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TW201351673A - 二氧化矽太陽能電池及具有二氧化矽太陽能電池構造之玻璃板 - Google Patents

二氧化矽太陽能電池及具有二氧化矽太陽能電池構造之玻璃板 Download PDF

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TW201351673A
TW201351673A TW102112076A TW102112076A TW201351673A TW 201351673 A TW201351673 A TW 201351673A TW 102112076 A TW102112076 A TW 102112076A TW 102112076 A TW102112076 A TW 102112076A TW 201351673 A TW201351673 A TW 201351673A
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Nobuaki Komatsu
Tomoko Ito
Shin-Ichiro Nanjo
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Internat Frontier Tech Lab Inc
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Abstract

使二氧化矽太陽能電池及具有二氧化矽太陽能電池構造之玻璃板容易使用。使具有導電性的2片基板配置成各自導電面呈相對向狀態，並將至少其中一基板設為透明之光入射側基板，在與該基板相對向配置的基板上配置二氧化矽顆粒成形體，而構成二氧化矽太陽能電池。更甚，在光入射側基板上配置多孔質氧化鈦燒結體。再者，使具有導電性的2片基板配置成各自導電面呈相對向狀態，並將至少其中一基板設為透明光入射側基板，在與該基板相對向配置的基板上配置二氧化矽顆粒成形體，而構成具有二氧化矽太陽能電池構造之玻璃板。更甚，在光入射側基板上配置多孔質氧化鈦燒結體。液態電解質係在製造電池時先暫時注入，然後再予以去除，結果電池內不會有液狀電解質存在，但會有若干殘存電解質成分。該二氧化矽太陽能電池及具有二氧化矽太陽能電池構造之玻璃板，因為並未使用液態電解質，因而容易使用。

Description

二氧化矽太陽能電池及具有二氧化矽太陽能電池構造之玻璃板
本發明係關於太陽能電池，特別係關於使用二氧化矽的二氧化矽太陽能電池、及具有二氧化矽太陽能電池構造之玻璃板。
使用矽等半導體的乾式太陽能電池已達實用階段。半導體太陽能電池的轉換效率高，但另一方面卻因為使用高純度材料，因而屬於高價位。
較廉價的太陽能電池係有如使用二氧化鈦(TiO2)與電解質的濕式太陽能電池。
利用圖1說明二氧化鈦太陽能電池的構造。
圖1中，(a)所示係基本構造的二氧化鈦太陽能電池，(b)所示係經改良過通稱「色素增感型」的二氧化鈦太陽能電池。
(a)所示基本構造的二氧化鈦太陽能電池，1係玻璃基板，在其中一面上形成FTO等透明導電膜2，而成為光電極。3係多孔質二氧化鈦燒結體。4係電解液，一般係使用在碘化鉀水溶液中溶解碘的碘系電解質。5係鉑反電極，形成於已有形成FTO等導電膜6的玻璃基板7上。又，8係密封材，9係電阻器等外部負載。
(b)所示色素增感二氧化鈦太陽能電池，1係玻璃基板，在其中一面上形成FTO等透明導電膜2，而成為光電極。10係經附著釕錯合物色素的多孔質二氧化鈦燒結體。4係電解液，一般係使用在碘 化鉀水溶液中溶解碘的碘系電解質。5係鉑反電極，形成於已有形成FTO等導電膜6的玻璃基板7上。又，8係密封材，9係電阻器等外部負載。
穿透過玻璃基板1上的透明導電膜2並入射的紫外光，被多孔質二氧化鈦燒結體3吸收。經吸收過光的多孔質二氧化鈦燒結體3便從電子基態狀態轉變為激發狀態，被激發的電子利用擴散被從透明導電膜2中取出至外部，再經由負載9從透明導電膜6導引入鉑反電極5中。
二氧化鈦係具有光觸媒機能，而在日本專利特開2004-290748號公報及特開2004-290747號公報中，就同樣具有光觸媒機能的材料有揭示經氫鹵酸處理之熔融石英。
同樣的，國際公開公報WO2005/089941號，就具有光觸媒能力的材料有揭示經氫氟酸處理之人工水晶。
人工水晶光觸媒係以日本專利特開2004-290748號公報及特開2004-290747號公報所揭示的熔融石英為原材料，在較光觸媒更寬廣的200~800nm波長區域中具有光觸媒的機能。
本發明者等發現屬於二氧化矽的人工水晶或熔融石英具有光發電能力，便提案國際公開WO2011/049156號公報所記載的二氧化矽太陽能電池。
利用圖2，說明國際公開WO2011/049156號公報所記載的太陽能電池。
該圖中，11及17係已形成有透明導電層FTO(氟摻雜氧化錫)層12及FTO層16的30mm×30mm玻璃基板，太陽能電池的大小係20mm×20mm。
在靠光入射側的FTO層上形成氧化鋅(ZnO)、氧化鈦(TiO2)等n型半導體層13，在光入射側FTO層12對向的FTO層16上形成鉑膜15。
在n型半導體層13與鉑膜15之間，依0.15~0.20mm厚度封入含SiO2的玻璃與經混合入電解質的太陽能電池材料20。
太陽能電池材料20係使用將含有SiO2的玻璃等之顆粒在5%氫氟酸水溶液中浸漬5分鐘，經水洗後施行乾燥，再依粒徑成為0.2mm以下的方式施行粉碎者。
電解質係將LiI取0.1mol、I2取0.05mol、4-第三丁基吡啶0.5mol、四丁基碘化銨0.5mol，添加於乙腈溶劑中的液態電解質。
二氧化矽的光電池詳細機制雖尚未明朗，但若照射波長200~800nm太陽光的話，便會被吸收，並從二氧化矽側的電極經由負載而朝反電極流通電子，換言之，具有從反電極朝向二氧化矽側的電極流通電流的現象。
太陽能電池材料係屬人工水晶最為有用，但熔融石英玻璃、鈉鈣玻璃、無鹼玻璃、硼矽酸玻璃亦能發電。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2004-290748號公報
[專利文獻2]日本專利特開2004-290747號公報
[專利文獻3]國際公開WO2005/089941號公報
[專利文獻4]國際公開WO2011/049156號公報
本發明者等發現經氫鹵酸處理之人工水晶粒及熔融石英粒，藉由微粉末化，便可發揮更優異的太陽能電池機能。
本發明者等發現經微粉碎至接近光波長的人工水晶或玻璃在當作太陽能電池材料時，將發揮更優異的機能。
本發明者等發現二氧化矽太陽能電池係利用可見光~紅外光進行發電。
就建築物採光用、植物栽培用溫室的採光/溫調用、舞台/攝影棚/撮影用照明器具的調光用、及汽車等輸送裝置的視界確保用等，大多使用玻璃板。
該等裝置所使用的玻璃板會穿透過必要的可見光，但亦會使可見光以外的紫外光及紅外光穿透。太陽光中的能量雖為6%的少量，但被波長短、能量大的紫外光所照射之物體會引發化學變化，導致發生變色或脆化等不良影響產生。
太陽光中的能量亦存在48%的紅外光，因為波長長、能量小，對被照射的物體引發化學變化的情形較少，但因為屬於熱線，因而會導致被照射物體的溫度上升。
在二氧化矽太陽能電池中依係串聯結構組合二氧化鈦太陽能電池，且藉由從二氧化矽太陽能電池側的電極與二氧化鈦太陽能電池側的電極取得輸出，便獲得利用從紫外光起至紅外光的所有區域光進行發電之太陽能電池。
先前技術的國際公開WO2011/049156號公報所揭示二氧化矽太陽能電池，係使用液態電解質。又，最常被使用的碘系等液態電解質，因為反應性高，因而若未完全密封，便會有因漏液而對周 邊機器造成影響、或破損時導致周邊機器遭受污損等傷害發生的可能性。
此現象在阻隔紫外線及紅外線的窗玻璃時特別會構成大問題。
發明者等針對二氧化矽太陽能電池進行更深入研究，結果發現即便未使用液態電解質仍可發電。
此現象不僅當使用為太陽能電池時係屬有效，使用於窗玻璃時更為有效。
根據此項發現，本申請案發明之目的在於提供：未使用液態電解質的二氧化矽太陽能電池。
再者，本申請案發明的目的在於提供：未使用液態電解質的二氧化矽太陽能電池複合玻璃板。
為解決該等課題，本申請案所提供的二氧化矽太陽能電池，係使用經氫鹵酸處理過之屬於結晶質的人工水晶顆粒、或經氫鹵酸處理過之屬於非結晶質的石英玻璃、無鹼玻璃、硼矽酸玻璃、鈉鈣玻璃等，且未使用液狀電解質。
本申請案更進一步提供的太陽能電池，係在由經氫鹵酸處理過之屬於結晶質的人工水晶顆粒、或經氫鹵酸處理過之屬於非結晶質的石英玻璃、無鹼玻璃、硼矽酸玻璃、鈉鈣玻璃等構成的二氧化矽太陽能電池中，依串聯結構組合二氧化鈦太陽能電池，且未使用液狀電解質。
本申請案更進一步提供的太陽能電池，係在由經氫鹵酸處理過之屬於結晶質的人工水晶顆粒、或經氫鹵酸處理過之屬於非結晶質的石英玻璃、無鹼玻璃、硼矽酸玻璃、鈉鈣玻璃等構成的二氧化 矽太陽能電池中，依串聯結構組合已附著釕錯合物色素的色素增感二氧化鈦太陽能電池，且未使用液狀電解質。
本申請案更進一步提供的具有二氧化矽太陽能電池構造之玻璃板，係使用經氫鹵酸處理過之屬於結晶質的人工水晶顆粒、或經氫鹵酸處理過之屬於非結晶質的石英玻璃、無鹼玻璃、硼矽酸玻璃、鈉鈣玻璃等，且未使用液狀電解質。
本申請案更進一步提供的具有二氧化矽太陽能電池構造之玻璃板，係在由經氫鹵酸處理過之屬於結晶質的人工水晶顆粒、或經氫鹵酸處理過之屬於非結晶質的石英玻璃、無鹼玻璃、硼矽酸玻璃、鈉鈣玻璃等構成的二氧化矽太陽能電池中，依串聯結構組合二氧化鈦太陽能電池，且未使用液狀電解質。
本申請案更進一步提供的具有二氧化矽太陽能電池構造之玻璃板，係在由經氫鹵酸處理過之屬於結晶質的人工水晶顆粒、或經氫鹵酸處理過之屬於非結晶質的石英玻璃、無鹼玻璃、硼矽酸玻璃、鈉鈣玻璃等構成的二氧化矽太陽能電池中，依串聯結構組合已附著釕錯合物色素的色素增感二氧化鈦太陽能電池，且未使用液狀電解質。
本申請案發明的二氧化矽太陽能電池之具體特徵，係如下。
將具導電性的2片基板依各自導電面呈相對向狀態配置，基板至少其中一者係透明且設為光入射側基板，將二氧化矽顆粒成形體配置於與光入射側基板呈相對向配置的基板上。
將具導電性的2片基板依各自導電面呈相對向狀態配置，基板至少其中一者係透明且設為光入射側基板，將二氧化矽顆粒 成形體配置於與光入射側基板呈相對向配置的基板上，更在光入射側基板上配置多孔質氧化鈦燒結體。
本申請案發明的二氧化矽太陽能電池及二氧化矽太陽能電池複合玻璃板，因為沒有使用液態電解質，故不會有漏液的問題。
1、7、11、17‧‧‧基板
2、6、12、16‧‧‧透明導電膜
3、13‧‧‧多孔質二氧化鈦燒結體
4‧‧‧電解質
5、15‧‧‧反電極
8、18‧‧‧密封材
9、19‧‧‧外部負載
10、23‧‧‧色素增感多孔質氧化鈦燒結體
13‧‧‧n型半導體層
20‧‧‧太陽能電池材料
21‧‧‧二氧化矽煅燒體
圖1(a)及(b)係先前技術的多孔質二氧化鈦太陽能電池及色素增感多孔質二氧化鈦太陽能電池示意圖。
圖2係先前技術的二氧化矽太陽能電池示意圖。
圖3係具有實施例1之二氧化矽太陽能電池及實施例2之二氧化矽太陽能電池構造的玻璃示意圖。
圖4係具有實施例3之使用多孔質二氧化鈦與二氧化矽之太陽能電池、及實施例4之二氧化矽太陽能電池構造的玻璃示意圖。
圖5係具有使用實施例5之色素增感多孔質二氧化鈦與二氧化矽之太陽能電池、及實施例6之具有二氧化矽太陽能電池構造的玻璃示意圖。
以下，參照圖式，針對為實施發明的形態進行說明。
[實施例1]
圖3所示係將圖2所示二氧化矽太陽能電池經改良後之二氧化矽太陽能電池及二氧化矽太陽能電池複合玻璃設為實施例1。
該圖中，11與17分別係具有FTO等透明導電膜12及FTO等透明導電膜16的玻璃基板，透明導電膜12及透明導電膜16係具有電力 取出電極的機能。依玻璃基板11上的透明導電膜12與玻璃基板17上的FTO膜16呈相對向狀態，配置玻璃基板11與12。
21係具有0.15~0.20mm厚度的二氧化矽(SiO2)煅燒體，配置於無光入射側的玻璃基板17上。
在靠二氧化矽側的透明導電膜16上形成作為電荷取出電極用的鉑(Pt)膜15。
再者，18係密封材，19係外部負載。
二氧化矽煅燒體21係使用將二氧化矽之結晶質人工水晶或非結晶質之石英玻璃、無鹼玻璃、硼矽酸玻璃、鈉鈣等玻璃顆粒，在5%氫氟酸水溶液中浸漬5分鐘，經水洗後施行乾燥，然後微粉碎至粒徑500nm以下者。
所浸漬的水溶液係除氫氟酸之外，尚可將氫氯酸作為氫鹵酸使用。
液態電解質係在製造太陽能電池時暫時先注入電池內，但因為之後會予以去除，故當使用為二氧化矽太陽能電池及二氧化矽太陽能電池複合玻璃板時，在電池內雖沒有存在液狀電解質，可是會有若干電解質成分殘存。
人工水晶顆粒亦可使用粒徑0.2~0.5mm左右的大小，亦可使用未施行煅燒，但與乙醇混合並塗佈於鉑電極15上再經乾燥者。
從光入射側玻璃基板11入射的光會入射於二氧化矽21中並發電。
實施例1的二氧化矽太陽能電池係當人工水晶粒徑在0.2mm以下時，便可獲得85μA的短路電流、470mV的開放電壓，而當粒徑在500nm以下時，便可獲得348μA的短路電流、620mV的開放電壓。
不僅如此，本發明者等針對屬於二氧化矽太陽能電池的人工水晶太陽能電池，利用未含紫外區域之成分光源的300W白熱燈泡，依大致等於直射日光的照度測定短路電流，結果分別觀測到400mV的開放電壓及0.5μA的短路電流，確認到二氧化矽太陽能電池即便僅利用紅外光仍可發電。
由此現象得知，二氧化矽太陽能電池並未使用液態電解質，即便利用未含有紫外區域成分的光仍可發電。
[實施例2]
實施例2的具有二氧化矽太陽能電池構造之玻璃板構造，因為與實施例1的二氧化矽太陽能電池構造並無改變，因而省略說明。
[實施例3]
利用圖4，針對實施例3的二氧化矽太陽能電池進行說明。
實施例3的太陽能電池係在實施例1的二氧化矽太陽能電池中，依串聯式組合圖1(a)所示習知技術二氧化鈦太陽能電池者。
該圖中，11係由玻璃或樹脂構成的透明基板，在其中一面上形成FTO等透明電極膜12，設為光入射側電極。13係利用燒結等手段施行固體化的多孔質二氧化鈦。
21係粒徑0.2m以下的人工水晶顆粒，經與乙醇混合並塗佈於鉑等所構成電極15上，再經乾燥者。
16係FTO等透明電極，17係由玻璃或樹脂構成的基板。又，18係密封材，19係外部負載。
從光入射側透明基板11入射的紫外光會入射於多孔質 二氧化鈦13中並發電，而對發電無具貢獻的紫外光及可見光則會入射二氧化矽21中並發電。
依此，實施例3的二氧化矽太陽能電池係可利用紫外光~可見光區域的光進行發電。
利用太陽光模擬器將太陽常數1kw/1m2光照射於實施例3的二氧化矽太陽能電池，便可獲得20μA的短路電流、417mV的開放電壓。
液態電解質係在製造太陽能電池時暫時先注入電池內，但因為之後會予以去除，因而當使用為二氧化矽太陽能電池及二氧化矽太陽能電池複合玻璃板時，在電池內雖沒有存在液狀電解質，可是會有若干電解質成分殘存。
[實施例4]
實施例4的具有二氧化矽太陽能電池構造之玻璃板構造，因為與實施例3的二氧化矽太陽能電池構造並無改變，因而省略說明。
[實施例5]
利用圖5，針對實施例5的二氧化矽太陽能電池進行說明。
實施例5的二氧化矽太陽能電池係在實施例3的二氧化矽太陽能電池中，使二氧化鈦燒結體附著釕錯合物色素的太陽能電池。
該圖中，11係由玻璃或樹脂構成的透明基板，在其中一面上形成FTO等透明電極膜12，而成為光入射側電極。23係使經利用燒結等手段而固體化的多孔質二氧化鈦上，附著釕錯合物色素的二氧化鈦燒結體。
21係粒徑0.2mm以下的人工水晶顆粒，經與乙醇混合並塗佈於鉑等所構成電極15上，再經乾燥者。
16係FTO等透明電極，17係由玻璃或樹脂構成的基板。又，18係密封材，19係外部負載。
從光入射側透明基板11入射的紫外光會入射於多孔質二氧化鈦23中並發電，而對發電無具貢獻的紫外光及可見光則會入射二氧化矽21中並發電。
依此，實施例3的二氧化矽太陽能電池係可利用紫外光~可見光區域的光進行發電。
液態電解質係在製造太陽能電池時暫時先注入電池內，但因為之後會予以去除，因而當使用為二氧化矽太陽能電池及二氧化矽太陽能電池複合玻璃板時，在電池內雖沒有存在液狀電解質，可是會有若干電解質成分殘存。
[實施例6]
實施例4的具有二氧化矽太陽能電池構造之玻璃板構造，因為與實施例5的二氧化矽太陽能電池構造並無改變，因而省略說明
以下，針對可代替的構造及材料進行說明。
[基板]
各實施例中，收容太陽能電池材料及電解質的容器，就光入射側係使用透光性材料，就光未入射側係使用透光性或不透光性材料。
透光性材料係可使用玻璃、塑膠、非晶矽、聚酯薄膜，不透光性材料係可使用不銹鋼、鎳等金屬板。
[透明導電體]
當作透光性材料使用的玻璃及塑膠幾乎未具導電性，當使用未具導電性的材料時便必需賦予導電性。透光性且具導電性的材料係除FTO或ITO等錫的氧化物之外，尚可使用AZO(Al-ZN-O)、奈米碳管、石墨烯等碳系材料；或導電性PET薄膜等ITO；奈米碳管、石墨烯等透明導電材料，使用在玻璃或塑膠等透明體上形成電極者。透明電極係設置於太陽能電池的內側。
在太陽能電池收納容器之光入射側的對面側，當必需使光穿透的情況，便使用在玻璃或塑膠等透明體上形成FTO、ITO、奈米碳管、石墨烯等透明電極者，當不需要使光穿透的情況，便使用形成有奈米碳管、石墨烯等電荷取出用導電體的金屬板。電荷取出用導電體係設置於太陽能電池的內側。
藉由將塑膠以導電性塑膠代替，亦可不需要透明導電體。
[二氧化矽顆粒]
經氫鹵酸處理過的結晶質人工水晶顆粒或非結晶質玻璃顆粒，係依如下進行調製。
將二氧化矽(SiO2)之結晶質的人工水晶或非結晶質的石英玻璃、無鹼玻璃、硼矽酸玻璃、鈉鈣等玻璃顆粒，浸漬於氫氟酸水溶液中，接著將人工水晶顆粒或玻璃顆粒施行水洗後，經乾燥，然後再製成微粉碎粉。
除氫氟酸以外亦可將氫氯酸使用為氫鹵酸，但較佳為氫氟酸。
再者，亦可利用其他的氫鹵酸。
在二氧化矽顆粒尚未利用氫鹵酸施行處理之情況下，二氧化矽顆粒試料的情況係微粉末化至平均粒徑為數10nm為止。
二氧化矽顆粒利用氫鹵酸施行的處理亦可非在微粉末化前實施，而是經微粉末化後才實施。
[二氧化矽層]
二氧化矽層亦可使用將人工水晶等粉末一起與鉑粉末及乙醇相混合並經煅燒者。
二氧化矽顆粒子煅燒體的粒徑係可使用至0.5mm左右。
[反電極]
作為反電極的半導體層，係除氧化鋅(ZnO)之外，尚可使用氧化鈦(TiO2)、氧化銅(CuO)、氧化鎂(MgO)、鈦酸鍶(SrTiO3)、氮化碳、石墨烯等。
[入射側面]
截至此所說明的所有實施例均係二氧化矽煅燒體配置於光未入射側的面上。因為此種配置並沒有絕對的理由，亦可將二氧化矽煅燒體配置於光入射側之面上。
(產業上之可利用性)
利用在二氧化鈦太陽能電池的容器上，更進一步依串聯結構組合二氧化矽太陽能電池的本申請案發明，便可利用紫外至紅外的所有區域光進行發電，可獲得有用的太陽能電池。
11、17‧‧‧基板
12、16‧‧‧透明導電膜
15‧‧‧反電極
18‧‧‧密封材
19‧‧‧外部負載
21‧‧‧二氧化矽煅燒體

Claims (6)

  1. 一種二氧化矽太陽能電池，係將具導電性的2片基板配置成各自導電面呈相對向，上述基板至少其中一者係透明且設為光入射側基板；在上述2片基板間配置有二氧化矽顆粒成形體，其特徵在於：上述二氧化矽顆粒成形體係配置於與上述光入射側基板呈相對向配置的基板上；在上述二氧化矽太陽能電池內並無存在液狀電解質，但有若干殘存著電解質成分。
  2. 如申請專利範圍第1項之二氧化矽太陽能電池，其中，在上述光入射側基板上配置多孔質氧化鈦燒結體。
  3. 如申請專利範圍第2項之二氧化矽太陽能電池，其中，上述多孔質氧化鈦燒結體係色素增感多孔質氧化鈦燒結體。
  4. 一種具有二氧化矽太陽能電池構造之玻璃板，係將具導電性的2片基板配置成各自導電面呈相對向，上述基板至少其中一者係透明且設為光入射側基板；在上述2片基板間配置有二氧化矽顆粒成形體，其特徵在於：上述二氧化矽顆粒成形體係配置於與上述光入射側基板呈相對向配置的基板上；上述二氧化矽太陽能電池複合玻璃板內並無存在液狀電解質，但有殘存著若干電解質成分。
  5. 如申請專利範圍第4項之具有二氧化矽太陽能電池構造之玻璃板，其中，在上述光入射側基板上配置多孔質氧化鈦燒結體。
  6. 如申請專利範圍第4項之具有二氧化矽太陽能電池構造之玻璃板，其中，上述多孔質氧化鈦燒結體係色素增感多孔質氧化鈦燒結體。
TW102112076A 2012-04-06 2013-04-03 二氧化矽太陽能電池及具有二氧化矽太陽能電池構造之玻璃板 TW201351673A (zh)

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