TWI559561B - 陣列式靜電紡絲技術應用於染料敏化太陽能電池 - Google Patents

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Description

陣列式靜電紡絲技術應用於染料敏化太陽能電池
本發明揭示一種製備用於染料敏化太陽能電池之電極的方法。
由於染料敏化太陽能電池(dye sensitized solar cell)具有製程簡易、易量產、材料不貴等優點，近來已被視為新世代太陽能電池，並且近年來光電轉換效率已提高到11.18%，成本約為傳統矽基材太陽電池的1/5~1/10。又因為染料敏化太陽能電池不受日照角度的影響，所以吸收陽光時間長，因此在相同時間的發電量甚至優於矽晶太陽能電池。
染料敏化太陽能電池光陽極主要是利用二氧化鈦具有吸收紫外線的特性，將二氧化鈦粉末塗佈在導電玻璃上，經燒結成二氧化鈦層，以二氧化鈦層吸收紫外線轉化成電子，由導電玻璃將電子傳至電池系統而形成電能；又因二氧化鈦只吸收紫外線，但紫外線只佔太陽光所有光能的0.3%，為提高太陽能的利用率，故在二氧化鈦層上塗佈可吸收可見光的特殊染料，當染料吸收可見光後激化，激化的染料釋出電子於二氧化鈦而自身回到基態，以提高電能的產出。由於電子需要通過這麼長的路徑，加上電子通過層與層之間是以跳躍的方式來前進，因此層與層之間的緊密性便會影響到電子移動的速率，進而影響整個電池的效率。
另一方面，染料敏化太陽能電池對電極(陰極)在染料敏化二氧化鈦太陽能電池中須快速還原電解液之氧化劑以有效進行染料氧化鈦的還原反應，因此需要有效的觸媒。目前以白金觸媒為最廣泛，但其性能(例如動力學常數、化學穩定度與覆著穩定度等)因製作方法不同而差異甚大。因為白金材料非常昂貴，所以近年來一直研究對電極的替代材料，雖然效率都無法比白金高，但是可以利用和白金混合使用達到減少白金用量的目的，進而降低成本，其中較多學者研究的就是碳黑和導電高分子聚苯胺。
為了符合染料敏化太陽能電池的性能，染料敏化太陽能電池光陽極膜及對電極膜需要符合特定要求，例如厚度均勻度佳、附著性強、成膜性好等要求。現有的染料敏化太陽能電池光陽極二氧化鈦膜和白金或碳黑對電極膜的製造方法大多為使用旋轉塗佈法、電泳法、網版印刷法以及刮刀成膜法來製膜，然後再燒結形成二氧化鈦光陽極及白金/碳黑對電極。然而，上述的習知技術很難滿足上述要求，例如藉由網版印刷法所製備的二氧化鈦膜與基材的附著性不佳，容易脫落。此外，上述習知技術中，除了網版印刷法外，其餘皆不適合用於大面積量產化的製程，但是網版印刷法的成本太高，不符合經濟效益。
靜電紡絲製程是利用正負電極間之電場驅動力，可紡出奈米級之纖維，其原料用量相對較低，一般用10至50 kV之電壓，將電荷從聚合物液滴之內部拉到表面，使表面電荷互相排斥。當液滴表面積聚之電荷電壓超過一定值，則可克服液體凝聚的表面張力，電場牽引驅動流體使其通過紡絲嘴，而達另一電極收集筒表面，調整製程變數可使液滴變成快速成長的聚合物噴射，並經由緊密的迴路螺旋路徑，將寬度收縮至奈米大小，交織的纖維可視為電紡絲薄膜層。影響靜電紡絲纖維性能的主要參數有：聚合物濃度、製程電壓、固化距離(噴嘴到接絲裝置距離)、溶劑揮發性和電紡液擠出速度等。聚合物濃度愈高，粘度與表面張力愈大，離開噴嘴後液滴的***能力則愈弱，纖維的直徑也愈大。製程電壓增大，液滴的***能力增強，所得纖維變細。聚合物液滴經噴嘴噴出後，溶劑揮發時，聚合物固化成纖維，固化距離對纖維直徑的影響因設備不同而有差異。
利用此靜電紡絲原理，除了可以製作二氧化鈦光陽極，也可以運用於製作對電極的成膜、膠態電解液成膜、染料的上色，讓整個染料敏化太陽能電池的製程可以全部用靜電紡絲技術完成。
然而，單純的靜電紡絲方法可能會有孔洞數偏多，且排列不緊密的問題，所以還需要一種新穎的染料敏化太陽能電池的電極製備方法，以製備出導電度佳、孔洞數少且排列緊密的纖維膜。
因此，目前仍有需要一種可以製備性能佳的染料敏化太陽能電池電極的製造方法，並且在工業上可以進行快速的連續製程，解決大面積商業化方面的問題。
本發明之目的係利用陣列式靜電紡絲技術(W. E. Teo at al.: Mohamed B. Bazbouz and George K. Stylios；W.E. Teo and S. Ramakrishna)製備用於染料敏化太陽能電池之陽電極與對電極。
本發明一方面提供一種製備用於染料敏化太陽能電池之光陽極的方法，其包含下列步驟：(1-1)　配製二氧化鈦膠體；(1-2)　以陣列式靜電紡絲方式電紡該二氧化鈦膠體於一基板上，其中該基板係放置於兩片等電壓的收集板上，以便於該基板上形成二氧化鈦纖維膜；及(1-3)　燒結步驟(1-2)所得到的二氧化鈦纖維膜，得到二氧化鈦光陽極。
本發明之另一方面提供一種製備用於染料敏化太陽能電池之白金對電極的方法，其包含下列步驟：(2-1)　配製白金對電極電紡液；(2-2)　以陣列式靜電紡絲方式電紡該白金對電極電紡液於一基板上，其中該基板係放置於兩片等電壓的收集板上，以便於該基板上形成白金對電極纖維膜；及(2-3)　燒結步驟(2-2)所得到的白金對電極纖維膜，以得到白金對電極。
本發明之又一方面提供一種製備用於染料敏化太陽能電池之碳黑對電極的方法，其包含下列步驟：(3-1)　配製碳黑對電極電紡液；(3-2)　以陣列式靜電紡絲方式電紡該碳黑對電極電紡液於一基板上，其中該基板係放置於兩片等電壓的收集板上，以便於該基板上形成碳黑對電極纖維膜；及(3-3)　燒結步驟(3-2)所得到的碳黑對電極纖維膜，以得到碳黑對電極。
本發明已成功利用陣列式靜電紡絲技術製備二氧化鈦陽極纖維膜，使其效率與刮刀法差異不大。此外，本發明也成功地把陣列式電紡製程應用於對電極的製備上，其效率與刮刀法相近，非常有助於染料敏化太陽能電池大面積量產化的製程。
本發明利用靜電紡絲中的陣列紡絲技術，利用收集基板的電場控制其排列方向，而順向度通常跟導電度是息息相關的，排列整齊的纖維膜應該會比雜亂排列的纖維膜容易傳導電子，應用在一維材料上應該會更明顯，所以本發明之陣列式靜電紡絲技術使用兩個等電壓的負極，導致纖維因為兩個相同大小的電場吸引力而被拉伸，規則平躺在兩負極之間，所以只需在負極收集板上放上我們所要塗佈纖維的基板，就可以讓纖維平行排列於基板上，其原理如圖1(Dan Li and Yuliang Wang;W.E. Teo and S. Ramakrishna)所示，其中針筒與收集板為垂直式，因針筒銜接高壓電而帶有正電荷，平行收集板因銜接負極而帶有負電荷，由於電荷相吸相斥作用，導致纖維噴灑於收集板上。舉例而言，可使用兩片帶負電壓的收集板，使纖維排列於兩收集板之間，讓纖維排列更趨於整齊，讓電流傳遞更容易，也因整齊排列可以使緊密度增加，進而提升單位面積下的光電轉換效率。圖2(W. E. Teo at al.;Dan Li and Yuliang Wang)顯示經普通式靜電電紡技術及陣列式靜電電紡技術所製備二氧化鈦光陽極纖維膜之掃瞄式電子顯微鏡(SEM)圖，明顯地，利用陣列式靜電電紡技術所得到之纖維膜具有規則性，均勻性較佳，且膜與膜之間的緊密度良好。
本發明利用陣列式靜電紡絲技術製作電極膜使光電效率更加提升，所製備的陣列式薄膜具有規則性，均勻性較佳，且膜與膜之間的緊密度良好，可有效縮短電子路徑，因而可大幅提升染料敏化太陽能電池的效率，並且適用於大面積量產化的製程，其成本也比網印法製程低。
詳言之，根據本發明之第一實施態樣，本發明提供一種製備用於染料敏化太陽能電池之光陽極的方法，包含下列步驟：(1-1)　配製二氧化鈦膠體，該膠體包含：奈米級型態的二氧化鈦；用以協助成膜的高分子聚合物；溶劑；及視需要加入的分散劑；(1-2)　以陣列式靜電紡絲方式電紡該二氧化鈦膠體於一基板上，其中該基板係放置於兩片等電壓的收集板上，以便於該基板上形成二氧化鈦纖維膜；及(1-3)　燒結步驟(1-2)所得到的二氧化鈦纖維膜，得到二氧化鈦光陽極。
我們發現近年來已經有很多人嘗試把二氧化鈦前驅物配成電紡液，在基板上形成一層不織布狀的奈米二氧化鈦纖維膜，但是二氧化鈦前驅物本身容易水解，電紡過程中控制不易，且從二氧化鈦前驅物電紡出來的二氧化鈦光陽極無法用水熱法處理，造成電紡出來的二氧化鈦達不到較佳的結晶度和粒徑，所以只能當成二氧化鈦光陽極的大顆粒散射層使用。
本發明直接利用已達高效率條件的二氧化鈦奈米粒配成電紡液，配合陣列式靜電紡絲技術製作二氧化鈦奈米纖維膜。適用於本發明之二氧化鈦型態包括但不限於二氧化鈦奈米管、二氧化鈦奈米線、二氧化鈦奈米棒、二氧化鈦奈米帶、二氧化鈦花椰菜結構及二氧化鈦奈米DNA結構等。
電紡二氧化鈦前驅物只能燒結形成50 nm左右的二氧化鈦奈米粒，但是利用本發明的方法可以自由地改變二氧化鈦的物性，配合電紡液中高分子的拉伸力，再利用靜電紡絲技術使其成纖維排列，並以不織布的型態塗佈於基板上。
電紡液的配製必須要有高分子當拉伸的基質，而二氧化鈦薄膜在製作過程中也需加入高分子提升它的成膜性且燒結後殘留的位置可形成孔洞。孔洞對於染料的吸附和電解液的滲透性都有助益，聚乙二醇(Polyethylene Glycol,PEG)是刮刀法塗膜常用的高分子。
根據本發明，電紡要抽成纖維狀需要一定的黏度，因此配製本發明之二氧化鈦膠體、可加入協助成膜之高分子聚合物，較佳係使用聚氧乙烯(polyethylene oxide,PEO)。
上述製造方法更可包含下列步驟：配製染料溶液，接著可利用浸泡的方式將二氧化鈦光陽極上色，一般而言，需浸泡8小時以上的染色時間；或者利用電噴灑的方式讓染料溶液將二氧化鈦光陽極上色，此步驟是將二氧化鈦膜放置於收集器端，再使用靜電紡絲設備將染料溶液電噴於二氧化鈦膜上。利用電噴方式只需約1小時就可以完成上色，相較於浸泡式的方法，電噴染料節省很多時間。此外，由於浸泡染料至少需要8小時且染液重複使用之效果不佳，不但增加電池之生產成本甚多且衍生廢水排放的困擾。而電紡最多只需一小時，大幅縮短生產時間並提高整體製程自動化的效率，而且產生染料殘液較少，對染料敏化太陽能電池品質穩定性的提升生產成本的降低均甚有助益。
詳言之，根據本發明之第二實施態樣，本發明提供一種製備用於染料敏化太陽能電池之白金對電極的方法，包含下列步驟：(2-1)　配製白金對電極電紡液，該白金對電極電紡液包含氯鉑酸(H2PtCl6‧6H2O)；用以協助成膜之高分子聚合物；溶劑；及視需要加入的分散劑；(2-2)　以陣列式靜電紡絲方式電紡該白金對電極電紡液於一基板上，其中該基板係放置於兩片等電壓的收集板上，以便於該基板上形成白金對電極纖維膜；及(2-3)　燒結步驟(2-2)所得到的白金對電極纖維膜，以得到白金對電極。
配製本發明之白金對電極電紡液時，可摻雜碳黑以提高纖維膜與基板的緊密性，並利用碳黑良好的導電性和高的比表面積，來提高電解液的接觸面積，同時也降低氯鉑酸的使用量，以降低成本。
配製本發明之白金對電極電紡液時，可加入協助成膜之高分子聚合物，較佳係使用聚氧乙烯。
有鑑於運用於不耐高溫的基板甚至紡織品，可利用低溫製備的方法製備白金對電極。目前一般係利用還原劑NaBH4來還原白金，此時只需經過110-130℃處理，較佳為120℃。
因此，本發明可視需要在執行上述步驟(2-3)之前，先配製硼氫化鈉(NaBH4)電紡液(主要成分為硼氫化鈉和水)，再以陣列式靜電紡絲方式電紡該硼氫化鈉電紡液於上述步驟(2-2)所得到之白金對電極纖維膜之上，接著以110至130℃之溫度燒結11至13小時之條件執行步驟(2-3)。
另，本發明亦可視需要在執行步驟(2-3)之前，先配製硼氫化鈉(NaBH4)電紡液(主要成分為硼氫化鈉和水)，再以110至130℃之溫度燒結11至13小時之條件執行步驟(2-3)，接著將步驟(2-3)所得到之白金對電極浸泡於該硼氫化鈉電紡液中2至4小時。
詳言之，根據本發明之第三實施態樣，本發明提供一種製備用於染料敏化太陽能電池之碳黑對電極的方法，包含下列步驟：(3-1)　配製碳黑對電極電紡液，該碳黑對電極電紡液包含碳黑；二氧化鈦前驅物漿料；用以協助成膜之高分子聚合物；溶劑；及視需要加入的分散劑(3-2)　以陣列式靜電紡絲方式電紡該碳黑對電極電紡液於一基板上，其中該基板係放置於兩片等電壓的收集板上，以便於該基板上形成碳黑對電極纖維膜；及(3-3)　燒結步驟(3-2)所得到的碳黑對電極纖維膜，以得到碳黑對電極。
本發明中所使用之二氧化鈦前驅物漿料包含異丙基氧化鈦及醋酸。
配製本發明之碳黑對電極電紡液時，可加入協助成膜之高分子聚合物，較佳係使用聚氧乙烯。
配製本發明之二氧化鈦膠體、白金對電極電紡液及碳黑對電極電紡液時，所使用之溶劑包括但不限於水、乙醇、異丙醇或彼等之類似物或其組合。
為了使電紡出來的纖維膜非常均勻，可視需要加入分散劑於本發明之二氧化鈦膠體、白金對電極電紡液及碳黑對電極電紡液中。本發明所使用之分散劑包括但不限於乙醯丙酮酸酯(Acetylacetone,ACAC)、辛基酚聚乙醇醚(polyoxyethylene octyl phenyl ether,Triton X-100)或其組合。
本發明之陣列式靜電電紡製程電壓可為4至10 kV，電紡製程中所使用之針筒流速為0.5至1 mL/hr。
根據本發明之另一實施態樣，將染色的陽極和貼有絕緣膠帶限定面積的對電極，以三明治結構夾在一起，並以針筒灌入電解液，即可完成染料敏化太陽能電池的組裝。
本發明可以若干形式及方式實現，在下文中所提供之描述展示本發明之示範實施例，唯該等實施例非用以限制本發明，任何熟悉此項技藝之人士可輕易達成之修飾及改變均為本發明之範疇。
以上之相關發明之實施，我們將以下列之具體實施例說明。
根據太陽能電池的電流-電壓特性曲線(I-V curve)，可得知其光電特性，例如開環電壓(Voc)、短路電流(Isc)、填充因子(fill factor,FF)及光電轉換效率(η)。
此處所稱之「開環電壓(Voc)」係指太陽能電池在負載無限大的狀況下(R趨近於∞)，即外部電流斷路時所量到電壓，他是光電池所能產生之最大電壓。一般而言，太陽能電池的開環電壓越大越好。
此處所稱之「短路電流(Isc)」係指太陽能電池在無負荷狀態下(R=0)，即外部電路短路時的輸出電流，他是光電池所能產生之最大光電流。在理想狀態下，太陽能電池的短路電流即等於照光時所產生的電流。一般而言，太陽能電池的短路電流越大越好。將該短路電流除以面積，便得到短路電流密度(short-circuit photocurrent density,Jsc)。
此處所稱之「填充因子(FF)」係指在照光下的I-V特性曲線中，任何一個工作點的輸出功率密度等於該點所對應的電流密度、電壓的乘積，其中有一個工作點(Vmax、Imax)的輸出功率密度Pmax最大。最大輸出功率密度與Jsc、Voc乘積比，定義為填充因子FF。對於一個好的太陽電池而言，除了Jsc、Voc要高，填充因子要越接近1越好，實際上FF小於1。FF是沒有單位的一個數值。
此處所稱之「光電轉換效率(η)」係指最能呈現太陽能電池表現的數值，定義為太陽電池之最大輸出功率(Pmax)與入射光功率(Pin)的比值。
製備二氧化鈦之光陽極 實例1 1.1　傳統製程(刮刀法)製備二氧化鈦光陽極
用微量天平秤取0.45克的奈米級二氧化鈦結晶型粉末放入研缽中，加入0.025 mL的Triton X-100和0.05 mL的乙醯丙酮酸酯(Acetylacetone,ACAC)，再加入3 mL純水，最後加入0.45克的聚乙二醇(Polyethylene Glycol,PEG)反覆研磨，直到獲得近似凝膠狀之均勻膠體即可，接著以去離子水、乙醇在震盪槽中清洗鈦基板，把3M膠帶切割出面積0.7*0.7的孔洞平方公分，再將其貼在之清洗過後烘乾的乾淨鈦基板，再加入二氧化鈦膠體於孔洞中，並以刮刀法均勻塗佈。等自然烘乾後，再以50℃/30分鐘的升溫速率，升到450℃燒結1小時，取出後把二氧化鈦面積刮成0.5*0.5平方公分，完成刮刀法二氧化鈦光陽極。
1.2　二氧化鈦奈米凝膠電紡液的製備
用微量天平秤取1.5克的奈米級TiO2結晶型粉末放入研缽中，再加入9 mL乙醇以、3 mL純水及1 mL醋酸，最後加入0.15克的PEO攪拌1天，直到獲得近似凝膠狀之均勻膠體即可。
1.3　普通式靜電紡絲
把步驟1.2所配製之奈米凝膠電紡液注入針筒裡，針筒幫浦流速調為0.5~1 mL/1h，電壓4~10 kV，針頭到收集板的距離為5~10公分，收集板上放上我們想要塗佈的乾淨基板，之後浸泡保護模10秒，(保護膜配法為：8M醋酸100 mL加入11.4克的異丙基氧化鈦，攪拌1天)，塗佈完畢後以50℃/30分鐘的升溫速率，升到450℃燒結2小時，取出後把二氧化鈦面積刮成0.5*0.5平方公分，完成靜電紡絲製備的二氧化鈦光陽極。
1.4　陣列式靜電紡絲
使用步驟1.2所配製的奈米凝膠電紡液，使用的電壓為4~10 kV，蠕動幫浦的流速0.4~1 mL/hr，收集板與注射針頭間的距離為5~10 cm。之後浸泡保護模10秒(保護膜配法為：8M醋酸100 mL加入11.4克的異丙基氧化鈦，攪拌1天)，噴塗完畢後以50℃/30分鐘的升溫速率，升到450℃燒結2小時，取出後把二氧化鈦面積刮成0.5*0.5平方公分，完成陣列式靜電紡絲製備的二氧化鈦光陽極。
表1列出實例1中以不同製備方式所製備得到之光陽極之光電效率比較結果。電紡的電流值都比塗佈高一點，但是FF值都偏低，原因可能是纖維跟基板的接觸並不好，導致暗電流太多，而陣列式的效率也比普通式來的高，很明顯的是因為電流值較高的關係，這也符合我們的預測，規則排列可以引導出更多的電子。雖然整個膜可以有很好的電子傳遞特性，但是整個膜跟基板本身的緊密度不夠，這也是近年來學者們使用電紡塗佈都會遇到的問題。然而靠著光電流的提升，效率可以達到刮刀法塗佈式的100%，幾乎可以說是一樣，然而電紡還有大面積化、省原料和陽極形狀不受限制等優點，對於量產、商品化和大面積化都比較有潛力。
表1　電紡方式不同之光電效率比較
對電極電紡液的製備與以靜電紡絲製備對電極 實例2 2.1　白金對電極的製備
取0.1克的氯鉑酸溶於2 mL異丙醇以及1 mL水中，加入0.01克高分子PEO，攪拌3小時，利用電紡塗佈於基板上，450℃燒結40分鐘形成Pt對電極。表2顯示利用本發明所得到之白金對電極與傳統塗佈製程所得到之白金對電極之光電效率比較。
表2　塗佈對電極方法不同之光電效率比較(正面照光)
*使用實例1中步驟1.1中所得到之二氧化鈦漿料製備二氧化鈦光陽極於FTO玻璃基板上，並在其上方多塗佈一層大顆粒二氧化鈦散射層
如表2所示，本發明利用靜電紡絲做出來的白金纖維膜，在正面照光的情況下，光電效率效率都和刮刀法做出來的白金對電極差不多，甚至我們可以發現電紡做出來的白金對電極極效率都比刮刀法稍微高一點點，推測原因是電紡出白金纖維有助於順向性排列，加上陣列式電紡技術，使電紡出來的膜更加有順向性，使效率都能比刮刀法來的高一點。另外，我們還試著摻雜碳黑以提高與基板的緊密性並利用其良好的導電性和高的比表面積，來提高電解液的接觸，同時也降低H2PtCl6的使用量，以降低成本。另外，以兩組陣列式H2PtCl6對電極來比較，參雜碳黑的陣列式對電極光電流些許提升，應該是較高的比表面積使電解液和陰極的接觸變容易，使得陰極還原電解液的效果變好。
2.2　碳黑對電極的製備
取0.5克奈米碳黑粒，加入0.15克PEO、0.05 mL的Acetylacetone(ACAC)和0.025 mL的Triton X-100溶於6 mL水與3 mL乙醇中，攪拌1天，最後加入1 mL二氧化鈦前驅物溶液(配法：8M醋酸100 mL加入11.4克的異丙基氧化鈦，攪拌1天)利用電紡噴塗於基板上，450℃燒結1小時形成碳黑對電極。表3顯示利用本發明所得到之碳黑對電極與傳統塗佈製程所得到之白金對電極之光電效率比較。
表3　不同配方之碳黑對電極的光電效率比較
**使用實例1中步驟1.1中所得到之二氧化鈦漿料製備二氧化鈦光陽極於FTO玻璃基板上
碳黑是近年來染料敏化太陽能電池常用的對電極，文獻報導碳黑奈米粒形成的陰極之最高效率已達白金陰極的80%左右，非常有助於降低成本。如表3所示，本發明利用陣列式靜電紡絲技術製備碳黑纖維膜當染料敏化太陽能電池之對電極，效率可接近白金的80%。我們發現，由於加入分散劑，電紡出來的纖維膜非常均勻，此外使用黏著性較強的二氧化鈦前驅物來當黏著劑，但是二氧化鈦前驅物在水中非常容易水解，所以我們使用醋酸來降低其水解速度，也才能和我們含水的電紡液混合而不致於太快水解，而二氧化鈦前驅物經過450℃燒結後會形成銳鈦礦結晶型態，並把碳黑和基板緊緊抓住，使膜變的緊密牢固，效率也接近傳統對電極的80%左右，但是碳黑奈米粒的低成本深深影響著未來市場競爭力，配合靜電紡絲大面積化的優勢，是目前最有希望完全取代白金的陰極材料。
本發明之揭示意欲解釋如何形成及使用各種根據本發明之實施例，而非限制本發明之真正、意欲且恰當之範疇及本發明的精神。以上討論並非意欲為詳盡的或將本發明限制於所揭示之明確形式。鑒於以上教示，修正或變化係可能的。可選擇並描述實施例以提供對本發明之原理及實際應用的最佳說明，且使熟習本項技術者能在各種實施例中利用本發明及具有適合於預期之特定使用的各種變化。當根據經公正、合法且合理授權之廣度來解釋時，所有該等修正及變化在本發明之由所附申請專利範圍及所有其之等效物所界定之範疇內，在專利之此申請案的未決期間可修改該等修正及變化。
參考文獻
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4. Dan Li,Yuliang Wang,Nano Lett.,Vol. 3,No. 8,2003。
圖1為陣列式靜電紡絲纖維成膜示意圖；
圖2顯示(a)普通式及(b)陣列式電紡方法之二氧化鈦光陽極纖維膜掃瞄式電子顯微鏡(SEM)圖；
(無元件符號說明)

Claims (13)

  1. 一種製備用於染料敏化太陽能電池之光陽極的方法，包含下列步驟：(1-1)　配製二氧化鈦膠體，該膠體包含：奈米級型態的二氧化鈦；用以協助成膜的高分子聚合物；溶劑；以及視需要加入的分散劑；(1-2)　以陣列式靜電紡絲方式電紡該二氧化鈦膠體於一基板上，其中該基板係放置於兩片等電壓的收集板上，以便於該基板上形成二氧化鈦纖維膜；及(1-3)　燒結步驟(1-2)所得到的二氧化鈦纖維膜，得到二氧化鈦光陽極。
  2. 如請求項1之方法，其中該奈米級型態的二氧化鈦係為二氧化鈦奈米管、二氧化鈦奈米線、二氧化鈦奈米棒、二氧化鈦奈米帶、二氧化鈦花椰菜結構或二氧化鈦奈米DNA結構。
  3. 一種製備用於染料敏化太陽能電池之白金對電極的方法，包含下列步驟：(2-1)　配製白金對電極電紡液，該白金對電極電紡液包含氯鉑酸(H2PtCl6‧6H2O)；用以協助成膜之高分子聚合物；溶劑；及視需要加入的分散劑；(2-2)　以陣列式靜電紡絲方式電紡該白金對電極電紡液於一基板上，其中該基板係放置於兩片等電壓的收集板上，以便於該基板上形成白金對電極纖維膜；及(2-3)　燒結步驟(2-2)所得到的白金對電極纖維膜，以得到白金對電極。
  4. 如請求項3之方法，其中於步驟(2-1)中，可視需要加入碳黑於白金對電極電紡液。
  5. 如請求項3之方法，其中在執行步驟(2-3)之前，先配製硼氫化鈉(NaBH4)電紡液，再以陣列式靜電紡絲方式電紡該硼氫化鈉電紡液於步驟(2-2)所得到之白金對電極纖維膜之上，接著以110至130℃之溫度燒結11至13小時之條件執行步驟(2-3)。
  6. 如請求項3之方法，其中在執行步驟(2-3)之前，先配製硼氫化鈉(NaBH4)電紡液，再以110至130℃之溫度燒結11至13小時之條件執行步驟(2-3)，接著將步驟(2-3)所得到之白金對電極浸泡於該硼氫化鈉電紡液中2至4小時。
  7. 一種製備用於染料敏化太陽能電池之碳黑對電極的方法，包含下列步驟：(3-1)　配製碳黑對電極電紡液，該碳黑對電極電紡液包含碳黑；二氧化鈦前驅物漿料；用以協助成膜之高分子聚合物；溶劑；及分散劑(3-2)　以陣列式靜電紡絲方式電紡該碳黑對電極電紡液於一基板上，其中該基板係放置於兩片等電壓的收集板上，以便於該基板上形成碳黑對電極纖維膜；及(3-3)　燒結步驟(3-2)所得到的碳黑對電極纖維膜，以得到碳黑對電極。
  8. 如請求項7之方法，其中該二氧化鈦前驅物漿料包含異丙基氧化鈦及醋酸。
  9. 如請求項1至8中任一項之方法，其中該高分子聚合物係為聚氧乙烯(polyethylene oxide,PEO)。
  10. 如請求項1至8中任一項之方法，其中該溶劑係選自由水、乙醇、異丙醇及其混合物所組成之群組。
  11. 如請求項1至8中任一項之方法，，其中該分散劑係選自由乙醯丙酮酸酯(Acetylacetone,ACAC)、辛基酚聚乙醇醚(polyoxyethylene octyl phenyl ether,Triton X-100)及其混合物所組成之群組。
  12. 如請求項1至8中任一項之方法，其中電紡之製程電壓為4至10 kV。
  13. 如請求項1至8中任一項之方法，其中電紡製程之針筒流速為0.5至1 mL/hr。
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