TWI397563B - 染料敏化太陽能電池之對電極之製法 - Google Patents
染料敏化太陽能電池之對電極之製法 Download PDFInfo
- Publication number
- TWI397563B TWI397563B TW99130466A TW99130466A TWI397563B TW I397563 B TWI397563 B TW I397563B TW 99130466 A TW99130466 A TW 99130466A TW 99130466 A TW99130466 A TW 99130466A TW I397563 B TWI397563 B TW I397563B
- Authority
- TW
- Taiwan
- Prior art keywords
- dye
- counter electrode
- sensitized solar
- solar cell
- preparing
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 29
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 58
- 229920000768 polyamine Polymers 0.000 claims description 29
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 28
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 claims description 26
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 25
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 claims description 25
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 25
- LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N Ethylene glycol Chemical compound OCCO LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 17
- 150000003057 platinum Chemical class 0.000 claims description 15
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 claims description 14
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 claims description 13
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 13
- WYURNTSHIVDZCO-UHFFFAOYSA-N Tetrahydrofuran Chemical compound C1CCOC1 WYURNTSHIVDZCO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- -1 poly(oxyethylene) Polymers 0.000 claims description 12
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims description 11
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 10
- 239000003638 chemical reducing agent Substances 0.000 claims description 9
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 9
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- SECXISVLQFMRJM-UHFFFAOYSA-N N-Methylpyrrolidone Chemical compound CN1CCCC1=O SECXISVLQFMRJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 239000000725 suspension Substances 0.000 claims description 8
- 239000004952 Polyamide Substances 0.000 claims description 7
- 229920002647 polyamide Polymers 0.000 claims description 7
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N Toluene Chemical compound CC1=CC=CC=C1 YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- YLQBMQCUIZJEEH-UHFFFAOYSA-N tetrahydrofuran Natural products C=1C=COC=1 YLQBMQCUIZJEEH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N tin dioxide Chemical compound O=[Sn]=O XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000004721 Polyphenylene oxide Substances 0.000 claims description 5
- 239000002253 acid Substances 0.000 claims description 5
- 150000003949 imides Chemical class 0.000 claims description 5
- 239000000075 oxide glass Substances 0.000 claims description 5
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 5
- 229920000570 polyether Polymers 0.000 claims description 5
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- GIAFURWZWWWBQT-UHFFFAOYSA-N 2-(2-aminoethoxy)ethanol Chemical compound NCCOCCO GIAFURWZWWWBQT-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N Glycerine Chemical compound OCC(O)CO PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 claims description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 4
- 239000002048 multi walled nanotube Substances 0.000 claims description 4
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 claims description 4
- LLHKCFNBLRBOGN-UHFFFAOYSA-N propylene glycol methyl ether acetate Chemical compound COCC(C)OC(C)=O LLHKCFNBLRBOGN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000012279 sodium borohydride Substances 0.000 claims description 4
- 229910000033 sodium borohydride Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 claims description 4
- 229910001887 tin oxide Inorganic materials 0.000 claims description 4
- KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N Ruthenium Chemical compound [Ru] KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000012634 fragment Substances 0.000 claims description 3
- 238000007756 gravure coating Methods 0.000 claims description 3
- 239000013029 homogenous suspension Substances 0.000 claims description 3
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 3
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- HZAXFHJVJLSVMW-UHFFFAOYSA-N 2-Aminoethan-1-ol Chemical compound NCCO HZAXFHJVJLSVMW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-O Ammonium Chemical compound [NH4+] QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-O 0.000 claims description 2
- ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N Potassium Chemical compound [K] ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 150000001408 amides Chemical class 0.000 claims description 2
- ZBCBWPMODOFKDW-UHFFFAOYSA-N diethanolamine Chemical compound OCCNCCO ZBCBWPMODOFKDW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 238000003618 dip coating Methods 0.000 claims description 2
- 235000011187 glycerol Nutrition 0.000 claims description 2
- AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N indium;oxotin Chemical compound [In].[Sn]=O AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 238000007641 inkjet printing Methods 0.000 claims description 2
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000011591 potassium Substances 0.000 claims description 2
- 238000005507 spraying Methods 0.000 claims description 2
- LLLVZDVNHNWSDS-UHFFFAOYSA-N 4-methylidene-3,5-dioxabicyclo[5.2.2]undeca-1(9),7,10-triene-2,6-dione Chemical compound C1(C2=CC=C(C(=O)OC(=C)O1)C=C2)=O LLLVZDVNHNWSDS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 claims 1
- JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N bismuth atom Chemical compound [Bi] JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 229920000962 poly(amidoamine) Polymers 0.000 claims 1
- 229920002098 polyfluorene Polymers 0.000 claims 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 19
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 11
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 10
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 8
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- LDCRTTXIJACKKU-ONEGZZNKSA-N dimethyl fumarate Chemical compound COC(=O)\C=C\C(=O)OC LDCRTTXIJACKKU-ONEGZZNKSA-N 0.000 description 4
- 229960004419 dimethyl fumarate Drugs 0.000 description 4
- 239000002270 dispersing agent Substances 0.000 description 4
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 4
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 3
- 229920000139 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 description 3
- 239000005020 polyethylene terephthalate Substances 0.000 description 3
- ISHFYECQSXFODS-UHFFFAOYSA-M 1,2-dimethyl-3-propylimidazol-1-ium;iodide Chemical compound [I-].CCCN1C=C[N+](C)=C1C ISHFYECQSXFODS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- YSHMQTRICHYLGF-UHFFFAOYSA-N 4-tert-butylpyridine Chemical compound CC(C)(C)C1=CC=NC=C1 YSHMQTRICHYLGF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- QQGYZOYWNCKGEK-UHFFFAOYSA-N 5-[(1,3-dioxo-2-benzofuran-5-yl)oxy]-2-benzofuran-1,3-dione Chemical compound C1=C2C(=O)OC(=O)C2=CC(OC=2C=C3C(=O)OC(C3=CC=2)=O)=C1 QQGYZOYWNCKGEK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- IAYPIBMASNFSPL-UHFFFAOYSA-N Ethylene oxide Chemical compound C1CO1 IAYPIBMASNFSPL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910021607 Silver chloride Inorganic materials 0.000 description 2
- GTDPSWPPOUPBNX-UHFFFAOYSA-N ac1mqpva Chemical compound CC12C(=O)OC(=O)C1(C)C1(C)C2(C)C(=O)OC1=O GTDPSWPPOUPBNX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000002484 cyclic voltammetry Methods 0.000 description 2
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 2
- 230000009881 electrostatic interaction Effects 0.000 description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 2
- 239000002071 nanotube Substances 0.000 description 2
- 125000001997 phenyl group Chemical group [H]C1=C([H])C([H])=C(*)C([H])=C1[H] 0.000 description 2
- HKZLPVFGJNLROG-UHFFFAOYSA-M silver monochloride Chemical compound [Cl-].[Ag+] HKZLPVFGJNLROG-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 2
- 239000003381 stabilizer Substances 0.000 description 2
- JJWJFWRFHDYQCN-UHFFFAOYSA-J 2-(4-carboxypyridin-2-yl)pyridine-4-carboxylate;ruthenium(2+);tetrabutylazanium;dithiocyanate Chemical group [Ru+2].[S-]C#N.[S-]C#N.CCCC[N+](CCCC)(CCCC)CCCC.CCCC[N+](CCCC)(CCCC)CCCC.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 JJWJFWRFHDYQCN-UHFFFAOYSA-J 0.000 description 1
- ZCYVEMRRCGMTRW-UHFFFAOYSA-N 7553-56-2 Chemical compound [I] ZCYVEMRRCGMTRW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000143437 Aciculosporium take Species 0.000 description 1
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004593 Epoxy Substances 0.000 description 1
- 238000004566 IR spectroscopy Methods 0.000 description 1
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000001412 amines Chemical class 0.000 description 1
- 150000008064 anhydrides Chemical group 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical group [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000007385 chemical modification Methods 0.000 description 1
- 238000004132 cross linking Methods 0.000 description 1
- 229910001873 dinitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- USIUVYZYUHIAEV-UHFFFAOYSA-N diphenyl ether Natural products C=1C=CC=CC=1OC1=CC=CC=C1 USIUVYZYUHIAEV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000003912 environmental pollution Methods 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 238000002329 infrared spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 229910052740 iodine Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011630 iodine Substances 0.000 description 1
- HSZCZNFXUDYRKD-UHFFFAOYSA-M lithium iodide Chemical compound [Li+].[I-] HSZCZNFXUDYRKD-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 229910021392 nanocarbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 238000004375 physisorption Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Landscapes
- Catalysts (AREA)
- Hybrid Cells (AREA)
Description
本發明係有關於一種電極之製法，且特別是有關於一種染料敏化太陽能電池之對電極之製法。
近年來由於受到全球氣候變遷、環境污染問題以及資源日趨短缺的影響，在環保意識高漲與能源危機的警訊下刺激了太陽光電產業的蓬勃發展。於各種太陽能電池中，由於染料敏化太陽能電池(Dye-Sensitized Solar Cell,DSSC)具備大面積、製程簡便、成本低廉等優點，因此成為新一代太陽能電池技術發展之主流。
關於染料敏化太陽能電池(DSSC)在對電極(counter electrode)方面的研究，由於鉑(Pt)具有優異的催化效果，因此習知將鉑形成於電極的表面作為一催化層，然而，鉑的價格昂貴，因此使染料敏化太陽能電池成本無法降低。此外，儘管降低鉑的使用量可以減少成本，但是電極的催化能力亦會隨之降低。
之後，有研究將鉑奈米粒子(platinum nanoparticles,PtNPs)修飾於奈米碳管(nanotube)中，希望藉由奈米碳管提高整體電極的表面積，以減少鉑之使用量。然而，奈米碳管分子之間具有強大的凡得瓦力(van der Waals attraction)，需要經過化學改質法(chemical modification method)或物理吸附法(physisorption)以使奈米碳管均勻分散，而這些處理方法的製程繁瑣且費時，不適合量產。
因此，業界亟需發展一種染料敏化太陽能電池(DSSC)之對電極之製法，此製法不但可使奈米碳管均勻分散，以減少鉑的使用量，且同時具有優異的催化效果。
本發明提供一種染料敏化太陽能電池之對電極(counter electrode)之製法，包括以下步驟：(a)提供一聚胺高分子(polyamine)，其中該聚胺高分子包括聚亞醯胺(polyimide)或聚醯胺(polyamide)；(b)混合該聚胺高分子、一奈米碳管(carbon nanotube,CNT)、一鉑鹽(platinum salt)於一溶劑中，以製備一均質懸浮液(homogenous suspension)；(c)加入一還原劑於該均質懸浮液中，以製備一混合溶液，其中該混合溶液包括複數個鉑奈米粒子；(d)以塗佈法(coating method)將該混合溶液塗佈於一基材上；以及(e)對該基材進行一熱處理，以於該基材上形成一導電薄膜。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
本發明提供一種染料敏化太陽能電池之對電極(counter electrode)之製法，包括以下步驟(a)~(e)，主要藉由聚胺高子作為奈米碳管之分散劑與作為鉑奈米粒子之穩定劑，使鉑奈米粒子均勻分散於奈米碳管中，有效提高電極的表面積，以減少鉑的使用量，降低製程的成本。
首先進行步驟(a)，提供一聚胺高分子(polyamine)，其中聚胺高分子包括聚亞醯胺(polyimide)或聚醯胺(polyamide)，此聚亞醯胺包括一含聚醚片段之聚亞醯胺(poly(oxyethylene)-segmented imide,POE-imide)，具有下列式(I)：
其中n=1~16；且POE具有下列式(II)：
其中a+c=6,b=39。
而聚醯胺(polyamide)包括一含聚醚片段之聚醯胺(poly(oxyethylene)-segmented amide,POE-imide)，具有下列式(III)：
其中n=1~2；且POE同上述式(II)。
上述之聚亞醯胺(polyimide)或聚醯胺(polyamide)可由聚醚胺(poly(oxyalkylene)-amine)與交聯化合物(linker compounds)反應而得，其中聚醚胺包括聚醚單胺(poly(oxyalkylene)-monoamine)、聚醚二胺(poly(oxyalkylene)-diamine)或聚醚三胺(poly(oxyalkylene)-triamine)，詳列於表1中。交聯分子包括四酸二酐(dianhydride)(請參見表2)與環氧樹脂(epoxy)(請參見表3)。
之後，進行步驟(b)，混合聚胺高分子、奈米碳管(carbon nanotube)、鉑鹽(platinum salt)於溶劑中，以製備(homogenous suspension)，其中奈米碳管為單壁(single-wall)或多壁(multi-wall)奈米碳管，而鉑鹽(platinum salt)包括六氯鉑酸(H2
PtCl6
)、氯鉑酸鉀(K2
PtCl6
)、氯鉑酸銨((NH4
)2
PtCl6
)、六氯合鉑酸銣(Rb2
PtCl6
)或六氯合鉑酸銫(Cs2
PtCl6
)。此處所謂之”均質懸浮液”，意指溶質為不完全溶解，但是於溶劑中呈現「懸浮分散」，其中「溶解」為分子級大小的分散，「懸浮分散」為μm以下，分子級大小以上的粒子的分散，而本發明之分散為懸浮分散。
聚胺高分子、奈米碳管(carbon nanotube)與鉑鹽之混合重量比為約(1：1：1)~(99：1：99)，較佳為約(1：1：99)~(99：1：99)，更佳為約99：1：1)~(99：1：99)。於一較佳實施例中，聚胺高分子、奈米碳管(nanotube)與鉑鹽之混合重量比為約28:1:28。
於步驟(b)中所使用之溶劑包括水、乙醇(ethanol,C2
H5
OH)、丙酮(acetone,(CH3
)2
CO)、丙二醇單甲基醚酯(propylene glycol monomethyl ether acetate,PGMEA)、甲苯(toluene)、N-甲基吡咯酮(N-methyl pyrrolidinone,NMP)、四氫呋喃(tetrahydrofuran,THF)、乙二醇(ethylene glycol,EG)、甘油(glycerin)或上述之組合。然而，溶劑不限於上述提及之溶劑，只要能將上述物質混合成均質懸浮液之溶劑，且可溶解鉑鹽與聚胺高分子之溶劑皆在本發明所保護之範圍內。於一較佳實施例中，可使用水作為溶劑，以符合環保的需求。
之後，進行步驟(c)，加入還原劑於均質懸浮液中，以製備混合溶液，其中還原劑包括硼氫化鈉(sodium borohydride,NaBH4
)、甲醇(CH3
OH)、乙二醇(C2
H4
(OH)2
)、單乙醇胺(monoethanolamine,MEA,C2
H4
OHNH2
)、二乙醇胺(diethanolamine,DEA,(C2
H4
OH)2
NH))或二甘醇胺(diglycolamine,DGA,C4
H11
NO2
)。還原劑之作用在於將鉑鹽還原成鉑奈米粒子，以使混合溶液中包括複數個鉑奈米粒子，其中鉑奈米粒子之粒徑大小為約8 nm~30 nm，較佳為約18 nm~30 nm，更佳為約8 nm~18 nm。
此處需注意的是，本發明聚胺高分子之苯環與奈米碳管上的苯環之間會形成π-π作用力(π-πinteraction)，且於聚胺高分子上帶有負電的醯亞胺根(imide)與氧，會與奈米碳管之間形成正負靜電作用力(electrostatic interaction)，因此，本發明藉由聚胺高分子作為分散劑，將奈米碳管包覆於其中，使奈米碳管均勻分散，以形成均質懸浮液。
此外，鉑鹽中的負電荷會與聚胺高分子中的正電荷相吸引，使鉑鹽均勻地分散於高分子中，因此於步驟(c)加入還原劑之後，鉑鹽被還原後形成均勻分散的鉑奈米粒子。於一實施例中，當鉑鹽為六氯鉑酸(H2
PtCl6
)，其中Pt4+
之正電荷會與聚胺高分子中的氧化乙烯根(-CH2
CH2
O,ethylene oxide)產生正負靜電作用力(electrostatic interaction)。綜上所述，本發明之聚胺高子具有雙重功能，其不但可作為奈米碳管之分散劑，以可作為鉑奈米粒子之穩定劑。
接著，進行步驟(d)，以塗佈法(coating method)將混合溶液塗佈於基材上。基材為透明導電基材，包括摻雜氟之二氧化錫玻璃(fluorine-doped tin oxide glass,FTO)、氧化銦錫(indium tin oxide glass)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(poly(ethylene terephthalate),PET)或聚亞醯胺(PI)。塗佈法包括旋轉塗佈法(spin coating)、棒狀塗佈(bar coating)、浸漬塗佈(dip coating)、滾筒塗佈(roll coating)、噴霧塗佈(spray coating)、凹版式塗佈(gravure coating)、噴墨印刷(ink jet printing)或刮刀塗佈(blade coating)。塗佈法之轉速為約500 rpm~4000 rpm，較佳為約1000 rpm~3000 rpm，更佳為約1500 rpm~2000 rpm。塗佈之時間為約5秒~30秒。
此處需注意的是，本發明之基材為導電透明基材，且相對於一般使用濺鍍法形成鉑對電極，本發明鉑奈米粒子之使用量較少，不會完全擋住光線，其具有良好之穿透度，因此本發明之對電極可組裝成前照式染料敏化太陽能電池(front-side illuminated DSSC)，亦可組裝成背照式染料敏化太陽能電池(back-side illuminated DSSC)。
於一較佳實施例中，使用旋轉塗佈法(spin coating)將混合溶液塗佈於摻雜氟之二氧化錫玻璃(FTO)上，於轉速為2000 rpm的條件下塗佈15秒。
之後進行步驟(e)，對基材進行熱處理，以於基材上形成導電薄膜。熱處理之目的之一在於裂解聚胺高分子，以暴露出鉑奈米粒子與奈米碳管，另一目的在於幫助未還原之鉑鹽還原成鉑奈米粒子。熱處理之溫度為約170℃~350℃，熱處理之時間為約10分鐘~50分鐘。最後得到之導電薄膜之膜厚為約400~500 nm，較佳為約400~450 nm。
之後，上述步驟製得之對電極可與一般習知之電解質、染料與陽極組裝成一染料敏化太陽能電池，此太陽能電池之開路電壓(open-circuit voltage，Voc
)為約0.65~0.75 V，短路電流(short-circuit current，Jsc
)為約16~20 mA/cm2
，填充因子(fill factor,F. F.)為約0.55~0.65；光電轉換效率(power conversion efficiency，η)為約7~9%。此外，相較於習知濺鍍法(sputter)製備鉑對電極，本發明之染料敏化太陽能電池具有較佳之短路電流(Jsc
)與光電轉換效率(η)。
縱上所述，本發明染料敏化太陽能電池對電極之製法中，藉由聚胺高分子之輔助，使奈米碳管與鉑奈米粒子能均勻分散於溶液中，進而有效提高對電極之表面積，使對電極具有較佳的催化活性，有助於提升染料敏化太陽能電池之光電轉化效率。
比較例1
使用濺鍍法(sputter)將鉑粒子形成於摻雜氟之二氧化錫玻璃(FTO)，以得到對電極。
取0.036 g多壁奈米碳管溶於7.107 g二甲基甲醯胺(dimethyl fumarate,DMF)中置於圓底燒瓶內並以超音波震盪以得到A溶液。加6.143 g水到A溶液中，之後再加入1.0 g六氯鉑酸(H2
PtCl6
)到A溶液中，待完全溶解之後，利用硼氫化鈉(sodium borohydride,NaBH4
)作為還原劑，最後得到PtNPs/CNT混合溶液。
於比較例2中，由於未使用本發明之聚胺高分子，所以如附件與附件二所示(其中附件二為附件一中圓圈101之放大圖)，會觀察到奈米碳管和白金聚集的現象，由此可知，添加本發明之聚胺高分子確實可作為奈米碳管的分散劑。
請參見流程1
，此流程為形成聚亞醯胺之反應流程圖。合成步驟如下：以莫耳數比6：5比例合成POE-2000-2/dianhydride。取100 ml之三頸瓶，將10 g(0.005 mol)的POE-2000-2溶於10 ml四氫呋喃(tetrahydrofuran,THF)，再加入1.3 g(0.0042 mol)的4,4’-二苯醚四羧酸二酐(4,4'-Oxydiphthalic dianhydride,ODPA)，以機械攪拌，全程充氮氣，溫度控制於150℃，持續反應3小時。反應過程中以紅外線光譜儀(IR spectra)監控，每隔一段時間取樣，直至酸酐(anhydride)官能基訊號消失且具亞醯胺(imide)官能基不再增加為止，會後得到淡黃色黏稠固體之產物。
請參見流程2
，此流程為形成聚醯胺(polyamide)之反應流程圖。實施例2與實施例1之反應步驟相似，差別僅在於實施例2反應之溫度為約30℃，最後同樣得到淡黃色黏稠固體之產物。
分別製備A溶液與B溶液。取0.036 g多壁奈米碳管溶於7.107 g二甲基甲醯胺(dimethyl fumarate,DMF)中置於圓底燒瓶內並以超音波震盪以得到A溶液。取1.0 g實施例1
之高分子溶於5.143 g水中得到一B溶液，待A、B溶液分散均勻後隨即混合成C溶液，再加入1.0 g六氯鉑酸(H2
PtCl6
)，待完全溶解之後，利用硼氫化鈉(sodium borohydride,NaBH4
)作為還原劑，最後得到一混合溶液(POE-imide＠Pt＠CNT)。
利用旋轉塗佈法，將此混合溶液以2000 rpm轉速塗佈於摻雜氟之二氧化錫玻璃(FTO)上，經過350℃ 20分鐘的熱處理，最後得到對電極。
請參見第2圖，此圖顯示實施例3與比較例1
之循環伏安圖(cyclic voltammetry)(以銀/氯化銀(Ag/AgCl)作為參考電極)，由圖中可以明顯地觀察到實施例3
之還原電流(Ipc
)高於比較例1
之還原電流，顯示本發明之對電極之催化效果較好。
表4顯示實施例3與比較例1
之導電度(conductivity,σ)、串聯電阻(series resistance,Rs
)、電荷轉移電阻(charge transfer resistance,Rct
)與方均根粗糙度(root-mean-square roughness,Rms
)之數據，其中串聯電阻(Rs
)或電荷轉移電阻(Rct
)越小，代表阻力較小，有利於電荷轉移；而方均根粗糙度(Rms
)越大，代表電極表面積越大。由表4中可得知，本發明實施例3
之電荷轉移電阻(Rct
)小於比較例1與比較例2，且方均根粗糙度(Rms
)大於比較例1，由此可知，本發明之對電極因為具有較大的表面積，因此有助於提高催化效果。
將實施例3
之對電極、含有二氧化鈦(TO2
)之陽極(photoanode)、染料與電解質組合成染料敏化太陽能電池，其中電解質為0.6 M 1,2-二甲基-3-丙基咪唑碘(1,2-dimethyl-3-propylimidazolium iodide,DMPII),0.1 M碘化鋰(LiI),0.05 M碘(I2
)與0.5 M 4-叔丁基吡碇(4-tert-butylpyridine,TBP)溶於(MPN)中，其中染料為N719染料(RuL2
(NCS)2
：2TBA)。
第2圖顯示實施例4
、比較例1
與比較例2
之光電流-電位圖(I-V)，由圖中可得知，於相同電位下，實施例4
之光電流明顯高於比較例1
與比較例2
。
表5中顯示實施例4
、比較例1
與比較例2
組成之染料敏化太陽能電池(DSSC)之開路電壓(open-circuit voltage，Voc
)、短路電流(short-circuit current，Jsc
)、填充因子(fill factor)與光電轉換效率(power conversion efficiency，η)之數據。由表5中可得知，本發明實施例4
之短路電流與光電轉換效率皆高於比較例1
與比較例2
，因此，本發明之製法不但可以減少鉑之使用量，且藉由奈米碳管提高電極之表面積，以有效增進短路電流與光電轉化效率。
雖然本發明已以數個較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作任意之更動與潤飾，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。
第1圖為一循環伏安圖，用以說明本發明一較佳實施例與比較例對電極之催化效果。
第2圖為一光電流-電位圖(I-V)，用以說明本發明一較佳實施例與比較例之太陽能電池之光電性能表現。
Claims (15)
- 一種染料敏化太陽能電池之對電極(counter electrode)之製法，包括以下步驟：(a)提供一聚胺高分子(polyamine)，其中該聚胺高分子包括聚亞醯胺(polyimide)或聚醯胺(polyamide)；(b)混合該聚胺高分子、一奈米碳管(carbon nanotube)、一鉑鹽(platinum salt)於一溶劑中，以製備一均質懸浮液(homogenous suspension)；(c)加入一還原劑於該均質懸浮液中，以製備一混合溶液，其中該混合溶液包括複數個鉑奈米粒子；(d)以塗佈法(coating method)將該混合溶液塗佈於一基材上；以及(e)對該基材進行一熱處理，以於該基材上形成一導電薄膜。
- 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池之對電極之製法，其中該聚亞醯胺包括一含聚醚片段之聚亞醯胺(poly(oxyethylene)-segmented imide,POE-imide)，具有下列式(I)：
- 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池之對電極之製法，其中該聚醯胺(polyamide)包括一含聚醚片段之聚醯胺(poly(oxyethylene)-segmented amide,POE-imide)，具有下列式(III)：
- 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池之對電極之製法，其中該聚胺高分子的分子量為約2,000~200,000 g/mol。
- 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池之對電極之製法，其中該奈米碳管為單壁(single-wall)或多壁(multi-wall)奈米碳管。
- 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池之對電極之製法，其中該鉑鹽(platinum salt)包括六氯鉑酸(H2 PtCl6 )、氯鉑酸鉀(K2 PtCl6 )、氯鉑酸銨((NH4 )2 PtCl6 )、六氯合鉑酸銣(Rb2 PtCl6 )或六氯合鉑酸銫(Cs2 PtCl6 )。
- 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池之對電極之製法，其中該還原劑包括硼氫化鈉(sodium borohydride,NaBH4 )、甲醇(CH3 OH)、乙二醇(C2 H4 (OH)2 )、單乙醇胺(monoethanolamine,MEA,C2 H4 OHNH2 )、二乙醇胺(diethanolamine,DEA,(C2 H4 OH)2 NH))或二甘醇胺(diglycolamine,DGA,C4 H11 NO2 )。
- 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池之對電極之製法，其中於步驟(b)中，該聚胺高分子、該奈米碳管(nanotube)與該鉑鹽之混合重量比為約1：1：1~99：1：99。
- 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池之對電極之製法，其中於步驟(b)中，該溶劑包括水、乙醇(ethanol,C2 H5 OH)、丙酮(acetone,(CH3 )2 CO)、丙二醇單甲基醚酯(propylene glycol monomethyl ether acetate,PGMEA)、甲苯(toluene)、N-甲基吡咯酮(N-methyl pyrrolidinone,NMP)、四氫呋喃(tetrahydrofuran,THF)、乙二醇(ethylene glycol,EG)、甘油(glycerin)或上述之組合。
- 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池之對電極之製法，其中於步驟(c)中，該些鉑奈米粒子之粒徑大小為約8 nm~30 nm。
- 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池之對電極之製法，其中於步驟(d)中，該基材包括摻雜氟之二氧化錫玻璃(fluorine-doped tin oxide glass,FTO)、氧化銦錫(indium tin oxide glass)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(poly(ethylene terephthalate),PET)或聚亞醯胺(PI)。
- 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池之對電極之製法，其中於步驟(d)中，該塗佈法包括旋轉塗佈法(spin coating)、棒狀塗佈(bar coating)、浸漬塗佈(dip coating)、滾筒塗佈(roll coating)、噴霧塗佈(spray coating)、凹版式塗佈(gravure coating)、噴墨印刷(ink jet printing)或刮刀塗佈(blade coating)。
- 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池之對電極之製法，其中於步驟(d)中，該塗佈法之轉速為約500 rpm~4000 rpm，塗佈之時間為約5秒~30秒。
- 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池之對電極之製法，其中於步驟(e)中，該熱處理之溫度為約170℃~350℃，該熱處理之時間為約30分鐘~40分鐘。
- 如申請專利範圍第1項所述之染料敏化太陽能電池之對電極之製法，其中於步驟(e)中，該導電薄膜之膜厚為約400 nm~500 nm。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW99130466A TWI397563B (zh) | 2010-09-09 | 2010-09-09 | 染料敏化太陽能電池之對電極之製法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW99130466A TWI397563B (zh) | 2010-09-09 | 2010-09-09 | 染料敏化太陽能電池之對電極之製法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TW201211172A TW201211172A (en) | 2012-03-16 |
| TWI397563B true TWI397563B (zh) | 2013-06-01 |
Family
ID=46764192
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| TW99130466A TWI397563B (zh) | 2010-09-09 | 2010-09-09 | 染料敏化太陽能電池之對電極之製法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| TW (1) | TWI397563B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| IT201900011004A1 (it) * | 2019-07-05 | 2021-01-05 | Tecnosens S R L | Nuovi elettrodi a matrice polimerica. |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TW200933903A (en) * | 2008-01-18 | 2009-08-01 | Univ Nat Taipei Technology | Coating of electrode, counter electrode and dye-sensitized solar cell made from the same |
-
2010
- 2010-09-09 TW TW99130466A patent/TWI397563B/zh not_active IP Right Cessation
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TW200933903A (en) * | 2008-01-18 | 2009-08-01 | Univ Nat Taipei Technology | Coating of electrode, counter electrode and dye-sensitized solar cell made from the same |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| TW201211172A (en) | 2012-03-16 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Bandara et al. | Characterization of poly (vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene)(PVdF-HFP) nanofiber membrane based quasi solid electrolytes and their application in a dye sensitized solar cell | |
| Han et al. | Water-soluble polyelectrolyte-grafted multiwalled carbon nanotube thin films for efficient counter electrode of dye-sensitized solar cells | |
| Mali et al. | Bio-inspired carbon hole transporting layer derived from aloe vera plant for cost-effective fully printable mesoscopic carbon perovskite solar cells | |
| Nam et al. | A new mussel‐inspired polydopamine sensitizer for dye‐sensitized solar cells: controlled synthesis and charge transfer | |
| Zheng et al. | Highly efficient iodide/triiodide dye-sensitized solar cells with gel-coated reduce graphene oxide/single-walled carbon nanotube composites as the counter electrode exhibiting an open-circuit voltage of 0.90 V | |
| CN102347143B (zh) | 一种石墨烯复合多孔对电极、制备方法及其应用 | |
| Bao et al. | One-pot solvothermal in situ growth of 1D single-crystalline NiSe on Ni foil as efficient and stable transparent conductive oxide free counter electrodes for dye-sensitized solar cells | |
| Xu et al. | Lead-free CH3NH3SnBr3-xIx perovskite quantum dots for mesoscopic solar cell applications | |
| Wu et al. | Hybrid titania photoanodes with a nanostructured multi-layer configuration for highly efficient dye-sensitized solar cells | |
| Yang | Photoenergy and thin film materials | |
| CN100511718C (zh) | 纳米氧化物多孔薄膜电极及其制备方法和应用 | |
| Kang et al. | Hierarchically assembled counter electrode for fiber solar cell showing record power conversion efficiency | |
| Zheng et al. | In situ growing CNTs encapsulating nickel compounds on Ni foils with ethanol flame method as superior counter electrodes of dye-sensitized solar cells | |
| Chen et al. | Highly Catalytic Carbon Nanotube/Pt Nanohybrid‐Based Transparent Counter Electrode for Efficient Dye‐Sensitized Solar Cells | |
| Jiao et al. | Development of rapid curing SiO2 aerogel composite-based quasi-solid-state dye-sensitized solar cells through screen-printing technology | |
| Wang et al. | Highly efficient and low cost Pt-based binary and ternary composite catalysts as counter electrode for dye-sensitized solar cells | |
| Mohan et al. | A highly stable and efficient quasi solid state dye sensitized solar cell based on Polymethyl methacrylate (PMMA)/Polyaniline Nanotube (PANI-NT) gel electrolyte | |
| Carli et al. | Single walled carbon nanohorns as catalytic counter electrodes for Co (III)/(II) electron mediators in dye sensitized cells | |
| US20190066933A1 (en) | Transparent conductive film, photoelectrode for dye-sensitized solar cell, touch panel, and dye-sensitized solar cell | |
| Di et al. | Electrocatalytic films of PEDOT incorporating transition metal phosphides as efficient counter electrodes for dye sensitized solar cells | |
| CN102354614B (zh) | 染料敏化太阳能电池用磷化物对电极及其制备方法 | |
| Senadeera et al. | Novel platinum-free counter-electrode with PEDOT: PSS-treated graphite/activated carbon for efficient dye-sensitized solar cells | |
| Choi et al. | Characteristics of dye-sensitized solar cells with surface-modified multi-walled carbon nanotubes as counter electrodes | |
| CN104425135B (zh) | 还原氧化石墨烯对电极的制备方法及其应用 | |
| Liu et al. | Preparation of positive and negative composite electrode materials for high-performance aqueous asymmetric supercapacitor by a sequential two-step reaction |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | Annulment or lapse of patent due to non-payment of fees |