文档介绍：作者:许博尔、洪永杰(2005-10-20);推荐:徐业良(2005-10-23)
第三代半导体敏化太阳电池技术专利检索与分析报告
本文首先对第三代半导体敏化太阳电池作一简介,以对其整体技术发展现况有所了解。接着本文针对第三代半导体敏化太阳电池之相关制备技术现况作一介绍,同时利用专利分析手法,藉以了解现有产品的专利状况以及技术特点,并利用专利地图(patent map)的制作,将专利信息做最有效之组织分析,以了解整体产业环境之发展。同时针对现有技术其开发动向、运用手法与其达成效进行交叉分析,以期在旧有技术领域中看出可开发的新区域,藉以拟定技术研发与创新设计之切入点,建立有别于现有产品之市场与技术区隔。
第三代半导体敏化太阳电池简介
目前利用阳光转换成电能之太阳能电池产品有很多种,包含晶硅与非晶硅两大类。其主要发电原理是利用半导体所产生的「光伏效应(Photovoltaic Effect, PV)」将光转换成电。当太阳光照射在太阳电池上时,太阳电池吸收太阳光能透过p型半导体及n型半导体使其产生电子(负极)及电洞(正极),同时分离电子与电洞而形成电压降,再经由导线传输至负载。为了避免电子和电洞过早再结合,半导体的使用必须是高纯度且无缺陷,但这种电池的制作存在许多困难,同时制作成本太高。就晶硅太阳电池而言,由于必须精密地控制制作过程中杂质与缺陷的有害影响,因此如何有效降低制造成本成为此类电池大规模量产必须克服的问题。非晶硅太阳电池则面临寿命短、效率低的问题尚待解决。
1991年,O’Regan与Grätzel教授提出以高比表面积的奈米多孔TiO2膜作为半导体电极,以过渡金属Ru(钌)和Os(锇)等有机化合物所制作成的染料,并选用适当的氧化还原电解质,研制出一种「奈米晶体光电化学太阳能电池(Nanocrystalline Photo-electrochemical Cells)」,简称NPC电池,又称为「染料敏化太阳电池(Dye Sensitized Solar Cell, DSSC)」。其光电转换效率(light-to-electric energy conversion yield)%,入射光子-电流转换效率(incident monochromatic photon-to-current conversion efficiency, IPCE)大于80%。廉价成本、制作技术简单以及稳定的性能,为染料敏化太阳电池的优势所在,其制作成本仅为硅太阳电池的四分之一。经过近几年的研究,目前光电转换效率已达到10%以上。此项成功结合奈米结构电极与染料而创造出高效率电子转移接口的技术,跳脱传统无材料固态接口设计,因此又称为第三代太阳能电池。
如图1所示,DSSC电池主要由透明导电基片(ITO)、多孔奈米晶体TiO2薄膜、染料光敏化剂(Dye)、电解质溶液(Electrolyte,含超敏化剂)、和透明对电极(Pt on ITO)组成。其工作原理是藉由染料做为吸光材,染料吸收光子后产生电子-电洞对的分离,电子注入工作电极上TiO2膜之传导带(CB),经外部导线导出运用后接回对电极,经Pt传递电子至电解质,再回到染料基态与电洞结合形成回路。
图1. DSSC 基本原理[Grätzel, 1999]
在图1中有4个路径会降低DSSC的整体效率,如图1之(1)~(4)。途径(1)为逆向之光电流(暗电流,dark current),TiO2 接受染料激发态的电子后,电子往反方向之电解质注入,于电解质发生电子-电洞对的再结合,损失能量之外,其产生的反方向电流会降低光电流值,也造成降低整体效率的影响;途径(2)为注入TiO2的电子与表面染料基态之电洞发生表面再结合效应,同样会造成能量损失以及对整体电子的回路不利;途径(3)为染料自身的电子-电洞对再结合,会释放出热能或荧光,降低整体的效率;途径(4)为电解质中的离子传递(ionic diffusion),造成逆方向的电流发生,进而降低整体的效率。为了避免或降低这些不利因素的影响,目前有相当多的研究投入其中[Hagfeldt and Grätzel, 1995, Kalyanasundaram and Grätzel, 1998, Fujishima et al., 2004]。
与传统硅芯片太阳能电池相比,DSSC的光电发生机制显得很不一样。传统硅芯片太阳能电池(p/n junction cells)与DSSC的比较整理如表1所示。
表1. p/n cells 与 DSSC光电发生机制的比较[Kazmerski, 1997]
p/n 或 PE cells
DSSC
电子-电洞对分离原因为p/n界面照光产生内建空间电场的电位差
染料吸收光能激发电子,发生电子-电洞对的分离