TWI435460B - 陣列奈米管型太陽能電池薄膜之製作方法 - Google Patents

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Description

陣列奈米管型太陽能電池薄膜之製作方法
本發明係關於一種太陽能電池薄膜之製作方法，特別是指一種利用矽晶圓製造之陣列奈米管型太陽能電池薄膜之製作方法。
環顧目前大眾所處的生活環境，由於工業的發展，使得全球的能源正急遽地被消耗。藉由許多學者專家調查出來的調查報告，人類逐漸開始意識到自己目前正處於能源嚴重短缺關鍵年代，全球各國無不競相發展無污染且可回收的再生能源。根據美國能源局的估算，自2003年起算，石油、天然氣與媒等的非再生性能源將分別在41年、67年與192年內耗竭。在這樣的情況下，太陽能、風力、地熱、生物能等再生能源技術的開發勢必會越來越受到重視。
在眾多的再生能源技術當中，由於太陽能具有發電過程無污染且無需維持費用的特性，所以目前普遍受世界各國的青睞，因而趨使太陽能電池市場在近幾年快速蓬勃發展。在此前提下，有關太陽能開發議題日漸受到重視，因而驅使許多國家紛紛開始著手推行新能源政策，並實施補助獎勵辦法，以求積極發展與推廣太陽能電池。
依據專家的統計結果顯示，太陽每年輻射至地球的能量約為5.4×1024 焦耳，而全世界每年所需的能量約為1.1×1020 焦耳；因此，只要人類可充分地利用從太陽輻射至地球之能量的五萬分之一，則人類目前所面臨的許多能源問題馬上便可被迎刃而解。有鑑於此，實有必要積極發展太陽能電池以求紓解能源問題。
環顧現有的太陽能電池的製作技術中，由於濕式太陽能電池的製程簡便且其轉換效率可達10%，顯見其極有可能會成為未來太陽能電池技術的主流。隨著奈米技術的發展，人類對各種材料的物理結構與化學特性的掌握逐漸可以延伸到奈米的微觀世界。近年來，由於部份專積極將奈米技術的引進到太陽能電池的領域，更是讓太陽能電池的製作技術與效能產生革命性的重大突破，使太陽能產品逐漸能夠符合民生用品之使用需求。
回顧到2001年，太陽能發電量只佔全球用電量的0.1%，太陽能產業以每年35~40%的速率持續成長。然而，到了2005年，全球光伏(Photovoltaic)總裝機容量達2200百萬伏特，年發電量約30億仟瓦-小時。預估到2010年底，全球太陽光電市場的規模將超過500億美元。
進一步討論，目前的太陽能電池的種類大致可分為：(1)單/多晶矽太陽能電池(Mono/Polycrystalline Solar Cell)；(2)非晶矽/薄膜太陽能電池(Amorphous/Thin Film Solar Cell)；(3)無機半導體(Inorganic Solar Cell)；(4)有機高分子太陽能電池(Organic Solar Cell)；以及(5)染料敏化太陽能電池(Dye-Sensitized Solar Cell；DSSC)。其中，自從瑞士科學家Gratzel於1991年提出其DSSC結構元件以及工作原理以來，許多專家相繼提出多種二氧化鈦(TiO2)薄膜、顆粒、以及奈米管(NT，nanotubes)的太陽能製作技術。
以中華民國專利第097132538(申請)號(專利名稱為「大面積染料敏化太陽能電池及其熱熔射噴塗製造方法」，以下簡稱「’538號專利案」)為例，其中揭露了一種大面積染料敏化太陽能電池，其包含：一基材，於其上具有二氧化鈦(TiO2 )奈米管，以作為電池的陽極；光敏染料，吸附於二氧化鈦奈米管的表面；透明導電陰極，相對於陽極而設置，並且在透明導電陰極的表面附著鉑(Pt)奈米觸媒層；以及電解液，封裝在陽極與透明導電陰極之間，其中二氧化鈦奈米管係經由熱熔射噴塗法將鈦(Ti)噴塗於基材的表面上，以產生鈦噴塗層，然後對鈦噴塗層進行陽極處理以及熱處理而加以形成。
關於太陽能電池的陽極板的製程，包含以下步驟：以熱熔射噴塗法將鈦噴塗在基材的表面上，而產生鈦噴塗層；然後對鈦噴塗層進行陽極處理以及熱處理以形成二氧化鈦奈米管，藉以作為太陽能電池的陽極板。然而，舉凡在所屬技術領域中具有通常知識者皆可理解，光敏染料與陽極板之二氧化鈦(包含二氧化鈦奈米管與未形成二氧化鈦奈米管之二氧化鈦)的接觸面積係與光電轉換效率息息相關。由於在習知’538號專利案所揭露的技術中，基材不具備排列指向性，而且在噴塗鈦時容易混有雜質而使鈦純度降低等緣故；導致在所製作出之太陽能電池之陽極板上，二氧化鈦奈米管分布的密度較為稀疏，且其長度也較短。
為了提高光電轉換效率，本案發明人認為有必要開發出一種新的陣列奈米管型太陽能電池薄膜之製作技術，藉以增加陣列奈米管型太陽能電池薄膜之二氧化鈦奈米管的長度與分布密度，期能在利用該陣列奈米管型太陽能電池薄膜製作陽極板時，有效增加光敏染料與二氧化鈦的接觸面積。
綜觀以上所述，在習知技術中，特別是在習知’538號專利案所揭露的技術中，由於基材不具備排列指向性，而且在噴塗鈦時容易混有雜質而使鈦純度降低等緣故；導致在所製作出之太陽能電池之陽極板上，二氧化鈦奈米管分布的密度較為稀疏，且其長度也較短，更會因此而產生光敏染料與二氧化鈦的接觸面積不足的問題。
緣此，本發明之主要目的係提供一種陣列奈米管型太陽能電池薄膜之製作方法，其中係以一具有單一排列指向性之同指向型矽基板作為基材，並利用濺鍍的方式使被覆於同指向型矽基板之表面之鍍鈦金屬層具有較高的鈦含量。藉此，可使所製作出之陣列奈米管型太陽能電池薄膜之表面具有複數個以一密集陣列排列之二氧化鈦奈米管，並使二氧化鈦奈米管具有較長的長度。
本發明為解決習知技術之問題所採用之技術手段係提供一種陣列奈米管型太陽能電池薄膜之製作方法，該製作方法係先製備一同指向型矽基板，並在同指向型矽基板之表面濺鍍出一鍍鈦金屬層以形成一鍍鈦矽基板。接著，在一真空熱處理環境中對鍍鈦矽基板進行一真空熱處理作業，藉以消除鍍鈦金屬層與同指向型矽基板間之殘留應力，並接續在一退火熱處理環境中對鍍鈦矽基板進行一退火熱處理作業，使鍍鈦金屬層轉變成一介在相鈦金屬層。然後，對介在相鈦金屬層進行一陽極處理作業，藉以使介在相鈦金屬層轉變成陣列奈米管型太陽能電池薄膜，使其表面具有複數個以一密集陣列排列之二氧化鈦(TiO2 )奈米管。最後，施加一逆向電壓，使陣列奈米管型太陽能電池薄膜自同指向型矽基板脫離。
較佳者，介在相鈦金屬層主要可由二氧化鈦銳礦型(anatase相)結晶結構所組成；上述之同指向型矽基板可為一同指向型矽晶圓；在同指向型矽基板之表面濺鍍出一鍍鈦金屬層之作業可利用一電漿氣相沉積(Plasma Vapor Deposition;PVD)設備來進行；真空熱處理環境之壓力可為0.01 torr，真空熱處理環境之溫度可為920℃；且退火熱處理環境之溫度可為850℃，且退火熱處理作業可維持1小時。
在對介在相鈦金屬層進行一陽極處理作業之前，可利用一電解拋光(Electrolytic Polishing)作業對鍍鈦金屬層加以清潔並拋光。在進行上述之陽極處理作業時，係將介在相鈦金屬層浸入一電解液中，並施加一工作電壓。較佳者，在進行上述之陽極處理作業時，可先利用一電化學直流極化曲線掃描(Electrochemistry DC Polarization Curve Scanning)作業，評估出上述工作電壓之一最佳化工作電壓值與上述電解液之一最佳化電解液酸鹼值，依據最佳化工作電壓值施加上述之工作電壓，並依據最佳化電解液酸鹼值調製電解液。
此外，在本發明較佳實施中，當鍍鈦矽基板之面積為2cm×2cm時，可將上述之最佳化工作電壓值設定為10V至20V，並可依據最佳化電解液酸鹼值，使電解液之調製配方中包含1.2 vol.%(體積百分濃度)之氫氟酸(Hydrofluoric Acid；HF)以及10 vol.%之硫酸(Sulfuric Acid;H2 SO4 )等原料。
相較於利用習知技術所製作出之染料敏化太陽能電池陽極板，雖然其表面亦具有二氧化鈦奈米管，但是由於基材不具備排列指向性，而且在噴塗鈦時容易混有雜質而使鈦純度降低等緣故，導致在所製作出之太陽能電池之陽極板上，二氧化鈦奈米管分布的密度較為稀疏，且其長度也較短。然而，經由實驗證明或定性分析可知，在本發明中，由於係以具有單一排列指向性之同指向型矽基板作為基材，並利用濺鍍的方式使被覆於同指向型矽基板之表面之鍍鈦金屬層具有較高的鈦含量等緣故；因此，所製作出之陣列奈米管型太陽能電池薄膜之表面具有複數個以一密集陣列排列之二氧化鈦奈米管，並使二氧化鈦奈米管具有較長的長度。
藉此，可使陣列奈米管型太陽能電池薄膜表面之二氧化鈦(包含二氧化鈦奈米管與未形成二氧化鈦奈米管之二氧化鈦)具有較大之表面積。在利用本發明所製作出之陣列奈米管型太陽能電池薄膜來製作太陽能電池陽極板時，可使陣列奈米管型太陽能電池薄膜表面之二氧化鈦與光敏染料之間具有較大之接觸面積，藉以提升太陽能電池之光電轉換效率，進而更有效率地獲得可供人類利用之電能。
本發明所採用的具體實施例，將藉由以下之實施例及圖式作進一步之說明。
由於本發明所提供之陣列奈米管型太陽能電池薄膜之製作方法，可廣泛運用於製作各種太陽能電池之陽極板，特別是應用於製作染料敏化太陽能電池(Dye-Sensitized Solar Cell;DSSC)之陽極板，其組合實施方式更是不勝枚舉，故在此不再一一贅述，僅列舉其中一個較佳實施例來加以具體說明，並且引用相關之實驗結果來驗證前述之功效。
請參閱第一圖至第三圖，其中，第一圖係顯示一同指向型矽基板；第二圖係顯示利用一濺鍍作業，在同指向型矽基板鍍上鍍鈦金屬層以形成鍍鈦矽基板；以及第三圖係顯示經過一退火熱處理作業後，鍍鈦金屬層係轉變成介在相鈦金屬層。如第一圖至第三圖所示，在製作本發明所述之陣列奈米管型太陽能電池薄膜時，必須先製備一同指向型(Isotropy)矽基板1，在本說明書中，所謂之同指向型係指其表面結晶係以相同的指向加以排列。此外，同指向型矽基板1可為一同指向型矽晶圓(Silicon Wafer)，亦可為由同指向型矽晶圓所裁切而成的同指向型矽晶片。
接著，可利用一電漿氣相沉積(Plasma Vapor Deposition;PVD)設備進行一濺鍍作業，藉以在同指向型矽基板1之表面濺鍍出一鍍鈦金屬層2，使同指向型矽基板1與鍍鈦金屬層2形成一鍍鈦矽基板100。然後，可在一真空熱處理環境中對鍍鈦矽基板100進行一真空熱處理作業，藉以消除鍍鈦金屬層2與同指向型矽基板1間之殘留應力，使鍍鈦金屬層2與同指向型矽基板1得以緊密地結合。其中，真空熱處理環境之壓力可設定為0.01 torr，真空熱處理環境之溫度可設定為920℃。
緊接著，可在一退火熱處理環境中對鍍鈦矽基板100進行一退火熱處理作業，使鍍鈦金屬層2轉變成一介在相鈦金屬層2a。在本較佳實施例中，退火熱處理環境之溫度可為850℃，且退火熱處理作業可維持1小時。同時，介在相鈦金屬層2a主要可由二氧化鈦銳礦型(anatase相)結晶結構所組成。
在完成退火熱處理作業後，可利用一電解拋光(Electrolytic Polishing)作業對鍍鈦金屬層加以清潔並拋光。在電解拋光作業時，係將介在相鈦金屬層2a連同上述之同指向型矽基板1一起放置於陽極端，並以一鉑電極作為陰極端，於電解液中通電，在適當的操作參數下，使介在相鈦金屬層2a發生電解反應(亦稱反電鍍)，藉以使介在相鈦金屬層2a之表面因電場集中效應而產生溶解作用，藉以使介在相鈦金屬層2a之表面平坦化與光澤化。
在進行上述之電解拋光作業時，電解液的調製配方包含：過氯酸(Perchloric Acid;HClO4 )、乙二醇單丁醚(Ethylene Glycol Monobutyl-ether;HOCH2 CH2 OC4 H9 )與甲醇(Methanol;CH3 OH)，且電解液之溫度為15℃。在本實施例中，進行上述之電解拋光作業時之一電解拋光工作電壓建議為先施加52伏特維持1分鐘，接著轉變為28伏特維持13分鐘。
接下來，必須對介在相鈦金屬2a進行一陽極處理作業；此時，必須將介在相鈦金屬層2a浸入一電解液中，並施加一工作電壓。較佳者，在進行上述之陽極處理作業時，可先利用一電化學直流極化曲線掃描(Electrochemistry DC Polarization Curve Scanning)作業，評估出上述工作電壓之一最佳化工作電壓值與上述電解液之一最佳化電解液酸鹼值(PH值)，依據最佳化工作電壓值施加上述之工作電壓，並依據最佳化電解液酸鹼值調製電解液。
在本發明較佳實施中，當鍍鈦矽基板100之面積為2cm×2cm時，可將上述之最佳化工作電壓值設定為10伏特(V)至20V，其中以15V較佳，原因請參酌第五D圖。同時，可依據最佳化電解液酸鹼值，使電解液之調製配方中包含1.2 vol.%(體積百分濃度)之氫氟酸(Hydrofluoric Acid；HF)以及10 vol.%之硫酸(Sulfuric Acid;H2 SO4 )等原料。
請參閱第四圖至第五G圖，其中第四圖係顯示在對介在相鈦金屬層進行陽極處理作業後，係使介在相鈦金屬層轉變成陣列奈米管型太陽能電池薄膜，第五A圖至第五G圖係顯示在不同的工作電壓下，所形成之陣列奈米管型太陽能電池薄膜在電子顯微鏡下所顯示之影像。如第四圖所示，在對介在相鈦金屬層2a完成陽極處理作業後，會使介在相鈦金屬層2a轉變成一陣列奈米管型太陽能電池薄膜2b。在陣列奈米管型太陽能電池薄膜2b中，包含一個二氧化鈦基層膜21b與複數個以一密集陣列(Concentrated Array)排列之二氧化鈦奈米管22b。
在本實施中，如第五圖A所示，當所施加之工作電壓為10V時，從電子顯微鏡顯示倍率達8萬倍時所顯示之影像來看，二氧化鈦奈米管已經開始呈現大規模的成長。
如第五圖B所示，當所施加之工作電壓提升至12V時，從電子顯微鏡顯示倍率達8萬倍時所顯示之影像來看，二氧化鈦奈米管的成長逐漸成形。
如第五圖C所示，當所施加之工作電壓提升至13V時，從電子顯微鏡顯示倍率達3萬倍時所顯示之影像來看，二氧化鈦奈米管再度擴張。
如第五D圖所示，當所施加之工作電壓提升至15V時，從電子顯微鏡顯示倍率達3萬倍時所顯示之影像來看，二氧化鈦奈米管係以一密集陣列相當密集而規則地排列。
如第五E圖所示，當所施加之工作電壓提升至16V時，從電子顯微鏡顯示倍率達8萬倍時所顯示之影像來看，二氧化鈦奈米管仍維持以密集陣列相當密集而規則地排列，但是已有部分之二氧化鈦奈米管已經開始有輕微的崩毀現象發生。
如第五F圖所示，當所施加之工作電壓提升至18V時，從電子顯微鏡顯示倍率達8萬倍時所顯示之影像來看，二氧化鈦奈米管崩毀現象持續發生，部份之二氧化鈦奈米管開始變形。
如第五G圖所示，當所施加之工作電壓提升至20V時，從電子顯微鏡顯示倍率達8萬倍時所顯示之影像來看，二氧化鈦奈米管崩毀現象持續發生，部份之二氧化鈦奈米管變形加劇，且二氧化鈦奈米管的管口開始合併，且在二氧化鈦奈米管的管口上開始出現大量的沉澱物。由第五A圖至第5G圖可知，在本發明較佳實施例中，當鍍鈦矽基板100之面積為2cm×2cm時，上述之最佳化工作電壓值應以15V較佳。
請參閱第六圖，其係顯示在施加一逆向電壓後，陣列奈米管型太陽能電池薄膜自同指向型矽基板脫離。如第六圖所示，在介在相鈦金屬層2a轉變成陣列奈米管型太陽能電池薄膜2b後，可施加一逆向電壓(與進行陽極處理作業時之工作電壓方向相反的電壓)，使陣列奈米管型太陽能電池薄膜2b自同指向型矽基板1脫離。
請繼續參閱第七圖，其係顯示第六圖之其中一個二氧化鈦單位結構。如第六圖所示，一個二氧化鈦單位結構包含一個二氧化鈦奈米管22b(針對單一個二氧化鈦奈米管22b，又可簡稱為「管胞」)與其底部之二氧化鈦基層膜21b。其中，每一個二氧化鈦奈米管22b平均係佔用二氧化鈦基層膜21b之一單位平均佔用區域(如第六圖所示之二氧化鈦基層膜21b之區域)，且單位平均佔用區域具有一單位平均佔用表面積A0。二氧化鈦奈米管22b具有一管內徑Ri、一管外徑Ro與一管長L；同時，二氧化鈦奈米管22b包含一底面221b、一頂面222b、一內壁面223b與一外壁面224b，且底面221b、頂面222b、內壁面223b與外壁面224b分別具有一底面面積A1、一頂面面積A2、一內壁面面積A3與一外壁面面積A4。由於二氧化鈦奈米管22b係由二氧化鈦基層膜21b長出，兩者係為一體成型之結構；因此，底面221b係不外露，只有頂面222b、內壁面223b與外壁面224b可外露與光敏染料相接觸。
由第七圖可知，若陽極板完全沒有二氧化鈦奈米管22b，對一個單位平均佔用區域而言，只能提供單位平均佔用表面積A0與光敏染料相接觸，換言之，其接觸面積只有單位平均佔用表面積A0。然而，當陽極板具有上述之陣列奈米管型太陽能電池薄膜2b時，若每一個二氧化鈦奈米管22b所佔用之單位平均佔用區域之單位平均佔用表面積A0越小，表示以上述之密集陣列排列之二氧化鈦奈米管22b分佈得越密集。
此外，在陣列奈米管型太陽能電池薄膜2b製作成(染料敏化)太陽能電池之陽極板時，針對每一個二氧化鈦單位結構而言，與光敏染料之有效接觸面積應為單位平均佔用表面積A0-底面面積A1+頂面面積A2+內壁面面積A3+外壁面面積A4，換言之，其接觸面積=單位平均佔用表面積A0-底面面積A1+頂面面積A2+內壁面面積A3+外壁面面積A4。由於底面面積A1與頂面面積A2極為相近，故其接觸面積=單位平均佔用表面積A0+內壁面面積A3+外壁面面積A4。換言之，相較於完全沒有二氧化鈦奈米管22b之陽極板，針對每一個二氧化鈦單位結構而言，依據本發明所製作出之陣列奈米管型太陽能電池薄膜2b與光敏染料之有效接觸面積可增加內壁面面積A3+外壁面面積A4，即增加2×π×Ri×L+2×π×Ro×L。
由此可知，陣列奈米管型太陽能電池薄膜2b與光敏染料之有效接觸面積係與單位平均佔用表面積A0以及管長L息息相關。當單位平均佔用表面積A0越小或管長L越長時，陣列奈米管型太陽能電池薄膜2b與光敏染料之有效接觸面積越大。
經由成份元素縱深分佈圖可知，在本發明的實施例中，當工作電壓為10V時，二氧化鈦奈米管的管長約為2.52微米(μm)；當工作電壓為15V時，二氧化鈦奈米管的管長約為5.4μm；當工作電壓為10V時，二氧化鈦奈米管的管長約為6.12μm。然而，同時參閱第五G圖即可知，雖然在所施加之工作電壓提升至20V時，二氧化鈦奈米管的管長可以達到約6.12μm，但是由於二氧化鈦奈米管崩毀現象持續發生，部份之二氧化鈦奈米管變形加劇，且二氧化鈦奈米管的管口開始合併，且在二氧化鈦奈米管的管口上開始出現大量的沉澱物等不利因素，將會減少陣列奈米管型太陽能電池薄膜2b與光敏染料之有效接觸面積。由以上因素進行綜合判斷，在本發明較佳實施例中，較佳之工作電壓應為15V。
關於二氧化鈦奈米管的排列密集性，由於無法直接取得習知’538號專利案之實驗樣品，故只能針對習知’538號專利說明書之圖5A所揭露之實驗結果，與本發明圖式第五D圖所示之陣列奈米管型太陽能電池薄膜2b加以比對。由習知’538號專利說明書之圖5A可知，在陽極板表面500nm×500nm的面積中，共形成約36個二氧化鈦奈米管，故可得知在習知’538號專利案中，單位平均佔用表面積約為7000平方奈米。然而由本發明圖式第五D圖可知，在陣列奈米管型太陽能電池薄膜2b表面500nm×500nm的面積中，共形成約43至45個二氧化鈦奈米管，故可得知在本發明較佳實施例中，上述之單位平均佔用表面積A0約為5600平方奈米至5800平方奈米。
從以上敘述可知，由於對每一個二氧化鈦單位結構而言，本發明之單位平均佔用表面積A0約只有5600平方奈米至5800平方奈米，大約只有習知’538號專利案所揭露者的80%，顯見在利用本發明所製作之陣列奈米管型太陽能電池薄膜2b中，二氧化鈦奈米管的排列密集性較習知’538號專利案者為佳。
此外，在許多學者專家的相關研究中，也已充分證明：若鈦的指向性越規則(即越一致)，當其經由陽極處理而形成二氧化鈦奈米管時，所生成之二氧化鈦奈米管會具有較長的管長。由於在習知’538號專利說明書中所揭露之鈦噴塗層係以噴塗方式成形，其表面的晶界排列指向相當混亂而不規則，故所生成之二氧化鈦奈米管的指向亦相當不規則，致使其二氧化鈦奈米管的管長較短；然而，在本發明中，由於是利用同指向型矽基板1，並利用濺鍍方式形成鍍鈦金屬層2，因此，在依序經過上述之真空熱處理作業、退火熱處理作業與陽極處理作業後，所生成之陣列奈米管型太陽能電池薄膜2b中，二氧化鈦奈米管22b的排列指向性也較為規則，由此可知，利用本發明所製作出之陣列奈米管型太陽能電池薄膜2b之二氧化鈦奈米管22b具有較長的管長L。
由以上敘述可知，相較於習知’538號專利，由於在利用本發明所揭露之技術所製作出之陣列奈米管型太陽能電池薄膜2b中，對每一個二氧化鈦單位結構而言，單位平均佔用表面積A0越小，且二氧化鈦奈米管22b之管長較長；顯而易見地，利用本發明所製作出之陣列奈米管型太陽能電池薄膜2b與光敏染料之有效接觸面積會較習知’538號專利為大。
最後，請繼續參閱第八A圖與第八B圖，其係顯示本發明較佳實施例所揭露之陣列奈米管型太陽能電池薄膜之簡易製作方法流程圖。如第八A圖與第八B圖所示，在製作陣列奈米管型太陽能電池薄膜2b時，必須先製備同指向型矽基板1(步驟110)；並在同指向型矽基板1之表面濺鍍出鍍鈦金屬層2，藉以使同指向型矽基板1與鍍鈦金屬層2形成鍍鈦矽基板100(步驟120)。接著，必需將鍍鈦矽基板100放置於真空熱處理環境中進行真空熱處理作業，藉以消除鍍鈦金屬層2與同指向型矽基板1間之殘留應力(步驟130)，並將鍍鈦矽基板100放置於退火熱處理環境中進行退火熱處理作業，藉以使鍍鈦金屬層2轉變成介在相鈦金屬層2a(步驟140)。
緊接著，可利用電解拋光作業清潔並拋光鍍鈦金屬層2(步驟150)，可利用電化學直流極化曲線掃描作業，評估出對介在相鈦金屬層2a進行陽極處理作業時所需施加之工作電壓之最佳化工作電壓值(步驟160)，同時，更可利用電化學直流極化曲線掃描作業，評估出對介在相鈦金屬層2a進行陽極處理作業時所需浸入之電解液之最佳化電解液酸鹼值(步驟170)。
然後，依據最佳化工作電壓值施加工作電壓，依據最佳化電解液酸鹼值調配電解液，藉以對介在相鈦金屬層2a進行陽極處理作業，使介在相鈦金屬層2a轉變成陣列奈米管型太陽能電池薄膜2b，且陣列奈米管型太陽能電池薄膜2b之表面具有複數個以密集陣列排列之二氧化鈦奈米管22b(步驟180)。最後，施加逆向電壓，使陣列奈米管型太陽能電池薄膜2b自同指向型矽基板1脫離(步驟190)，以供製作染料敏化太陽能電池(Dye-Sensitized Solar Cell;DSSC)之陽極板之用。
舉凡在所述技術領域中具有通常知識者，不論是經由實驗證明或定性分析，皆可以理解，在本發明中，由於係以具有單一排列指向性之同指向型矽基板1作為基材，並利用濺鍍的方式使被覆於同指向型矽基板之表面之鍍鈦金屬層2具有較高的鈦含量等緣故；因此，所製作出之陣列奈米管型太陽能電池薄膜2b之表面具有複數個以密集陣列排列之二氧化鈦奈米管22b，並使二氧化鈦奈米管22b具有較長的長度。
藉此，可使陣列奈米管型太陽能電池薄膜22b表面之二氧化鈦(包含二氧化鈦基層膜21b與二氧化鈦奈米管22b)具有較大之表面積。因此，在利用本發明所製作出之陣列奈米管型太陽能電池薄膜2b來製作太陽能電池之陽極板時，可使陣列奈米管型太陽能電池薄膜2b表面之二氧化鈦與光敏染料之間具有較大之接觸面積，藉以提升太陽能電池之光電轉換效率，進而更有效率地獲得可供人類利用之電能。
藉由上述之本發明實施例可知，本發明確具產業上之利用價值。惟以上之實施例說明，僅為本發明之較佳實施例說明，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者當可依據本發明之上述實施例說明而作其它種種之改良及變化。然而這些依據本發明實施例所作的種種改良及變化，當仍屬於本發明之發明精神及界定之專利範圍內。
100．．．鍍鈦矽基板
1．．．同指向型矽基板
2．．．鍍鈦金屬層
2a．．．介在相鈦金屬層
2b．．．陣列奈米管型太陽能電池薄膜
21b．．．二氧化鈦基層膜
22b．．．二氧化鈦奈米管
221b．．．底面
222b．．．頂面
223b．．．內壁面
224b．．．外壁面
Ri．．．管內徑
Ro．．．管外徑
L．．．管長
A0．．．單位平均佔用表面積
A1．．．底面面積
A2．．．頂面面積
A3．．．內壁面面積
A4．．．外壁面面積
第一圖係顯示一同指向型矽基板；
第二圖係顯示利用一濺鍍作業，在同指向型矽基板鍍上鍍鈦金屬層以形成鍍鈦矽基板；
第三圖係顯示經過一退火熱處理作業後，鍍鈦金屬層係轉變成介在相鈦金屬層；
第四圖係顯示在對介在相鈦金屬層進行陽極處理作業後，係使介在相鈦金屬層轉變成陣列奈米管型太陽能電池薄膜；
第五A圖至第五G圖係顯示在不同的工作電壓下，所形成之陣列奈米管型太陽能電池薄膜在電子顯微鏡下所顯示之影像；
第六圖係顯示在施加一逆向電壓後，陣列奈米管型太陽能電池薄膜自同指向型矽基板脫離；
第七圖係顯示第六圖之其中一個二氧化鈦單位結構；以及
第八A圖與第八B圖係顯示本發明較佳實施例所揭露之陣列奈米管型太陽能電池薄膜之簡易製作方法流程圖

Claims (11)

  1. 一種陣列奈米管型太陽能電池薄膜之製作方法，包含以下步驟：(a)　製備一同指向型矽基板；(b)　在該同指向型矽基板之表面濺鍍出一鍍鈦金屬層以形成一鍍鈦矽基板；(c)　將該鍍鈦矽基板放置於一真空熱處理環境中進行一真空熱處理作業，藉以消除該鍍鈦金屬層與該同指向型矽基板間之殘留應力；(d)　將該鍍鈦矽基板放置於一退火熱處理環境中進行一退火熱處理作業，藉以使該鍍鈦金屬層轉變成一介在相鈦金屬層；(e)　對該介在相鈦金屬層進行一陽極處理作業，藉以使該介在相鈦金屬層轉變成該陣列奈米管型太陽能電池薄膜，且該陣列奈米管型太陽能電池薄膜之表面具有複數個以一密集陣列排列之二氧化鈦(TiO2 )奈米管；以及(f)　施加一逆向電壓，使該陣列奈米管型太陽能電池薄膜自該同指向型矽基板脫離。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之陣列奈米管型太陽能電池薄膜之製作方法，其中，該同指向型矽基板係為一同指向型矽晶圓。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之陣列奈米管型太陽能電池薄膜之製作方法，其中，該介在相鈦金屬層主要係由二氧化鈦銳礦型(Anatase相)結晶結構所組成。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之陣列奈米管型太陽能電池薄膜之製作方法，其中，該步驟(b)係利用一電漿氣相沉積(Plasma Vapor Deposition;PVD)設備所進行。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之陣列奈米管型太陽能電池薄膜之製作方法，其中，在該步驟(c)中，該真空熱處理環境之壓力為0.01 torr，且該真空熱處理環境之溫度為920℃。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之陣列奈米管型太陽能電池薄膜之製作方法，其中，在該步驟(d)中，該退火熱處理環境之溫度為850℃，且該退火熱處理作業係維持1小時。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之陣列奈米管型太陽能電池薄膜之製作方法，其中，在該步驟(e)前更包含一步驟(e0)，其係清潔並拋光該鍍鈦金屬層。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之陣列奈米管型太陽能電池薄膜之製作方法，其中，該步驟(e0)係利用一電解拋光(Electrolytic Polishing)作業所完成。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之陣列奈米管型太陽能電池薄膜之製作方法，其中，在該步驟(e)中，係將該介在相鈦金屬層浸入一電解液中，並施加一工作電壓，藉以進行該陽極處理作業。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之陣列奈米管型太陽能電池薄膜之製作方法，其中，在該步驟(e)中更包含一步驟(e1)，其係利用一電化學直流極化曲線掃描(Electrochemistry DC Polarization Curve Scanning)作業，評估出該工作電壓之一最佳化工作電壓值與該電解液之一最佳化電解液酸鹼值(PH值)。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之陣列奈米管型太陽能電池薄膜之製作方法，其中，在該步驟(e1)中，當該鍍鈦矽基板之面積為2cm×2cm時，該最佳化工作電壓值為10V至20V，且該電解液之調製配方中包含1.2 vol.%(體積百分濃度)之氫氟酸(Hydrofluoric Acid;HF)以及10 vol.%之硫酸(Sulfuric Acid;H2 SO4 )。
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