TWI251354B - Solar energy power module with carbon nano-tube - Google Patents

Description

1251354 九、發明說明： 【發明所屬之技術頜域】 本發明係有關於-種太陽能發電模組，特別係有關於一種奈 米碳管之太陽能發電模組。 【先前技術】 在過去數十年，太陽能發電已成為可行的、重要的新興能源。 關於提升太陽能發電效啊光電轉換效率)的相關研究發展持續不 斷地進行，使得目前太陽能發電已逐漸從低耗電量消費性電子之 應用例如手錶、計算機，擴展到較高耗電量之領域；例如分擔建 築物用電及交通運輸工具等。 ° 除了太陽能發電效率(光電轉換效率)之外，製造成本較高也是 另-個發展太陽能發電需考量的問題。因此目前便有一種研究趨 勢’由製造成本較高之單砂太陽能板傾向於發展較低成本之由 高分子電子提供層與碳粒子電子接收層構成之太陽能板。例如請 參閱第1圖，為美國專利第娜施號中所揭露之太陽能發電模 ^其中包括料電高分倾狀電子提供们，以及由奈米級 碳粒子組成之電子接收層3。該太發賴_為利用導電高 分子以及絲級碳粒子作為主要材料，因此具有作用面積大光電 轉換效率高、製造成本較低、可繞等優點。再者，因其具有可撓 之優點，故若使其導電高分子層與奈綠雜子層處補平軸 情況下’可產生更大的接觸面積使得光電轉換效率更佳。 根據前述，可發現目前太陽能板的發展取決於兩大因素··—為 6 1251354 光電轉換效率，二核本因此如何再為提升太陽能板 電轉換效率並降低其成本便為目前為#及太陽能發電亟待解決的 問題。 【發明内容】 鑒於以上的問題，本發明的主要目的在於提供—種奈米碳管 太陽能發電模組，利用奈米碳f作為電子接收材料，導電之= 材料作為電子提供材料並包覆於奈米碳管上。其中因太 材料％，可大幅增加與導財機材料的接觸面積，妙 ft接收能力，再者，时米碳f延伸長度紐許電洞2

Lt機轉小，因此總體來說，對於整個太陽能發電模組之光電 轉換效率會有所助益。 亢屯 且’因奈米石反官主要為碳成分，而碳屬於相對較便宜 低車又今易產生取得的材料，故整個太陽能板的製造成本可大幅降 太米本發明太陽峨模組之電子細池要組成為 電姑斗Γ、具有不規則形狀，因此可進一步增加其與高分子導 —材料之鞠補，提冑發電效能。 、 曲b 7來口兄右本發明搭配可撓基板，使模組整體處於撓 觸面 2悲時，可更進—步增加奈細管與高分子導電材料的接 貝進而再提升其光電轉換效能。 ^為達上述目的，本發明所揭露之-種奈米碳管太 陽 月& 7 1251354 發電模紐，^ a 、、、 匕3·· ~第一導雷® 電洞並輸出； 、曰，至少部份透光，用以接收電子或 裳一、首 ^電層’用以接收 介於該第、“戍初亚輪出，及—混合層， 聚合物，由二^—W層之間，包含—透光導電高分子 奈米碳管，之光照射後提供電子；及複數條 子至該第―導·^^ 第二導電層，肋傳導該電

木^層或該第二導電層。 決定之觸媒可形成於第—導電層或第二導電層上以 而太米=成位置’該觸媒可為鐵、m把或銀。 /1、=為—單壁奈米碳管、-多壁奈米碳管或碳纖維結 構，亚可屬於-N型奈米碳管。 、;# 層可由例如為氧化銦、氧化錫或氧化銦錫之金 屬氧化物構成，或由例如為金或銀之薄膜金屬構成。 /上述高分子聚合物可為—絲基乙烯基化合物，該聚苯基乙 • = 土化δ物可為聚3—己吩㈣y部饮娜沖㈣，p犯丁)材料 或 PTCBI( petyienetetracarb〇x 沖 c_bis_benzimid 。以上所述，本發明奈米碳管太陽能發電模組，提供較高 '之發電效率以及較低成本，再者可具有可撓性質。 ^ 以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其 内谷足以使任何沾習相關技蟄者了解本發明之技術内容並據以實 施，且根據本說明書所揭露之内容、申請專利範圍及圖式，任何 熟習相關技#者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。 8 1251354 【實施方式] 4閱第2圖’為本發明， 實施例之示意圖。 5太^發電模組第-較佳 如圖所示，該奈米碳 , 人g太除月匕發電模組包含一筮^ ^ ^-電子提供層7、複數條 、弟-導電層 一導電層5a，可選擇性地丁"、厌@以弟二導電層…。第 由—透明雜的透明層13來俾1 ^ 第二導電層lla可另外由一基 f直接透财料電層&，輕電顿絲7以== 者，提供電子6經奈米碳管9、第二導 經第一導電層5a輪出。 离4电洞2 第:導電層5a ’由透明導電材料組成以透過光線，例如 祕錫、氧化轉、例如金祕之細金料其均等物所 組成°第—導電層5a可為部份透光，也可包含抗反射之塗佈面。 電子提供層7，位於第—導電層5a與第二導電層叫之間， 主要係由可對光照反應而成為電子提供者(dectric如加牧材料所 組成，因此在接收光照後，會產生電子往電子接收的方向移動。 電子提供者之材料可為P型共軛高分子聚合物，所包含之π電子 在接收光照後可激發至傳導軌域(或激發態），換句話說，需選擇可 在接收光之後，產生容易形成電荷轉移狀態之電子激發狀態之共 軛高分子聚合物。該p型共軛高分子聚合物材料例如是聚笨基乙 烯基(poly (p-phenylene-vinylene)，PPV)材料，較佳的有聚 3—己 吩(?〇1>^3^^}4侃(^1^1^)，？311丁)及 9 1251354 (petylenetetracarboxylic-bis-benzimidazole，PTCBI)等。 複數條奈米碳管9，連接於第二導電層ua上作為電子接收者 (electricacceptor)，其被電子提供層7中之材料所包覆，用以接收 該材料提供之電子6並傳至第二導電層lla。每—奈錢管9的外 表面基與中空之内表面積與週園包覆之電子提供者材料便形成了 電子提供者/電子接收者之異質介面，其制類似以♦晶#作為其 材之太陽能發電模組之p_n介面利用内建電場分離電子電、、同對土 而因每-奈米碳管9皆具有内表面積與外表面積，故可大幅辦加 電子提供者/電子接收者之異質介面之面積，再者，因奈米辟延 伸長度長分·®廣’電子電_容緒觸異質介面使電子電洞 再結合4之機率變小，因此可增加整體太陽能發電模組之發電效 率。 再者，該奈米碳管可以特定雜_雜以呈現N型奈米穿其。 並可為-單壁奈米碳管…多壁奈米碳管或碳纖維結構。反5 另-方面，因每-奈米碳管在電子提供者材料中可呈 狀，侧晴齊，皆可進—步提升互相接觸之有效面積’對整 體太陽能發電模組之發電效率有所增益。 、'^ 第二導電層11a，用以將接收之電子輪出， 米碳管之觸媒，例如鐵、钻、鎳、鈾、在* 匕3用以形成奈 子提供層7之紐。 H也可作為支撐電 另可有一基板15，用以支撐該第二導带 料、金屬或雜成。 、⑽7’可由可撓式材 10 1251354 一導構成之太陽能發電光線便可從遂明之第 碳管9鄉峨子，經過複數條奈米 佳為:;明^太陽能發電模組之第二較

一電^錢魅包含—第—導電層5b、 -較佳實_设丈條奈轉_管9以及第二導電層lib。而與第 她^* —5之處在於該第二導電層iib為透明可透光，且 官9係形成連接於該透明可透光之第二導電層 米例子中，因第二導電層llb為透明可透光，複數條奈 ，、妾於f導電層仙，故電子提供層7照光產生之激 二:外為經過複數條奈米碳管9由第二導電層lib輸出，而 电洞2經第一導電層5b輪出。 子提將接收之電洞2輪出’也可作為支撐電 此Mt明之第二導電層llb，可由氧化銦、氧化錫、氧化鋼 錫例士 i或銀之薄膜金屬或其均等物所組成。透明導電層可為 部份透光，也可包含反反射之塗佈面。且，為形成奈米碳；，其 包含用以形成奈米破管之觸媒，例如鐵、#、鎳、麵、趣或銀等 奈求碳管也可藉由印刷(priniing)的方式(不須觸媒)塗佈於導電層 上。另外第二導電層llb，可選擇性地由一透明銘性的透明層二 保護，例如玻璃。 Λ 11 1251354 電子&供層7，同樣位於第一導電層5b與第二導電層Hb之 間，其主要組成及功用與第一較佳實施例中相同，故在此便不再 贅述。 複數條奈米碳管7,形成於透明之第二導電層llb上，以特 定雜質掺雜呈現N型奈米碳管以作為電子接收者(dectric acceptor)，其被電子提供層7中之材料所包覆，用以將該材料提 供之電子傳至第二導電層lib。每-奈采碳管的外表面基與中空

之内表面積與週圍包覆之電子提供者材料便形成了電子提供者/ 電子接收者之異質介面’其作用類似以㈣片作為基材之太陽能 發電模組之P-η介面。而因每一奈米碳管皆具有内表面積與外Z 面積’故可大幅增加電子提供者/電子接收者之異質介面之面積^ 因此可增加整體太陽能發電模組之發電效率。 、 再者’因奈綠管延伸長度長分佈範圍廣，f子電 接觸異質介面使電子電洞再結合4之機率變小，因此對於敫 陽能發電模組之發電效率也有所助益。 、正虹太 同=，縣米碳管可啤定雜 官。亚可為一單壁奈米碳管、—多 主不木石反 另一方面，因每一奈米碳管在料構。 ，或排列整齊’皆可進—步提升互相接觸之有效h不規則 陽能發電模組之發電效率有所增益。 貝對整體太 另可有-紐(圖未切該第—導 可撓式材料、金屬或々組成。 > M 5b ’可由 12 1251354 j過由上述所構成之太陽能發電模組，光線便可從透明之第 二導電層lib照、入至電子提供層7產生激發電子，經過複數條奈 米碳官9之傳導至第二導電層lib以輸出。 口以上所4 ’目本發㈣制作為電子触者之奈米碳管具 有外表面積與内表面積且可呈現不規卿狀，因此與電子提供者 之接觸面積大，科奈米碳f的導·佳，故可有效增益其發電 2 ’再者_以製作奈料f及電子提供者之材料成本較以石夕 :、、、土材者為低，故可大幅降低太陽能發龍組之製造成本。 雖=本發似前述之實蘭減如上，然其並賴以限定本 在不脫離本發明之精神和範圍内，所為之更動與潤飾，均 U之專梅護範圍。本發明所界定 所附之申請翻範圍。 ㉚‘I考 【圖式簡單說明】 利第59祕號中所揭露之太陽能發電模组，· 示意H 米碳^ 發賴㈣—難實施例之 第3圖為本發明奈米碳管太陽能發電模組 之示意圖。 不平乂粍錢％例 【主要元件符號說明】 1 電子提供層 2 電洞 3 電子接收層 13 1251354 4 再結合之電子電洞 5a 第一導電層 5b 第一導電層 6 電子 7 電子提供層 9 複數條奈来碳管 11a 第二導電層 lib 第二導電層 13 透明層 15 基板 14

Claims (1)

1251354 十、申請專利範圍： 1. 一種奈米碳管太陽能發電模組，包含·· - 一第一導電層，至少部份透光，用以接收電子或電洞並輸 • 出； 一第二導電層，用以接收電子或電洞並輸出；及 一混合層，用以提供並傳導電子與電洞，介於該第一導電 層與該第二導電層之間，包含： • 一高分子聚合物，由該第一導電層所透過之光照射後 提供電子；及 複數條奈米碳管，連接於該第一導電層或該第二導電 層，用以傳導該電子至該第一導電層或該第二導電層。 2. 如申請專利範圍第1項所述之奈米碳管太陽能發電模組，其中 該第一導電層包含用以形成奈米碳管之觸媒時，複數條N型 奈米碳管形成於該第一導電層上。 • 3.如申請專利範圍第2項所述之奈米碳管太陽能發電模組，其中 該用以形成奈米碳管之觸媒係選自由鐵、銘、錄、始、纪及銀 所構成之群組之其中之一。 . 4.如申請專利範圍第1項所述之奈米碳管太陽能發電模組，其中 該第二導電層包含用以形成奈米碳管之觸媒時，複數條N型 鲁 奈米碳管形成於該第二導電層上。 5.如申請專利範圍第4項所述之奈米碳管太陽能發電模組，其中 該用以形成奈米破管之觸媒係選自由鐵、始、鎳、麵、趣及銀 15 1251354 所構成之群組之其中之一。 6·如申請專利範圍第1項所述之奈米碳管太陽能發電模組，其中 - 忒第一導電層由一薄膜金屬或一金屬氧化物所組成。 • 7.如申请專利範圍第6項所述之奈米碳管太陽能發電模組，其中 該金屬氧化物係選自由氧化銦、氧化錫及氧化銦锡所構成之群 組之其中之一 D 8_如申請專利範圍第6項所述之奈米碳管太陽能發電模組，其中 鲁5亥溥膜金屬為金或銀。 9·如申請專利範圍第1項所述之奈米碳管太陽能發電模組，其中 該高分子聚合物為一P型聚苯基乙烯基化合物。 10·如申請專利範圍第9項所述之奈米碳管太陽能發電模組，其中 δ亥來本基乙知基化合物為一聚己吩 (p〇ly_3(hexylthiophene)，P3HT)材料或一 PTCBI( perylenetetracarboxylic_bis-benzimidazole)材料。 • Π·如申請專利範圍第1項所述之奈米碳管太陽能發電模組，其中 該第一導電層外更包含一透明保護層。 12·如申請專利範圍第η項所述之奈米碳管太陽能發電模組，其 ， 中该透明保護層為一玻璃。 • η·如申請專利範圍第1項所述之奈米碳管太陽能發電模組，其中 该第二導電層更由一基板所支撐。 14.如申請專利範圍第13項所述之奈米碳管太陽能發電模組，其 中这基板係選自由一可撓式基板、金屬基板及矽基板所構成群 16 1251354 組之其中之一。 15. 如申請專利範圍第1項所述之奈米碳管太陽能發電模組，其中 該奈米碳管係選自由一單壁奈米碳管、一多壁奈米碳管以及碳 纖維結構所構成的群組之其中之一。 16. 如申請專利範圍第1項所述之奈米碳管太陽能發電模組，其中 該奈米碳管為一N型奈米碳管。

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