN 102403130B CN 201010277037 A CN201010277037 A CN 201010277037A CN 102403130 B CN102403130 B CN 102403130B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- solar cell
- titanium
- silicon substrate
- metal layer
- array
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 239000002071 nanotube Substances 0.000 title claims abstract description 138
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 19
- 239000010409 thin film Substances 0.000 title claims description 59
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 24
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 182
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 69
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 69
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 69
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims abstract description 65
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 62
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 61
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 61
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 40
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 40
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 26
- 239000004408 titanium dioxide Substances 0.000 claims abstract description 26
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims abstract description 19
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 claims abstract description 3
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims description 25
- 239000010408 film Substances 0.000 claims description 17
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N Fluorane Chemical compound F KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims description 7
- 238000005498 polishing Methods 0.000 claims description 6
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 3
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 claims description 3
- 238000007743 anodising Methods 0.000 claims 1
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 claims 1
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 claims 1
- 230000016507 interphase Effects 0.000 claims 1
- 239000011707 mineral Substances 0.000 claims 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 7
- 241000282414 Homo sapiens Species 0.000 abstract description 3
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 34
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 34
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 19
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 17
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 16
- 239000003086 colorant Substances 0.000 description 14
- 239000000463 material Substances 0.000 description 10
- SOQBVABWOPYFQZ-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);titanium(4+) Chemical group [O-2].[O-2].[Ti+4] SOQBVABWOPYFQZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000005518 electrochemistry Effects 0.000 description 6
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 6
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 239000012943 hotmelt Substances 0.000 description 3
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 3
- POAOYUHQDCAZBD-UHFFFAOYSA-N 2-butoxyethanol Chemical compound CCCCOCCO POAOYUHQDCAZBD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 2
- 230000001788 irregular Effects 0.000 description 2
- 230000002045 lasting effect Effects 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VLTRZXGMWDSKGL-UHFFFAOYSA-N perchloric acid Chemical compound OCl(=O)(=O)=O VLTRZXGMWDSKGL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005240 physical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 2
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 2
- 238000004451 qualitative analysis Methods 0.000 description 2
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 2
- 239000013049 sediment Substances 0.000 description 2
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 2
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 241000283973 Oryctolagus cuniculus Species 0.000 description 1
- 206010070834 Sensitisation Diseases 0.000 description 1
- 229910021417 amorphous silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000000739 chaotic effect Effects 0.000 description 1
- XTEGARKTQYYJKE-UHFFFAOYSA-N chloric acid Chemical compound OCl(=O)=O XTEGARKTQYYJKE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229940005991 chloric acid Drugs 0.000 description 1
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 1
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- QWPPOHNGKGFGJK-UHFFFAOYSA-N hypochlorous acid Chemical compound ClO QWPPOHNGKGFGJK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 239000006101 laboratory sample Substances 0.000 description 1
- 239000011943 nanocatalyst Substances 0.000 description 1
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 1
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 1
- 229920000620 organic polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 1
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920005591 polysilicon Polymers 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 230000036647 reaction Effects 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 230000008313 sensitization Effects 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- 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
- Y02E10/549—Organic PV 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
- Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)
- Hybrid Cells (AREA)
Abstract
一种阵列纳米管型太阳能电池薄膜的制作方法，先制备一同指向型硅基板，并在同指向型硅基板的表面溅镀出一镀钛金属层以形成一镀钛硅基板。接着，依序对镀钛硅基板一真空热处理作业与一退火热处理作业，使镀钛金属层转变成一介在相钛金属层。然后，对介在相钛金属层进行一阳极处理作业，以使介在相钛金属层转变成阵列纳米管型太阳能电池薄膜，使其表面具有多个以一密集阵列排列的二氧化钛(TiO2)纳米管。最后，施加一逆向电压，使阵列纳米管型太阳能电池薄膜自同指向型硅基板脱离。本发明可使阵列纳米管型太阳能电池薄膜表面的二氧化钛与光敏染料之间具有较大的接触面积，以提升太阳能电池的光电转换效率，进而更有效率地获得可供人类利用的电能。
Description
技术领域
本发明关于一种太阳能电池薄膜的制作方法，特别是指一种利用硅圆片制造的阵列纳米管型太阳能电池薄膜的制作方法。
背景技术
环顾目前大众所处的生活环境，由于工业的发展，使得全球的能源正急遽地被消耗。借助许多学者专家调查出来的调查报告，人类逐渐开始意识到自己目前正处于能源严重短缺关键年代，全球各国无不竞相发展无污染且可回收的再生能源。根据美国能源局的估算，自2003年起算，石油、天然气与煤等的非再生性能源将分别在41年、67年与192年内耗竭。在这样的情况下，太阳能、风力、地热、生物能等再生能源技术的开发势必会越来越受到重视。
在众多的再生能源技术当中，由于太阳能具有发电过程无污染且无需维持费用的特性，所以目前普遍受世界各国的青睐，因而趋使太阳能电池市场在近几年快速蓬勃发展。在此前提下，有关太阳能开发议题日渐受到重视，因而驱使许多国家纷纷开始着手推行新能源政策，并实施补助奖励办法，以求积极发展与推广太阳能电池。
依据专家的统计结果显示，太阳每年辐射至地球的能量约为5.4×1024焦耳，而全世界每年所需的能量约为1.1×1020焦耳；因此，只要人类可充分地利用从太阳辐射至地球的能量的五万分之一，则人类目前所面临的许多能源问题马上便可被迎刃而解。有鉴于此，实有必要积极发展太阳能电池以求纾解能源问题。
环顾现有的太阳能电池的制作技术中，由于湿式太阳能电池的加工简便且其转换效率可达10%，显见其极有可能会成为未来太阳能电池技术的主流。随着纳米技术的发展，人类对各种材料的物理结构与化学特性的掌握逐渐可以延伸到纳米的微观世界。近年来，由于部份专家积极将纳米技术的引进到太阳能电池的领域，更是让太阳能电池的制作技术与效能产生革命性的重大突破，使太阳能产品逐渐能够符合民生用品的使用需求。
回顾到2001年，太阳能发电量只占全球用电量的0.1%，太阳能产业以每年35～40%的速率持续成长。然而，到了2005年，全球光伏(Photovoltaic)总装机容量达2200百万伏特，年发电量约30亿仟瓦-小时。预估到2010年底，全球太阳光电市场的规模将超过500亿美元。
进一步讨论，目前的太阳能电池的种类大致可分为：(1)单/多晶硅太阳能电池(Mono/Polycrystalline Solar Cell)；(2)非晶硅/薄膜太阳能电池(Amorphous/Thin Film Solar Cell)；(3)无机半导体(Inorganic Solar Cell)；(4)有机高分子太阳能电池(Organic Solar Cell)；以及(5)染料敏化太阳能电池(Dye-Sensitized Solar Cell;DSSC)。其中，自从瑞士科学家Gratzel于1991年提出其DSSC结构组件以及工作原理以来，许多专家相继提出多种二氧化钛(TiO2)薄膜、颗粒、以及纳米管(NT，nanotubes)的太阳能制作技术。
以中国台湾专利第097132538（申请）号（专利名称为「大面积染料敏化太阳能电池及其热熔射喷涂制造方法」，以下简称「’538号专利案」）为例，其中揭露了一种大面积染料敏化太阳能电池，其包含：一基材，于其上具有二氧化钛（TiO2）纳米管，以作为电池的阳极；光敏染料，吸附于二氧化钛纳米管的表面；透明导电阴极，相对于阳极而设置，并且在透明导电阴极的表面附着铂(Pt)纳米触媒层；以及电解液，封装在阳极与透明导电阴极之间，其中二氧化钛纳米管经由热熔射喷涂法将钛（Ti）喷涂于基材的表面上，以产生钛喷涂层，然后对钛喷涂层进行阳极处理以及热处理而加以形成。
关于太阳能电池的阳极板的加工，包含以下步骤：以热熔射喷涂法将钛喷涂在基材的表面上，而产生钛喷涂层；然后对钛喷涂层进行阳极处理以及热处理以形成二氧化钛纳米管，借以作为太阳能电池的阳极板。然而，举凡本领域的技术人员皆可理解，光敏染料与阳极板的二氧化钛（包含二氧化钛纳米管与未形成二氧化钛纳米管的二氧化钛）的接触面积与光电转换效率息息相关。由于在公知’538号专利案所揭露的技术中，基材不具备排列指向性，而且在喷涂钛时容易混有杂质而使钛纯度降低等缘故；导致在所制作出的太阳能电池的阳极板上，二氧化钛纳米管分布的密度较为稀疏，且其长度也较短。
为了提高光电转换效率，本案发明人认为有必要开发出一种新的阵列纳米管型太阳能电池薄膜的制作技术，借以增加阵列纳米管型太阳能电池薄膜的二氧化钛纳米管的长度与分布密度，期能在利用该阵列纳米管型太阳能电池薄膜制作阳极板时，有效增加光敏染料与二氧化钛的接触面积。
发明内容
本发明所欲解决的技术问题与目的：
综观以上所述，在公知技术中，特别是在公知’538号专利案所揭露的技术中，由于基材不具备排列指向性，而且在喷涂钛时容易混有杂质而使钛纯度降低等缘故；导致在所制作出的太阳能电池的阳极板上，二氧化钛纳米管分布的密度较为稀疏，且其长度也较短，更会因此而产生光敏染料与二氧化钛的接触面积不足的问题。
因此，本发明的主要目的时提供一种阵列纳米管型太阳能电池薄膜的制作方法，其中是以一具有单一排列指向性的同指向型硅基板作为基材，并利用溅镀的方式使被覆于同指向型硅基板的表面的镀钛金属层具有较高的钛含量。藉此，可使所制作出的阵列纳米管型太阳能电池薄膜的表面具有多个以一密集阵列排列的二氧化钛纳米管，并使二氧化钛纳米管具有较长的长度。
本发明为解决公知技术的问题所采用的技术手段是提供一种阵列纳米管型太阳能电池薄膜的制作方法，该制作方法是先制备一同指向型硅基板，并在同指向型硅基板的表面溅镀出一镀钛金属层以形成一镀钛硅基板。接着，在一真空热处理环境中对镀钛硅基板进行一真空热处理作业，借以消除镀钛金属层与同指向型硅基板间的残留应力，并接续在一退火热处理环境中对镀钛硅基板进行一退火热处理作业，使镀钛金属层转变成一介在相钛金属层，其中，该介在相钛金属层主要是由二氧化钛锐矿型结晶结构所组成。然后，对介在相钛金属层进行一阳极处理作业，借以使介在相钛金属层转变成阵列纳米管型太阳能电池薄膜，使其表面具有多个以一密集阵列排列的二氧化钛（TiO2）纳米管。最后，施加一逆向电压，使阵列纳米管型太阳能电池薄膜自同指向型硅基板脱离。
较佳地，介在相钛金属层主要可由二氧化钛锐矿型（anatase相）结晶结构所组成；上述的同指向型硅基板可为一同指向型硅圆片；在同指向型硅基板的表面溅镀出一镀钛金属层的作业可利用一电浆气相沉积（Plasma VaporDeposition;PVD）设备来进行；真空热处理环境的压力可为0.01torr，真空热处理环境的温度可为920℃；且退火热处理环境的温度可为850℃，且退火热处理作业可维持1小时。
在对介在相钛金属层进行一阳极处理作业之前，可利用一电解抛光（Electrolytic Polishing）作业对镀钛金属层加以清洁并抛光。在进行上述的阳极处理作业时，是将介在相钛金属层浸入一电解液中，并施加一工作电压。较佳地，在进行上述的阳极处理作业时，可先利用一电化学直流极化曲线扫描（Electrochemistry DC Polarization Curve Scanning）作业，评估出上述工作电压的一最佳化工作电压值与上述电解液的一最佳化电解液酸碱值，依据最佳化工作电压值施加上述的工作电压，并依据最佳化电解液酸碱值调制电解液。
此外，在本发明较佳实施中，当镀钛硅基板的面积为2cm×2cm时，可将上述的最佳化工作电压值设定为10V至20V，并可依据最佳化电解液酸碱值，使电解液的调制配方中包含1.2vol.%（体积百分浓度）的氢氟酸（Hydrofluoric Acid；HF）以及10vol.%的硫酸（Sulfuric Acid;H2SO4）等原料。
本发明的有益功效在于，相较于利用公知技术所制作出的染料敏化太阳能电池阳极板，虽然其表面亦具有二氧化钛纳米管，但是由于基材不具备排列指向性，而且在喷涂钛时容易混有杂质而使钛纯度降低等缘故，导致在所制作出的太阳能电池的阳极板上，二氧化钛纳米管分布的密度较为稀疏，且其长度也较短。然而，经由实验证明或定性分析可知，在本发明中，由于是以具有单一排列指向性的同指向型硅基板作为基材，并利用溅镀的方式使被覆于同指向型硅基板的表面的镀钛金属层具有较高的钛含量等缘故；因此，所制作出的阵列纳米管型太阳能电池薄膜的表面具有多个以一密集阵列排列的二氧化钛纳米管，并使二氧化钛纳米管具有较长的长度。
借此，可使阵列纳米管型太阳能电池薄膜表面的二氧化钛（包含二氧化钛纳米管与未形成二氧化钛纳米管的二氧化钛）具有较大的表面积。在利用本发明所制作出的阵列纳米管型太阳能电池薄膜来制作太阳能电池阳极板时，可使阵列纳米管型太阳能电池薄膜表面的二氧化钛与光敏染料之间具有较大的接触面积，借以提升太阳能电池的光电转换效率，进而更有效率地获得可供人类利用的电能。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1显示一同指向型硅基板；
图2显示利用一溅镀作业，在同指向型硅基板镀上镀钛金属层以形成镀钛硅基板；
图3显示经过一退火热处理作业后，镀钛金属层转变成介在相钛金属层；
图4显示在对介在相钛金属层进行阳极处理作业后，使介在相钛金属层转变成阵列纳米管型太阳能电池薄膜；
图5A至图5G显示在不同的工作电压下，所形成的阵列纳米管型太阳能电池薄膜在电子显微镜下所显示的图像；
图6显示在施加一逆向电压后，阵列纳米管型太阳能电池薄膜自同指向型硅基板脱离；
图7显示图6的其中一个二氧化钛单位结构；以及
图8显示本发明较佳实施例所揭露的阵列纳米管型太阳能电池薄膜的简易制作方法流程图。
其中，附图标记
100 镀钛硅基板
1 同指向型硅基板
2 镀钛金属层
2a 介在相钛金属层
2b 阵列纳米管型太阳能电池薄膜
21b 二氧化钛基层膜
22b 二氧化钛纳米管
221b 底面
222b 顶面
223b 内壁面
224b 外壁面
Ri 管内径
Ro 管外径
L 管长
A0 单位平均占用表面积
A1 底面面积
A2 顶面面积
A3 内壁面面积
A4 外壁面面积
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细的描述，以更进一步了解本发明的目的、方案及功效，但并非作为本发明所附权利要求保护范围的限制。
由于本发明所提供的阵列纳米管型太阳能电池薄膜的制作方法，可广泛运用于制作各种太阳能电池的阳极板，特别是应用于制作染料敏化太阳能电池(Dye-Sensitized Solar Cell;DSSC)的阳极板，其组合实施方式更是不胜枚举，故在此不再一一赘述，仅列举其中一个较佳实施例来加以具体说明，并且引用相关的实验结果来验证前述的功效。
请参阅图1至图3，其中，图1显示一同指向型硅基板；图2显示利用一溅镀作业，在同指向型硅基板镀上镀钛金属层以形成镀钛硅基板；以及图3显示经过一退火热处理作业后，镀钛金属层转变成介在相钛金属层。如图1至图3所示，在制作本发明所述的阵列纳米管型太阳能电池薄膜时，必须先制备一同指向型（Isotropy）硅基板1，在本说明书中，所谓的同指向型是指其表面结晶是以相同的指向加以排列。此外，同指向型硅基板1可为一同指向型硅圆片（Silicon Wafer），亦可为由同指向型硅圆片所裁切而成的同指向型硅芯片。
接着，可利用一电浆气相沉积（Plasma Vapor Deposition;PVD）设备进行一溅镀作业，借以在同指向型硅基板1的表面溅镀出一镀钛金属层2，使同指向型硅基板1与镀钛金属层2形成一镀钛硅基板100。然后，可在一真空热处理环境中对镀钛硅基板100进行一真空热处理作业，借以消除镀钛金属层2与同指向型硅基板1间的残留应力，使镀钛金属层2与同指向型硅基板1得以紧密地结合。其中，真空热处理环境的压力可设定为0.01torr，真空热处理环境的温度可设定为920℃。
紧接着，可在一退火热处理环境中对镀钛硅基板100进行一退火热处理作业，使镀钛金属层2转变成一介在相钛金属层2a。在本较佳实施例中，退火热处理环境的温度可为850℃，且退火热处理作业可维持1小时。同时，介在相钛金属层2a主要可由二氧化钛锐矿型（anatase相）结晶结构所组成。
在完成退火热处理作业后，可利用一电解抛光（Electrolytic Polishing）作业对镀钛金属层加以清洁并抛光。在电解抛光作业时，是将介在相钛金属层2a连同上述的同指向型硅基板1一起放置于阳极端，并以一铂电极作为阴极端，于电解液中通电，在适当的操作参数下，使介在相钛金属层2a发生电解反应（亦称反电镀），借以使介在相钛金属层2a的表面因电场集中效应而产生溶解作用，借以使介在相钛金属层2a的表面平坦化与光泽化。
在进行上述的电解抛光作业时，电解液的调制配方包含：过氯酸（PerchloricAcid;HClO4）、乙二醇单丁醚（Ethylene Glycol Monobutyl-ether;HOCH2CH2OC4H9）与甲醇（Methanol;CH3OH），且电解液的温度为15℃。在本实施例中，进行上述的电解抛光作业时的一电解抛光工作电压建议为先施加52伏特维持1分钟，接着转变为28伏特维持13分钟。
接下来，必须对介在相钛金属2a进行一阳极处理作业；此时，必须将介在相钛金属层2a浸入一电解液中，并施加一工作电压。较佳地，在进行上述的阳极处理作业时，可先利用一电化学直流极化曲线扫描（Electrochemistry DCPolarization Curve Scanning）作业，评估出上述工作电压的一最佳化工作电压值与上述电解液的一最佳化电解液酸碱值（PH值），依据最佳化工作电压值施加上述的工作电压，并依据最佳化电解液酸碱值调制电解液。
在本发明较佳实施中，当镀钛硅基板100的面积为2cm×2cm时，可将上述的最佳化工作电压值设定为10伏特（V）至20V，其中以15V较佳，原因请参酌图5D。同时，可依据最佳化电解液酸碱值，使电解液的调制配方中包含1.2vol.%（体积百分浓度）的氢氟酸（Hydrofluoric Acid；HF）以及10vol.%的硫酸（Sulfuric Acid;H2SO4）等原料。
请参阅图4至图5G，其中图4显示在对介在相钛金属层进行阳极处理作业后，使介在相钛金属层转变成阵列纳米管型太阳能电池薄膜，图5A至图5G显示在不同的工作电压下，所形成的阵列纳米管型太阳能电池薄膜在电子显微镜下所显示的图像。如图4所示，在对介在相钛金属层2a完成阳极处理作业后，会使介在相钛金属层2a转变成一阵列纳米管型太阳能电池薄膜2b。在阵列纳米管型太阳能电池薄膜2b中，包含一个二氧化钛基层膜21b与多个以一密集阵列（Concentrated Array）排列的二氧化钛纳米管22b。
在本实施中，如图5A所示，当所施加的工作电压为10V时，从电子显微镜显示倍率达8万倍时所显示的图像来看，二氧化钛纳米管已经开始呈现大规模的成长。
如图5B所示，当所施加的工作电压提升至12V时，从电子显微镜显示倍率达8万倍时所显示的图像来看，二氧化钛纳米管的成长逐渐成形。
如图5C所示，当所施加的工作电压提升至13V时，从电子显微镜显示倍率达3万倍时所显示的图像来看，二氧化钛纳米管再度扩张。
如图5D所示，当所施加的工作电压提升至15V时，从电子显微镜显示倍率达3万倍时所显示的图像来看，二氧化钛纳米管是以一密集阵列相当密集而规则地排列。
如图5E所示，当所施加的工作电压提升至16V时，从电子显微镜显示倍率达8万倍时所显示的图像来看，二氧化钛纳米管仍维持以密集阵列相当密集而规则地排列，但是已有部分的二氧化钛纳米管已经开始有轻微的崩毁现象发生。
如图5F所示，当所施加的工作电压提升至18V时，从电子显微镜显示倍率达8万倍时所显示的图像来看，二氧化钛纳米管崩毁现象持续发生，部份的二氧化钛纳米管开始变形。
如图5G所示，当所施加的工作电压提升至20V时，从电子显微镜显示倍率达8万倍时所显示的图像来看，二氧化钛纳米管崩毁现象持续发生，部份的二氧化钛纳米管变形加剧，且二氧化钛纳米管的管口开始合并，且在二氧化钛纳米管的管口上开始出现大量的沉淀物。由图5A至图5G可知，在本发明较佳实施例中，当镀钛硅基板100的面积为2cm×2cm时，上述的最佳化工作电压值应以15V较佳。
请参阅图6，其显示在施加一逆向电压后，阵列纳米管型太阳能电池薄膜自同指向型硅基板脱离。如图6所示，在介在相钛金属层2a转变成阵列纳米管型太阳能电池薄膜2b后，可施加一逆向电压（与进行阳极处理作业时的工作电压方向相反的电压），使阵列纳米管型太阳能电池薄膜2b自同指向型硅基板1脱离。
请继续参阅图7，其显示图6的其中一个二氧化钛单位结构。如图6所示，一个二氧化钛单位结构包含一个二氧化钛纳米管22b（针对单一个二氧化钛纳米管22b，又可简称为管胞）与其底部的二氧化钛基层膜21b。其中，每一个二氧化钛纳米管22b平均占用二氧化钛基层膜21b的一单位平均占用区域（如图6所示的二氧化钛基层膜21b的区域），且单位平均占用区域具有一单位平均占用表面积A0。二氧化钛纳米管22b具有一管内径Ri、一管外径Ro与一管长L；同时，二氧化钛纳米管22b包含一底面221b、一顶面222b、一内壁面223b与一外壁面224b，且底面221b、顶面222b、内壁面223b与外壁面224b分别具有一底面面积A1、一顶面面积A2、一内壁面面积A3与一外壁面面积A4。由于二氧化钛纳米管22b是由二氧化钛基层膜21b长出，两者为一体成型的结构；因此，底面221b不外露，只有顶面222b、内壁面223b与外壁面224b可外露与光敏染料相接触。
由图7可知，若阳极板完全没有二氧化钛纳米管22b，对一个单位平均占用区域而言，只能提供单位平均占用表面积A0与光敏染料相接触，换言之，其接触面积只有单位平均占用表面积A0。然而，当阳极板具有上述的阵列纳米管型太阳能电池薄膜2b时，若每一个二氧化钛纳米管22b所占用的单位平均占用区域的单位平均占用表面积A0越小，表示以上述的密集阵列排列的二氧化钛纳米管22b分布得越密集。
此外，在阵列纳米管型太阳能电池薄膜2b制作成（染料敏化）太阳能电池的阳极板时，针对每一个二氧化钛单位结构而言，与光敏染料的有效接触面积应为单位平均占用表面积A0－底面面积A1＋顶面面积A2＋内壁面面积A3＋外壁面面积A4，换言之，其接触面积＝单位平均占用表面积A0－底面面积A1＋顶面面积A2＋内壁面面积A3＋外壁面面积A4。由于底面面积A1与顶面面积A2极为相近，故其接触面积＝单位平均占用表面积A0＋内壁面面积A3＋外壁面面积A4。换言之，相较于完全没有二氧化钛纳米管22b的阳极板，针对每一个二氧化钛单位结构而言，依据本发明所制作出的阵列纳米管型太阳能电池薄膜2b与光敏染料的有效接触面积可增加内壁面面积A3＋外壁面面积A4，即增加2×π×Ri×L+2×π×Ro×L。
由此可知，阵列纳米管型太阳能电池薄膜2b与光敏染料的有效接触面积是与单位平均占用表面积A0以及管长L息息相关。当单位平均占用表面积A0越小或管长L越长时，阵列纳米管型太阳能电池薄膜2b与光敏染料的有效接触面积越大。
经由成份元素纵深分布图可知，在本发明的实施例中，当工作电压为10V时，二氧化钛纳米管的管长约为2.52微米（μm）；当工作电压为15V时，二氧化钛纳米管的管长约为5.4μm；当工作电压为10V时，二氧化钛纳米管的管长约为6.12μm。然而，同时参阅图5G即可知，虽然在所施加的工作电压提升至20V时，二氧化钛纳米管的管长可以达到约6.12μm，但是由于二氧化钛纳米管崩毁现象持续发生，部份的二氧化钛纳米管变形加剧，且二氧化钛纳米管的管口开始合并，且在二氧化钛纳米管的管口上开始出现大量的沉淀物等不利因素，将会减少阵列纳米管型太阳能电池薄膜2b与光敏染料的有效接触面积。由以上因素进行综合判断，在本发明较佳实施例中，较佳的工作电压应为15V。
关于二氧化钛纳米管的排列密集性，由于无法直接取得公知’538号专利案的实验样品，故只能针对公知’538号专利说明书的图5A所揭露的实验结果，与本发明图5D所示的阵列纳米管型太阳能电池薄膜2b加以比对。由公知’538号专利说明书的图5A可知，在阳极板表面500nm×500nm的面积中，共形成约36个二氧化钛纳米管，故可得知在公知’538号专利案中，单位平均占用表面积约为7000平方纳米。然而由本发明图式兔5D可知，在阵列纳米管型太阳能电池薄膜2b表面500nm×500nm的面积中，共形成约43至45个二氧化钛纳米管，故可得知在本发明较佳实施例中，上述的单位平均占用表面积A0约为5600平方纳米至5800平方纳米。
从以上叙述可知，由于对每一个二氧化钛单位结构而言，本发明的单位平均占用表面积A0约只有5600平方纳米至5800平方纳米，大约只有公知’538号专利案所揭露者的80%，显见在利用本发明所制作的阵列纳米管型太阳能电池薄膜2b中，二氧化钛纳米管的排列密集性较公知’538号专利案者为佳。
此外，在许多学者专家的相关研究中，也已充分证明：若钛的指向性越规则（即越一致），当其经由阳极处理而形成二氧化钛纳米管时，所生成的二氧化钛纳米管会具有较长的管长。由于在公知’538号专利说明书中所揭露的钛喷涂层是以喷涂方式成形，其表面的晶界排列指向相当混乱而不规则，故所生成的二氧化钛纳米管的指向亦相当不规则，致使其二氧化钛纳米管的管长较短；然而，在本发明中，由于是利用同指向型硅基板1，并利用溅镀方式形成镀钛金属层2，因此，在依序经过上述的真空热处理作业、退火热处理作业与阳极处理作业后，所生成的阵列纳米管型太阳能电池薄膜2b中，二氧化钛纳米管22b的排列指向性也较为规则，由此可知，利用本发明所制作出的阵列纳米管型太阳能电池薄膜2b的二氧化钛纳米管22b具有较长的管长L。
由以上叙述可知，相较于公知’538号专利，由于在利用本发明所揭露的技术所制作出的阵列纳米管型太阳能电池薄膜2b中，对每一个二氧化钛单位结构而言，单位平均占用表面积A0越小，且二氧化钛纳米管22b的管长较长；显而易见地，利用本发明所制作出的阵列纳米管型太阳能电池薄膜2b与光敏染料的有效接触面积会较公知’538号专利为大。
最后，请继续参阅图8，其显示本发明较佳实施例所揭露的阵列纳米管型太阳能电池薄膜的简易制作方法流程图。如图8所示，在制作阵列纳米管型太阳能电池薄膜2b时，必须先制备同指向型硅基板1（步骤110）；并在同指向型硅基板1的表面溅镀出镀钛金属层2，借以使同指向型硅基板1与镀钛金属层2形成镀钛硅基板100（步骤120）。接着，必需将镀钛硅基板100放置于真空热处理环境中进行真空热处理作业，借以消除镀钛金属层2与同指向型硅基板1间的残留应力（步骤130），并将镀钛硅基板100放置于退火热处理环境中进行退火热处理作业，借以使镀钛金属层2转变成介在相钛金属层2a（步骤140）。
紧接着，可利用电解抛光作业清洁并抛光镀钛金属层2（步骤150），可利用电化学直流极化曲线扫描作业，评估出对介在相钛金属层2a进行阳极处理作业时所需施加的工作电压的最佳化工作电压值（步骤160），同时，更可利用电化学直流极化曲线扫描作业，评估出对介在相钛金属层2a进行阳极处理作业时所需浸入的电解液的最佳化电解液酸碱值（步骤170）。
然后，依据最佳化工作电压值施加工作电压，依据最佳化电解液酸碱值调配电解液，借以对介在相钛金属层2a进行阳极处理作业，使介在相钛金属层2a转变成阵列纳米管型太阳能电池薄膜2b，且阵列纳米管型太阳能电池薄膜2b的表面具有多个以密集阵列排列的二氧化钛纳米管22b（步骤180）。最后，施加逆向电压，使阵列纳米管型太阳能电池薄膜2b自同指向型硅基板1脱离（步骤190），以供制作染料敏化太阳能电池(Dye-Sensitized Solar Cell;DSSC)的阳极板之用。
举凡本领域的技术人员，不论是经由实验证明或定性分析，皆可以理解，在本发明中，由于是以具有单一排列指向性的同指向型硅基板1作为基材，并利用溅镀的方式使被覆于同指向型硅基板的表面饿镀钛金属层2具有较高的钛含量等缘故；因此，所制作出的阵列纳米管型太阳能电池薄膜2b的表面具有多个以密集阵列排列的二氧化钛纳米管22b，并使二氧化钛纳米管22b具有较长的长度。
藉此，可使阵列纳米管型太阳能电池薄膜22b表面的二氧化钛（包含二氧化钛基层膜21b与二氧化钛纳米管22b）具有较大的表面积。因此，在利用本发明所制作出的阵列纳米管型太阳能电池薄膜2b来制作太阳能电池的阳极板时，可使阵列纳米管型太阳能电池薄膜2b表面的二氧化钛与光敏染料之间具有较大的接触面积，借以提升太阳能电池的光电转换效率，进而更有效率地获得可供人类利用的电能。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (11)
1.一种阵列纳米管型太阳能电池薄膜的制作方法，其特征在于，包含以下步骤：
(a)制备一同指向型硅基板；
(b)在该同指向型硅基板的表面溅镀出一镀钛金属层以形成一镀钛硅基板；
(c)将该镀钛硅基板放置于一真空热处理环境中进行一真空热处理作业，借以消除该镀钛金属层与该同指向型硅基板间的残留应力；
(d)将该镀钛硅基板放置于一退火热处理环境中进行一退火热处理作业，借以使该镀钛金属层转变成一介在相钛金属层，其中，该介在相钛金属层主要是由二氧化钛锐矿型结晶结构所组成；
(e)对该介在相钛金属层进行一阳极处理作业，借以使该介在相钛金属层转变成该阵列纳米管型太阳能电池薄膜，且该阵列纳米管型太阳能电池薄膜的表面具有多个以一密集阵列排列的二氧化钛纳米管；以及
(f)施加一逆向电压，使该阵列纳米管型太阳能电池薄膜自该同指向型硅基板脱离。
2.如权利要求1所述的阵列纳米管型太阳能电池薄膜的制作方法，其特征在于，该同指向型硅基板为一同指向型硅圆片。
3.如权利要求1所述的阵列纳米管型太阳能电池薄膜的制作方法，其特征在于，该介在相钛金属层主要由二氧化钛锐矿型结晶结构所组成。
4.如权利要求1所述的阵列纳米管型太阳能电池薄膜的制作方法，其特征在于，该步骤(b)利用一电浆气相沉积设备所进行。
5.如权利要求1所述的阵列纳米管型太阳能电池薄膜的制作方法，其特征在于，在该步骤(c)中，该真空热处理环境的压力为0.01torr，且该真空热处理环境的温度为920℃。
6.如权利要求5所述的阵列纳米管型太阳能电池薄膜的制作方法，其特征在于，在该步骤(d)中，该退火热处理环境的温度为850℃，且该退火热处理作业维持1小时。
7.如权利要求1所述的阵列纳米管型太阳能电池薄膜的制作方法，其特征在于，在该步骤(e)前更包含一步骤(e0)，其是清洁并抛光该镀钛金属层。
8.如权利要求7所述的阵列纳米管型太阳能电池薄膜的制作方法，其特征在于，该步骤(e0)是利用一电解抛光作业所完成。
9.如权利要求1所述的阵列纳米管型太阳能电池薄膜的制作方法，其特征在于，在该步骤(e)中，是将该介在相钛金属层浸入一电解液中，并施加一工作电压，借以进行该阳极处理作业。
10.如权利要求9所述的阵列纳米管型太阳能电池薄膜的制作方法，其特征在于，在该步骤(e)中更包含一步骤(e1)，其是利用一电化学直流极化曲线扫描作业，评估出该工作电压的一最佳化工作电压值与该电解液的一最佳化电解液酸碱值。
11.如权利要求10所述的阵列纳米管型太阳能电池薄膜的制作方法，其特征在于，在该步骤(e1)中，当该镀钛硅基板的面积为2cm×2cm时，该最佳化工作电压值为10V至20V，且该电解液的调制配方中包含1.2vol.%的氢氟酸以及10vol.%的硫酸。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201010277037.0A CN102403130B (zh) | 2010-09-07 | 2010-09-07 | 阵列纳米管型太阳能电池薄膜的制作方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201010277037.0A CN102403130B (zh) | 2010-09-07 | 2010-09-07 | 阵列纳米管型太阳能电池薄膜的制作方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN102403130A CN102403130A (zh) | 2012-04-04 |
| CN102403130B true CN102403130B (zh) | 2014-04-02 |
Family
ID=45885233
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201010277037.0A Expired - Fee Related CN102403130B (zh) | 2010-09-07 | 2010-09-07 | 阵列纳米管型太阳能电池薄膜的制作方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN102403130B (zh) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1740406A (zh) * | 2004-08-28 | 2006-03-01 | 清华大学 | 硅纳米线结构及其生长方法 |
| CN101447341A (zh) * | 2008-12-30 | 2009-06-03 | 南京航空航天大学 | 以不锈钢为基底的柔性染料敏化太阳能电池及其制备方法 |
| TW201010108A (en) * | 2008-08-26 | 2010-03-01 | Dc Solar Corp | Large area dye-sensitized solar cell and the thermal spraying fabrication methods thereof |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4669352B2 (ja) * | 2005-09-05 | 2011-04-13 | 国立大学法人京都大学 | チタニアナノロッドの製造方法、及びこのチタニアナノロッドを用いた色素増感太陽電池 |
| KR101043584B1 (ko) * | 2008-08-20 | 2011-06-22 | 한국과학기술원 | 질소 원자가 선택적으로 도핑된 ＴｉＯ2-ｘＮｘ 나노튜브 및 그의 제조방법 |
-
2010
- 2010-09-07 CN CN201010277037.0A patent/CN102403130B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1740406A (zh) * | 2004-08-28 | 2006-03-01 | 清华大学 | 硅纳米线结构及其生长方法 |
| TW201010108A (en) * | 2008-08-26 | 2010-03-01 | Dc Solar Corp | Large area dye-sensitized solar cell and the thermal spraying fabrication methods thereof |
| CN101447341A (zh) * | 2008-12-30 | 2009-06-03 | 南京航空航天大学 | 以不锈钢为基底的柔性染料敏化太阳能电池及其制备方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| JP特开2007-70136A 2007.03.22 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN102403130A (zh) | 2012-04-04 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Mishra et al. | Study of modular PEC solar cells for photoelectrochemical splitting of water employing nanostructured TiO2 photoelectrodes | |
| CN102176472B (zh) | 一种体效应太阳能电池材料及其制备方法 | |
| Liu et al. | Hierarchically structured photoanode with enhanced charge collection and light harvesting abilities for fiber-shaped dye-sensitized solar cells | |
| Xi et al. | Controllable hydrothermal synthesis of rutile TiO2 hollow nanorod arrays on TiCl4 pretreated Ti foil for DSSC application | |
| CN103904147A (zh) | 基于纳米氧化物电子传输层的钙钛矿电池 | |
| Jiang et al. | Low-temperature hydrothermal synthesis of flower-like ZnO microstructure and nanorod array on nanoporous TiO2 film | |
| CN106169537A (zh) | 一种太阳能电池的制备方法 | |
| Memar et al. | Influence of surfactants on Fe2O3 nanostructure photoanode | |
| CN107967998A (zh) | 石墨烯泡沫镍电极的制备方法 | |
| Albertin et al. | Optimized Ti polishing techniques for enhanced order in TiO2 NT arrays | |
| CN101154695A (zh) | 利用绒面临时衬底制备柔性转移衬底太阳电池的方法 | |
| CN105449016A (zh) | 一种石墨烯硅太阳能电池及制备方法 | |
| Moon et al. | Titanium oxide films prepared by sputtering, sol gel and dip coating methods for photovoltaic application | |
| CN102184780B (zh) | 一种柔性杂化染料敏化太阳电池的制备方法 | |
| CN102403130B (zh) | 阵列纳米管型太阳能电池薄膜的制作方法 | |
| Lee et al. | Thin silicon via crack-assisted layer exfoliation for photoelectrochemical water splitting | |
| CN105803500B (zh) | 一种花瓣状氧化亚铜及其制备方法和应用 | |
| TWI435460B (zh) | 陣列奈米管型太陽能電池薄膜之製作方法 | |
| Abidin et al. | Growth time dependence on ZnO nanorods photoanode for solar cell applications | |
| Wang et al. | CdS/ZnS co-sensitized hierarchical TiO2 nanotree array with rutile/anatase junctions for enhanced photoelectrochemical performance | |
| CN106356458B (zh) | 一种倒序结构的钙钛矿太阳能电池及其制备方法 | |
| CN109920649A (zh) | 一维超长TiO2纳米棒阵列及其制备方法和在染料敏化太阳能电池中的应用 | |
| Jwo et al. | Solar energy and clean energy: trends and developments | |
| CN102486968A (zh) | 染料敏化太阳能电池的ZnO柱状薄膜阳极及制备方法 | |
| CN109326658A (zh) | 一种亲水性电极及其在制备太阳能光伏电池上的应用 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20140402 Termination date: 20160907 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |