TWI463679B - Double - sided solar cell transparent board structure - Google Patents

Description

雙面太陽能電池透明板結構

本發明係有關一種太陽能電池板結構，特別是指一種雙面太陽能電池透明板結構。

隨著能源需求的增加與全球暖化問題的浮現，標榜兼具永續性與環保的替代性能源-包含風力、水力、生質能、地熱、海水潮汐及太陽能等，於最近幾年來備受重視，並積極開發此等能量轉換技術與應用。而太陽能電池可以直接將太陽光能轉換成電能使用，且不需要額外的機械裝置，因此最廣受矚目。

若以材料的類型進行分類，太陽能電池可分為單晶矽、多晶矽、非晶矽及有機太陽能電池。單晶矽太陽能電池雖然具有高達25%的轉換效率與高穩定度，但是較高的價格成為普及化的障礙，而具較低成本的有機太陽能電池-染料敏化太陽能電池逐漸受到重視。一般的有機染料光敏化太陽能電池10之結構係如第1圖所示之三明治結構，其包含有上基板12、電解質層14與下基板16。上基板12又稱為工作電極，其上形成有一透明導電膜18，透明導電膜18表面塗佈有一半導體光敏化層20。光源一般都是從上基板12進入，當光源入射量越大，其功率轉換能量越大，所以習知技術會於上基板12上方鍍上一抗反射層22(AR coat)，以提高光入射量，減少上基板12的散射與折射率的損失，但此結構之入光面皆從單面入射，因此接受光源面積大大受到限制，造成吸收太陽光能力不足，與空間利用上的限制。

再者，建築整合型態陽光電系統(BIPV)是目前相當提倡的綠色建築，但現有陽光電部分係採用單價較高的單晶矽太陽能電池，鑑此，如何將具較低成本之有機染料光敏化太陽能電池結合於此系統，以有效提高綠色建築的普及性，增進永續性與環保的替代性能源的使用率，也成為一個重要的課題。

有鑑於此，本發明遂針對上述習知技術之缺失，提出一種雙面太陽能電池透明板結構，以有效克服上述之該等問題。

本發明之主要目的在提供一種雙面太陽能電池透明板結構，其可以接收雙面入射光，在同樣的單位面積下，能有效地將光電轉換效率提高到兩倍以上的效能，同時強化整個染料光敏化太陽能電池應用於節能智慧型窗戶時的整體厚度，並增加機械強度與抗水氣、抗紫外線，達到結能省電又發電的效果。

本發明之又一目的在提供一種雙面太陽能電池透明板結構，其能降低建築整合型態陽光電系統(BIPV)所需的成本。

為達上述之目的，本發明提供一種雙面太陽能電池透明板結構，其包含有一雙面導電基板；二透明導電基板，其係將雙面導電基板夾持於中間；以及一第一、第二光電轉換單元，其係分設於透明導電基板與中間雙面導電基板間，第一、第二光電轉換單元各包含有一半導體光敏化層，其係塗設於透明導電基板朝向雙面導電基板之側面上；一設於雙面導電基板上的觸媒電極層；以及一夾持於半導體光敏化層與觸媒電極層間的電解質層。

本發明尚提供另一種雙面太陽能電池透明板結構，其包含有一雙面導電基板；一上、下透明導電基板，其係將雙面導電基板夾持於中間；一設於上透明導電基板與雙面導電基板間的光電轉換單元；一設於雙面導電基板朝向下透明導電基板之側面上的第二觸媒電極層；以及一位於下透明導電基板與第二觸媒電極層間的複合膜層。而光電轉換單元包含有一塗設於上透明導電基板朝向雙面導電基板之側面上的半導體光敏化層；一設於雙面導電基板朝向上透明導電基板之側面上的第一觸媒電極層；以及一夾持於半導體光敏化層與第一觸媒電極層間的電解質。

底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。

首先請參閱第2圖，其係本發明之雙面太陽能電池透明板結構的第一具體實施例示意圖。如圖所示，本發明之雙面太陽能電池透明板結構30包含有：一雙面導電基板32；二透明導電基板34、34’，其係將雙面導電基板32夾持於中間，透明導電基板34、34’之外側設置有一抗反射層與抗紫外線層36、36’；以及一上、下光電轉換單元38、38’，其係分設於透明導電基板34、34’與雙面導電基板32間。

上、下光電轉換單元38、38’各包含有：一半導體光敏化層40、40’，其係塗設於透明導電基板34、34’朝向該雙面導電基板32之側面上，其中半導體光敏化層40、40’包含有數個表面具有數個多孔性質之半導體奈米粒子41與數個與半導體奈米粒子形成化學鍵結的染料分子43，其可具有不同的吸收光波段；一設於雙面導電基板32上的觸媒電極層42、42’；以及一夾持於半導體光敏化層40、40’與觸媒電極層42、42’間的電解質層44、44’，其間隙各為10~100微米。

上述之透明導電基板34、34’係由一透明基板46、46’；以及一位於透明基板46、46’上的導電薄膜層48、48’所構成，其中透明基板46、46’之厚度為0.1～10釐米(mm)且材質為聚對苯二甲酸乙二酯(polyethylene terephthalate,PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(Polyethylene Naphthalate,PEN)、具碳酸酯(polycarbonate,PC)、聚丙烯(polypropylene,PP)、聚亞醯胺(polyimide,PZ)、三醋酸纖維素(tri-acetyl cellulose,TAC)或聚環烯烴高分子(cycloolefin polymer,COP)或者透明玻璃或石英的材質。而導電薄膜層48、48’之厚度為1～1000奈米(nm)，材質為氧化銦錫(Indium tin oxide,ITO)、氟錫氧化物(Fluorine tin oxide,FTO)、氧化鋅-三氧化二鎵(ZnO-Ga₂ O₃ )、氧化鋅-氧化鋁(ZnO-Al₂ O₃ )或氧化砷-氧化銻(SnO₂ -Sb₂ O₃ )，或是電傳導高分子聚合物，如聚伸乙基二氧賽吩(PEDT)。

而染料分子43之選擇可以是釕(ruthenium)金屬錯合物染劑或者有機系列，例如香豆素染料或引朵(indoline)染料、葉綠素染料、花青素染料或天然植物萃取染劑等染料。電解質層44、44’之選擇可以為碘、碘化鉀、碘化鋰、第三丁基砒啶、離子液體、乙醇、戊晴、乙晴或甲氧基丙晴(MPN)之液態電解液，當然也可以是膠態電解液或者固態電解液。

此外，雙面導電基板32與透明導電基板34、34’上形成有電極結構50，以進行電性連接。

請參閱第3圖，其係本發明之雙面太陽能電池透明板結構的第二具體實施例示意圖。如圖所示，本發明之雙面太陽能電池透明板結構60包含有一雙面導電基板62；一上、下透明導電基板64、64’，其係將雙面導電基板62夾持於中間，上、下透明導電基板64、64’之外側設置有一抗反射層和抗紫外線層66、66’；一設於上透明導電基板64與雙面導電基板62間的光電轉換單元68；一第二觸媒電極層70，其係設於雙面導電基板62朝向下透明導電基板64’之側面上；以及一位於下透明導電基板64’與第二觸媒電極層70間的複合膜層72，其與雙面導電基板62、第二觸媒電極層70以及下透明導電基板64’構成一有機太陽電池。因此本實施例係構成一結合染料光敏化太陽能電池與有機太陽電池之雙面太陽能電池透明板結構。

上述之光電轉換單元68包含有一半導體光敏化層74，其係塗設於上透明導電基板64朝向雙面導電基板62之側面上；一第一觸媒電極層76，其係設於雙面導電基板62朝向上透明導電基板64之側面上；以及一夾持於半導體光敏化層74與第一觸媒電極層76間的電解質層78。

此外，第二具體實施例之透明導電基板的結構與材質的選用係可如第一具體實施例所述。半導體光敏化層之染料分子與電解質層的選擇也同樣可如第一具體實施例所示。

本發明之雙面太陽能電池透明板結構，除可以接收雙面入射光，提高單位面積下光電轉換效率，並同時強化了染料光敏化太陽能電池應用於雙面受光太陽能透明板結構時整體的厚度，增加機械強度與阻抗水氣、抗紫外線，達到節能省電又發電的效果。

請參閱第4圖，如圖所示本發明之雙面受光太陽能透明板結構30、60能與窗戶之框架80組合，以裝設於建築物上構成綠色建築。

綜上所述，本發明提出一種嶄新的雙面太陽能電池透明板結構，其具有雙面受光的特性，提高了太陽能電池單位面積上的使用效率，此外，更強化整個染料光敏化太陽能電池應用於雙面受光太陽能透明板結構時整體的厚度，增加機械強度與抗水氣、抗紫外線，並降低習知使用單晶矽太陽能電池之建築整合型態陽光電系統(BIPV)所需的成本。

唯以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍。故即凡依本發明申請範圍所述之特徵及精神所為之均等變化或修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

10．．．有機染料光敏化太陽能電池

12．．．上基板

14．．．電解質層

16．．．下基板

18．．．透明導電膜

20．．．半導體光敏化層

22．．．抗反射層

30．．．雙面太陽能電池透明板結構

32．．．雙面導電基板

34、34’．．．透明導電基板

36、36’．．．抗反射層與抗紫外線層

38．．．上光電轉換單元

38’．．．下光電轉換單元

40、40’．．．半導體光敏化層

41．．．半導體奈米粒子

42、42’．．．觸媒電極層

43．．．染料分子

44、44’．．．電解質層

46、46’．．．透明基板

48、48’．．．導電薄膜層

50．．．電極結構

60．．．雙面太陽能電池透明板結構

62．．．雙面導電基板

64．．．上透明導電基板

64’．．．下透明導電基板

66、66’．．．抗反射層與抗紫外線層

68．．．光電轉換單元

70．．．第二觸媒電極層

72．．．複合膜層

74．．．半導體光敏化層

76．．．第一觸媒電極層

78．．．電解質層

80．．．框架

第1圖係習知有機染料光敏化太陽能電池之結構示意圖。

第2圖係本發明之雙面太陽能電池透明板結構的第一具體實施例示意圖。

第3圖係本發明之雙面受光太陽能透明板結構的第二具體實施例示意圖。

第4圖係本發明之雙面太陽能電池透明板結構與窗戶之框架組合後的示意圖。

30．．．雙面太陽能電池透明板結構

32．．．雙面透明導電基板

34、34’．．．透明導電基板

36、36’．．．抗反射層和抗紫外線層

38．．．上光電轉換單元

38’．．．下光電轉換單元

40、40’．．．半導體光敏化層

41．．．半導體奈米粒子

42、42’．．．觸媒電極層

43．．．染料分子

44、44’．．．電解質層

46、46’．．．透明基板

48、48’．．．導電薄膜層

50．．．電極結構

Claims (10)

1. 一種雙面太陽能電池透明板結構，其包含有：一雙面導電基板；一上、下透明導電基板，其係將該雙面導電基板夾持於中間，且該雙面導電基板與透明導電基板上形成有電極結構，以進行電性連接；一第一光電轉換單元，其係設於該上透明導電基板與該雙面導電基板間，該第一光電轉換單元包含有：一第一半導體光敏化層，其係塗設於該上透明導電基板朝向該雙面導電基板之側面上，且該第一半導體光敏化層包含有數個表面具有數個孔隙之一第一半導體奈米粒子與數個與該第一半導體奈米粒子形成化學鍵結一第一染料分子；一第一觸媒電極層，其係設於該雙面導電基板朝向該上透明導電基板之側面上；以及一第一電解質層，其係夾持於該第一半導體光敏化層與該第一觸媒電極層間；以及一第二光電轉換單元，其係設於該下透明導電基板與該雙面導電基板間，該第二光電轉換單元與該第一光電轉換單元構成雙面受光之光電轉換結構，該第二光電轉換單元包含有：一第二觸媒電極層，其係設於該雙面導電基板朝向該下透明導電基板之側面上；以及一複合膜層，其係位於該下透明導電基板與該第二觸媒電極層間，以作為一有機太陽能電池； 其中，該雙面導電基板與該上、下透明導電基板係往外延伸而超出該第一光電轉換單元和該第二光電轉換單元，且該電極結構係設置於該雙面導電基板與該上、下透明導電基板往外之延伸端而未與該第一光電轉換單元和該第二光電轉換單元相鄰。
2. 如申請專利範圍第1項所述之雙面太陽能電池透明板結構，其中該上、下透明導電基板之外側設置有一抗反射層與抗紫外線層。
3. 如申請專利範圍第2項所述之雙面太陽能電池透明板結構，其中該透明導電基板更包含有：一透明基板；以及一位於該透明基板上的導電薄膜層。
4. 如申請專利範圍第3項所述之雙面太陽能電池透明板結構，其中該透明基板之材質為聚對苯二甲酸乙二酯(polyethylene terephthalate,PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(Polyethylene Naphthalate,PEN)、具碳酸酯(polycarbonate,PC)、聚丙烯(polypropylene,PP)、聚亞醯胺(polyimide,PZ)、三醋酸纖維素(tri-acetyl cellulose,TAC)、聚環烯烴高分子(cycloolefin polymer,COP)、透明玻璃或石英，且該透明基板之厚度為0.1~10釐米(mm)。
5. 如申請專利範圍第3項所述之雙面太陽能電池透明板結構，其中該導電薄膜層之材質為氧化銦錫(Indium tin oxide,ITO)、氟錫氧化物(Fluorine tin oxide,FTO)、氧化鋅-三氧化二鎵(ZnO-Ga₂ O₃ )、氧化鋅-氧化鋁(ZnO-Al₂ O₃ )或氧化砷-氧化銻(SnO₂ -Sb₂ O₃ )，或是電傳導高分子聚合物，如聚伸乙基二氧賽吩(PEDT)，且該導電薄膜層之厚度為1~1000 奈米(nm)。
6. 如申請專利範圍第1項所述之雙面太陽能電池透明板結構，其係與窗戶之框架組合，以裝設於建築物上。
7. 如申請專利範圍第1項所述之雙面太陽能電池透明板結構，其中該複合膜層更包含有：一第二半導體光敏化層，其係塗設於該下透明導電基板朝向該雙面導電基板之側面上；以及一第二電解質層，其係夾持於該第二半導體光敏化層與該第二觸媒電極層間。
8. 如申請專利範圍第7項所述之雙面太陽能電池透明板結構，其中該第一電解質層和該第二電解質層為液態電解液，如碘、碘化鉀、碘化鋰、第三丁基砒啶、離子液體、乙醇、乙晴或甲氧基丙晴，也可以成為膠態電解液、固態電解液，且該第一電解質層與第二電解質層間隙各為10~100微米。
9. 如申請專利範圍第7項所述之雙面太陽能電池透明板結構，其中該第二半導體光敏化層包含有數個表面具有數個孔隙之一第二半導體奈米粒子與數個與該第二半導體奈米粒子形成化學鍵結一第二染料分子。
10. 如申請專利範圍第9項所述之雙面太陽能電池透明板結構，其中該第一染料分子和該第二染料分子是釕(ruthenium)金屬錯合物染劑或者有機系列，例如香豆素染料、引朵(indoline)染料、葉綠素染料、花青素染料或天然植物萃取染劑等。