金屬氧化物網狀結構材料,太陽能電池元件及其製造方法
2023-09-18 00:48:25
專利名稱：金屬氧化物網狀結構材料,太陽能電池元件及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種金屬氧化物網狀結構材料，一種太陽能電池元件及一種金屬氧化物網狀結構材料製造方法，特別是涉及一種具有包覆二氧化鈦納米粒子的一層網狀金屬薄膜的金屬氧化物網狀結構材料。
背景技術：
染料敏化太陽能電池一般包括一個工作電極，一層染料層，一層電解質及一個對電極(counter electrode) 0該工作電極一般是由一導電玻璃電極與一半導體層所構成。 該半導體層一般都是使用多孔性金屬氧化物材料，例如二氧化鈦。染料層即吸附在該多孔性金屬氧化層上。染料敏化太陽能電池的效率與電子在該染料層與該多孔性金屬氧化層之間的傳輸速度及多孔性金屬氧化層的表面積有主要的關聯。因此如何製造一高導電度及高表面積的多孔性金屬氧化層是提升光轉換效率主要的課題。美國專利號6，027，775及6，537，517揭露一種二氧化鈦納米管(即奈米管)的製造方法。該方法主要是將二氧化鈦納米粒子(即奈米粒子)浸入鹼金屬鹼性溶液中以鹼水熱法處理所述二氧化鈦納米粒子以形成二氧化鈦納米管，再以一酸液中和及水清洗所形成的二氧化鈦納米管，然後再高溫煅燒該二氧化鈦納米管。該方法所形成的二氧化鈦納米管具有一個銳鈦礦結晶結構(anatase)。Haimin Zhang 等在 Langmuir 2010,26(3)雜誌，第 1574-1578 頁中揭露一種立體管形二氧化鈦網狀結構的製造方法。該方法主要是先在一鈦金屬箔上形成一層多孔性二氧化鈦薄膜，將所形成的多孔性二氧化鈦薄膜浸入鹼金屬鹼性溶液中以鹼水熱法處理該多孔性二氧化鈦薄膜，以形成一個管形二氧化鈦網狀結構。該方法所形成的二氧化鈦網狀結構具有一個鈦化合物結晶結構(titanate)。上述專利及文獻的揭露內容是以參考的方式結合在本發明專利說明書中。由此可見，上述現有的金屬氧化層材料在產品結構、製造方法與使用上，顯然仍存在有不便與缺陷，而亟待加以進一步改進。為了解決上述存在的問題，相關廠商莫不費盡心思來謀求解決之道，但長久以來一直未見適用的設計被發展完成，而一般產品及方法又沒有適切的結構及方法能夠解決上述問題，此顯然是相關業者急欲解決的問題。因此如何能創設一種新的金屬氧化層材料、太陽能電池元件以及金屬氧化層材料的製造方法，實屬當前重要研發課題之一，亦成為當前業界極需改進的目標。
發明內容
本發明的一目的在於，克服現有的金屬氧化層材料存在的缺陷，而提供一種新型結構的具有銳鈦礦結晶結構的金屬氧化物網狀結構材料，所要解決的技術問題是使其能夠具有高導電度及高表面積，非常適於實用。本發明的另一目的在於，克服現有的太陽能電池存在的缺陷，而提供一種具有金屬氧化物網狀結構材料的太陽能電池元件，所要解決的技術問題是增加太陽能電池元件的導電度及光轉換效率，從而更加適於實用。本發明的又一目的在於，克服現有的金屬氧化層材料的製造方法存在的缺陷，而提供一種金屬氧化物網狀結構材料的製造方法，所要解決的技術問題是使其能夠製造出具有高導電度及高表面積的金屬氧化物網狀結構材料，從而更加適於實用。本發明的目的及解決其技術問題是採用以下技術方案來實現的。依據本發明提出的金屬氧化物網狀結構材料包含一個多孔性網狀結構。該網狀結構是由多數條相連的納米須(即奈米須)所構成的。每一條納米須包含多數個串連成鏈條狀的二氧化鈦納米粒子及一層實質地包覆所述二氧化鈦納米粒子且使所述二氧化鈦納米粒子被串連的金屬氧化物卷膜。每一條納米須的金屬氧化物卷膜與其相鄰的納米須的金屬氧化物卷膜相連，使得所述納米須相互連接。本發明的目的及解決其技術問題還可採用以下技術措施進一步實現。較佳地，前述的金屬氧化物網狀結構材料，其中所述的過渡金屬氧化物卷膜為二
氧化鈦卷膜。較佳地，前述的金屬氧化物網狀結構材料，其中所述多孔性網狀結構具有銳鈦礦、 金紅石、或銳鈦礦與金紅石組合的結晶結構。較佳地，前述的金屬氧化物網狀結構材料，其中所述二氧化鈦納米粒子呈珠粒狀。較佳地，前述的金屬氧化物網狀結構材料，其中所述二氧化鈦納米粒子具有一大於零而小於50nm的粒徑。較佳地，前述的金屬氧化物網狀結構材料，其中所述金屬氧化物卷膜具有一大於零而小於15nm的厚度。本發明的目的及解決其技術問題還採用以下技術方案來實現。依據本發明提出的太陽能電池元件包含一個第一電極；一個第二電極，與該第一電極互相對立而設；一個多孔性網狀結構，設置於該第一電極上並介於該第一與第二電極之間；一染料層設置於該多孔性網狀結構上；以及一電解質層設置於該染料層與該第二電極之間。該多孔性網狀結構是由多數條相連的納米須所構成的。每一條納米須包含串連成鏈條狀的二氧化鈦納米粒子及一層實質地包覆所述二氧化鈦納米粒子且使所述二氧化鈦納米粒子被串連的金屬氧化物卷膜。每一條納米須的金屬氧化物卷膜與其相鄰的納米須的金屬氧化物卷膜相連，使得所述納米須相互連接。本發明的目的及解決其技術問題還採用以下技術方案來實現。依據本發明提出的金屬氧化物網狀結構材料的製造方法包含(a)在一個基材上形成一個基底結構，該基底結構包含一層由多數個二氧化鈦納米粒子堆疊而成的多孔性二氧化鈦納米粒子薄膜；(b) 在一含有可溶性氫氧化過渡金屬前驅物的鹼金屬鹼性溶液中，以鹼水熱法處理該基底結構使所述前驅物滲入該二氧化鈦納米粒子薄膜內並與所述二氧化鈦納米粒子進行縮合聚合反應而形成具有多數條相連的納米須的前驅物網狀結構；以及(c)對步驟(b)所形成的該前驅物網狀結構物進行高溫煅燒使該前驅物網狀結構轉化為金屬氧化物網狀結構材料。本發明的目的及解決其技術問題還可採用以下技術措施進一步實現。較佳地，前述的金屬氧化物網狀結構材料的製造方法，其中所述步驟(b)中的所述前驅物是藉由下列步驟所形成在該多孔性二氧化鈦納米粒子薄膜上形成一層過渡金屬上層薄膜；以及在步驟(b)中，藉由鹼水熱法使該過渡金屬上層薄膜與該鹼金屬溶液中的氫氧離子反應而形成所述前驅物。較佳地，前述的金屬氧化物網狀結構材料的製造方法，其中所述過渡金屬上層薄膜是藉由離子濺鍍、化學氣相沉積、或電化學沉積方式所形成。較佳地，前述的金屬氧化物網狀結構材料的製造方法，其中所述過渡金屬上層薄膜為鈦金屬薄膜。較佳地，前述的金屬氧化物網狀結構材料的製造方法，其中所述基底結構另包含一層過渡金屬氧化薄膜，該過渡金屬氧化薄膜形成在該基材上，而該二氧化鈦納米粒子薄膜是形成在該過渡金屬氧化薄膜上。較佳地，前述的金屬氧化物網狀結構材料的製造方法，其中所述步驟(a)中的該基底結構是藉由下列步驟所形成的在該基材上形成一層過渡金屬下層薄膜；在該過渡金屬下層薄膜上形成一層含有高分子及二氧化鈦納米粒子的二氧化鈦納米粒子漿料；以及高溫煅燒在該基材上的該過渡金屬下層薄膜與該二氧化鈦納米粒子漿料，以使該過渡金屬下層薄膜與該二氧化鈦納米粒子漿料分別形成該過渡金屬氧化薄膜與該多孔性二氧化鈦納米粒子薄膜。較佳地，前述的金屬氧化物網狀結構材料的製造方法，其中所述過渡金屬下層薄膜是藉由離子濺鍍、化學氣相沉積、或電化學沉積方式所形成。較佳地，前述的金屬氧化物網狀結構材料的製造方法，其中所述過渡金屬下層薄膜為鈦金屬薄膜。較佳地，前述的金屬氧化物網狀結構材料的製造方法，其中所述二氧化鈦納米粒子具有一大於零而小於50nm的粒徑。本發明與現有技術相比具有明顯的優點和有益效果。藉由上述技術方案，本發明至少具有下列優點及有益效果①提高金屬氧化層材料的導電度及表面積。②提高太陽能電池元件的導電度及光轉換效率。綜上所述，本發明能夠提高導電度及光轉換效率。本發明在技術上有顯著的進步， 並具有明顯的積極效果，誠為一新穎、進步、實用的新設計。上述說明僅是本發明技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本發明的技術手段， 而可依照說明書的內容予以實施，並且為了讓本發明的上述和其他目的、特徵和優點能夠更明顯易懂，以下特舉較佳實施例，並配合附圖，詳細說明如下。
圖1是一說明本發明金屬氧化物網狀結構材料的示意圖；圖2是一說明本發明金屬氧化物網狀結構材料的一納米須的構造的示意圖；圖3a_3d是說明本發明金屬氧化物網狀結構材料的製造步驟的示意流程圖；圖4a_4d是說明本發明金屬氧化物網狀結構材料的納米須的形成原理的示意流程圖；圖是說明本發明形成金屬氧化物網狀結構材料的納米須所需的前驅物的形成方式的示意流程圖；圖6a_6c是說明本發明形成金屬氧化物網狀結構材料所需的基底結構的形成方式的示意流程圖；圖7是一說明本發明一具有金屬氧化物網狀結構材料的太陽能電池的結構的示意圖；圖8是一說明本發明實施例1所製備的金屬氧化物網狀結構材料的構造的SEM圖；圖9是圖8的本發明實施例1所製備的金屬氧化物網狀結構材料的細部構造部分放大圖；圖10是說明本發明實施例1所製備的金屬氧化物網狀結構材料的晶體構造的拉曼光譜圖；圖11是說明本發明實施例1所製備的金屬氧化物網狀結構材料的晶體構造的XRD 分析圖；圖12是一比較本發明實施例1的太陽能電池與一般的比較例1的太陽能電池的 I-V表現的實驗結果；圖13是一說明本發明實施例2所製備的金屬氧化物網狀結構材料的構造的SEM圖；圖14是一說明本發明實施例3所製備的金屬氧化物網狀結構材料的構造的SEM圖；圖15是一說明本發明實施例4所製備的金屬氧化物網狀結構材料的構造的SEM圖；圖16是圖15的本發明實施例4所製備的金屬氧化物網狀結構材料的細部構造部分放大圖。
具體實施例方式為更進一步闡述本發明為達成預定發明目的所採取的技術手段及功效，以下結合附圖及較佳實施例，對依據本發明提出的金屬氧化物網狀結構材料，太陽能電池元件及其製造方法的具體實施方式
、結構、步驟、特徵及其功效，詳細說明如後。在本發明被詳細描述前，要注意的是，在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。如圖1及2所示，本發明的一較佳具體例的金屬氧化物網狀結構材料包含一多孔性網狀結構2。該網狀結構2是由多數條相連的納米須21所構成的。每一條納米須21包含串連成鏈條狀的二氧化鈦納米粒子211及一層實質地包覆所述二氧化鈦納米粒子211且使所述二氧化鈦納米粒子211被串連的金屬氧化物卷膜212。每一條納米須21的金屬氧化物卷膜212與其相鄰的納米須21的金屬氧化物卷膜212相連使得所述納米須21相互連接。該多孔性網狀結構2具有銳鈦礦結晶結構，且所述二氧化鈦納米粒子211呈珠粒狀。較佳地，該過渡金屬氧化物卷膜212為二氧化鈦卷膜。較佳地，所述二氧化鈦納米粒子211具有一大於零而小於50nm的粒徑及呈現銳鈦礦、金紅石、或銳鈦礦與金紅石組合的結晶結構。較佳地，該金屬氧化物卷膜212具有一大於零而小於15nm的厚度。如圖3a_3d及4a_4d所示，本發明的一較佳具體例的該金屬氧化物網狀結構材料的製造方法包含(a)在一個基材3上形成一個基底結構4 (圖3a)，該基底結構4包含一層形成在該基材3上的過渡金屬氧化物薄膜41及一層形成在該過渡金屬氧化物薄膜41上的多孔性二氧化鈦納米粒子薄膜42，該多孔性二氧化鈦納米粒子薄膜42是由多數個二氧化鈦納米粒子211所堆疊而成，所述二氧化鈦納米粒子211具有一大於0而小於50nm之間的粒徑；(b)在一含有可溶性氫氧化過渡金屬前驅物51，(MOH)η, M為過渡金屬，η ^ 1,的鹼金屬鹼性溶液6中，以鹼水熱法(alkali hydrothermal treatment)處理該基底結構4(圖北)，使所述前驅物51滲入該二氧化鈦納米粒子薄膜42內並與所述二氧化鈦納米粒子211 進行縮合聚合反應而形成具有多數條相連的前驅物納米須21a的前驅物網狀結構物加(其形成機制如圖所示)，每一條前驅物納米須21a包含多數個相連成串的上述二氧化鈦納米粒子211及一層包覆所述成串的二氧化鈦納米粒子211的前驅物卷膜212a ；以及(c) 對步驟(b)所形成的該前驅物網狀結構物加進行高溫煅燒(圖3c)使該前驅物網狀結構物加轉化為該金屬氧化物網狀結構材料2 (圖3d)。較佳地，該基材3為一個導電玻璃，例如F-摻雜Sn02導電玻璃(FTO)。較佳地，如圖fe-恥所示，所述前驅物51是藉由下列步驟所形成在該多孔性二氧化鈦納米粒子薄膜42上形成一層過渡金屬上層薄膜71 (圖5a)；以及在步驟(b)中，藉由鹼水熱法使該過渡金屬上層薄膜71與該鹼金屬溶液6中的氫氧離子反應而形成所述前驅物51 (圖恥)。該過渡金屬上層薄膜71可藉由濺鍍、離子濺鍍、化學氣相沉積(Chemical VaporD印osition)、電化學沉積(Electrochemical Deposition)等方式所形成。較佳地， 該過渡金屬上層薄膜71為鈦金屬薄膜。較佳地，如圖6a_6c所示，該基底結構4是藉由下列步驟所形成的在該基材3上形成一過渡金屬下層薄膜72 (圖6a)；在該過渡金屬下層薄膜72上形成一層含有高分子及二氧化鈦納米粒子的二氧化鈦納米粒子漿料73 (圖6b)；以及高溫煅燒在該基材3上的該過渡金屬下層薄膜72與該二氧化鈦納米粒子漿料73 (圖6c)以使該過渡金屬下層薄膜72 與該二氧化鈦納米粒子漿料73分別形成該過渡金屬氧化物薄膜41與該多孔性二氧化鈦納米粒子薄膜42。該過渡金屬下層薄膜72可藉由濺鍍、離子濺鍍、化學氣相沉積(Chemical Vapor D印osition)、電化學沉積(Electrochemical Deposition)等方式所形成。較佳地， 該過渡金屬下層薄膜72為鈦金屬薄膜。該二氧化鈦納米粒子漿料73是藉由下列步驟所形成的以適合的一般做法製備大於零而小於50nm的二氧化鈦納米顆粒；將二氧化鈦納米顆粒均勻分散於一酸中以形成一漿液；濃縮該漿液；以及將聚乙二醇加入該漿液中並攪拌使聚乙二醇完全溶解在該漿液中。如圖7所示，本發明的金屬氧化物網狀結構材料可被用於製作一太陽能電池元件。本發明的太陽能電池元件包含一個第一電極81 ；—個第二電極82，與該第一電極81互相對立而設；該多孔性網狀結構2，設置於該第一電極81上並介於該第一與第二電極81，82之間；一染料層83設置於該多孔性網狀結構2上；以及一層電解質層84設置於該染料層 83與該第二電極82之間。較佳地，該第一與第二電極81，82為FTO導電玻璃。較佳地， 該染料層83是選自N719染料(RuL2(NC^O (可購自永光化學公司)。較佳地，該電解質層84是一種混合物。該混合物的製備如下在25ml的三頸瓶中加入20ml的聚乙二醇二甲醚(Polyethylene glycol dimethyl ether, PEGDME, Μ. W. = 250g/mol)，再分別加入 2. 158g(l. 2M)碘化鉀(KI)與0. 33g(0. 12M)碘(12)於室溫下攪拌24小時，即可得到電解液。以下將以實施例來說明本發明各目的的實施方式與功效。所述實施例將使用下列化學品與設備來製備、檢測，或評估其功效，若無特別說明則此等事宜皆是在常溫常壓的環境下進行。須注意的是，該實施例僅為例示說明的用途，而不應被解釋為本發明實施的限制。2. 284ml 的冰醋酸，加入 12. 336ml 的異丙氧鈦(Titanium tetraisopropoxide, TIPT)，在室溫下以500rpm攪拌15分鐘，此溶液為A液。同時準備250ml的三頸瓶，加入 58ml的去離子水，此溶液為B液，等待A液攪拌15分鐘後，將A液迅速加入B液中，在室溫下以700rpm攪拌60分鐘。在該混合物中加入0. 8ml 65%的硝酸，並對該混合物進行油浴加熱，在40分鐘內將油浴溫度由室溫升到80°C，使混合物在80°C下回流75分鐘。反應後的混合物加入16ml的去離子水冷卻至室溫。將所得溶液放入鐵氟龍高壓反應釜中以240°C 反應12小時，即可得到粒徑介於5-30nm之間的二氧化鈦納米粒子沉澱物。將以上述水熱合成法得到的二氧化鈦納米粒子溶液加入0. 24ml 65%硝酸與去離子水。反覆以攪拌與超音波震蕩將溶液中的二氧化鈦納米粒子均勻分散。再以濃縮機將二氧化鈦納米粒子溶液濃縮至重量百分比為IOwt %。加入重量百分比為二氧化鈦納米粒子重量的30wt%的聚乙二醇(Polyethylene glycol，PEG，MW = 20000)，旋轉一小時至聚乙二醇完全溶解，即完成二氧化鈦納米粒子漿料。〈具二氧化鈦網狀結構薄膜電極製備〉在8 Ω的導電玻璃(FTO)上以濺鍍方式鍍上一層200nm的鈦金屬膜。將製備好的二氧化鈦納米粒子漿料施加在該鈦金屬膜上形成一厚度約為5 μ m的漿層，並在500°C下煅燒該漿層以形成一個具有FTO/ 二氧化鈦緻密層/多孔性二氧化鈦納米粒子層的三層結構 (該鈦金屬膜被煅燒形成一層緻密的二氧化鈦膜)。二氧化鈦納米粒子漿料漿層所欲形成的厚度是藉由以下方式所達成將一形成有孔洞的模具覆蓋在該鈦金屬膜上，將該二氧化鈦納米粒子漿料注入該孔洞中，乾燥該二氧化鈦納米粒子漿料，及重複注入該漿料及乾燥步驟至所欲的厚度。將該三層結構放入裝有10ml 10M(摩爾濃度，M=摩爾/溶濟重量)中以鹼水熱法在130°C下反應2小時以獲得一具有FTO層/ 二氧化鈦緻密層/表面被反應過的二氧化鈦納米粒子層的中間結構。將該中間結構取出後以去離子水與乙醇清洗，然後浸泡在0. IM HN03溶液15分鐘，並以60°C烘乾。在該中間結構的該反應過的表面上以濺鍍方式鍍上一層200nm鈦金屬膜以形成一第二中間結構。將該第二中間結構放入裝有10ml 10M的NaOH溶液的反應器中，以水熱法在130°C下反應2小時以形成一具有FTO層/ 二氧化鈦緻密層/ 二氧化鈦網狀結構層的結構。將該結構取出以去離子水與乙醇清洗，然後浸泡在0. IM HN03溶液15分鐘，再以去離子水與乙醇清洗完成後，以60°C烘乾，然後在500°C下煅燒以形成具有FTO層/ 二氧化鈦緻密層/二氧化鈦網狀結構層結構的薄膜電極。圖8為實施例1的二氧化鈦網狀結構的 SEM(Scanning Electron Microscope，掃描式電子顯微鏡)圖。該二氧化鈦網狀結構層具有約5μπι的厚度。圖9為圖8的部份放大圖。從圖8及9可以看到所獲得的該二氧化鈦網狀結構具有多數條相連的納米須。每一納米須包含串連成鏈條狀的二氧化鈦納米粒子及包覆所述二氧化鈦納米粒子的二氧化鈦卷膜。每一納米須的所述二氧化鈦納米粒子的粒徑約介於5-15nm之間，而該二氧化鈦卷膜具有一介於約0-15nm的膜厚。圖10為所獲得的二氧化鈦網狀結構的拉曼(Raman)光譜分析圖。圖中顯示該二氧化鈦網狀結構具有銳鈦礦結晶結構。另外，圖11為所獲得的二氧化鈦網狀結構的XRD(X_ray Diffraction X，光繞射儀)分析圖。圖中也顯示該二氧化鈦網狀結構具有銳鈦礦結晶結構。〈太陽能電池元件製備〉將上述獲得的二氧化鈦網狀結構薄膜電極與另一 8Ω的導電玻璃(FT0)， 一電解質層(是由下列方式所製備在25ml的三頸瓶中加入20ml的聚乙二醇二甲 Si (Polyethylene glycol dimethyl ether, PEGDME, Μ. W. = 250g/mol)，再分另Ij 力口入 2. 158g(1.2M)碘化鉀(KI)與0.3 (0. 12M)碘(I 2)於室溫下攪拌M小時，即可得到電解液)。及一染料層(選自N719染料)(購自永光化學公司)組合成一太陽能電池元件。〈太陽能電池元件表現測試>使用太陽能模擬燈型號為Newport solar simulator，以提供一個太陽光量輸出的暫態光源。使用前需先預熱燈泡30分鐘，再以標準矽太陽能電池進行校正，其光源校正為在48. 5度角的太陽照射下，照射強度為100mW/cm2 (Isim)。測試原理是在太陽能電池的兩端加一個可精確調節的偏壓，方向與電池的相反，使得外加偏壓可抵消太陽能電池產生的光電壓。將實施例1所製備的太陽能電池元件置於模擬光源下約15釐米且將兩電極利用外部線路外接至電化學分析儀，經由儀器量測後再經計算，即可得到電池元件的I-V曲線(如圖12所示)。〈實施例2_3>實施例2及3的具有FTO層/ 二氧化鈦緻密層/ 二氧化鈦網狀結構層的結構的薄膜電極的製作程序及條件，除了在形成該二氧化鈦納米粒子漿料漿層的厚度不同之外(分別為約7 μ m及12 μ m)，與實施例1實質上相同。如圖13與14所示，實施例2及3所形成的二氧化鈦網狀結構層分別具有約7 μ m及12 μ m的厚度。實施例4的具有二氧化鈦網狀結構薄膜電極的製作程序及條件，除了使用不同的二氧化鈦納米粒子做為該漿料製備的原料之外，其餘皆與實施例1實質上相同。實施例4 所使用的二氧化鈦納米粒子為一種商業產品P25 (購自Degussa公司)。P25的二氧化鈦納米粒子具有銳鈦礦與金紅石結晶組合的結構。圖15為實施例4的二氧化鈦網狀結構的SEM 圖。圖16為圖15的部分放大圖。從圖15及16可以看到所獲得的該二氧化鈦網狀結構具有多數條相連的納米須，且每一納米須具有被包覆的二氧化鈦納米粒子。實施例4所形成的二氧化鈦網狀結構層具有約^ym的厚度。比較例1的薄膜電極為一般式的薄膜電極，也就是說是一種非網狀結構薄膜電極。其製做方法的步驟只有做到實施例1製造過程的前段而已，並未使用水熱法去進一步產生一網狀結構。比較例1的薄膜電極的製作是以與實施例1相同的操作條件製備該二氧化鈦納米粒子漿料，然後將漿料直接施加在FTO上並在500°C下煅燒以形成FTO/多孔性二氧化鈦納米粒子層的兩層結構(與實施例1比較少鈦金屬層)。將比較例1所製得的二氧化鈦薄膜電極與實施例1中所使用相同的8 Ω的導電玻璃(FTO)，電解質層及染料層組合成一太陽能電池元件。將比較例1所製備的太陽能電池元件以上述測試方法測量其I-V曲線(如圖12 所示)。表一為實施例1與比較例1的表現的比較。
表一
權利要求
1.一種金屬氧化物網狀結構材料，其特徵在於包含一多孔性網狀結構；其中，該網狀結構是由多數條相連的納米須所構成的，每一條納米須包含多數個串連成鏈條狀的二氧化鈦納米粒子及一層實質地包覆所述二氧化鈦納米粒子且使所述二氧化鈦納米粒子被串連的過渡金屬氧化物卷膜，每一條納米須的過渡金屬氧化物卷膜與其相鄰的納米須的過渡金屬氧化物卷膜相連，使得所述納米須相互連接。
2.如權利要求1所述的金屬氧化物網狀結構材料，其特徵在於該過渡金屬氧化物卷膜為二氧化鈦卷膜。
3.如權利要求1所述的金屬氧化物網狀結構材料，其特徵在於該多孔性網狀結構具有銳鈦礦、金紅石、或銳鈦礦與金紅石組合的結晶結構。
4.如權利要求1所述的金屬氧化物網狀結構材料，其特徵在於所述二氧化鈦納米粒子呈珠粒狀。
5.如權利要求1所述的金屬氧化物網狀結構材料，其特徵在於所述二氧化鈦納米粒子具有一大於零而小於50nm的粒徑。
6.如權利要求1所述的金屬氧化物網狀結構材料，其特徵在於該金屬氧化物卷膜具有一大於零而小於15nm的厚度。
7.一種太陽能電池元件，其特徵在於包含一個第一電極；一個第二電極，與該第一電極互相對立而設；一個多孔性網狀結構，設置於該第一電極上並介於該第一與第二電極之間；一層染料層設置於該多孔性網狀結構上；以及一層電解質層設置於該染料層與該第二電極之間；其中，該多孔性網狀結構是由多數條相連的納米須所構成，每一條納米須包含多數個串連成鏈條狀的二氧化鈦納米粒子及一層實質地包覆所述二氧化鈦納米粒子且使所述二氧化鈦納米粒子被串連的過渡金屬氧化物卷膜，每一條納米須的過渡金屬氧化物卷膜與其相鄰的納米須的過渡金屬氧化物卷膜相連，使得所述納米須相互連接。
8.一種金屬氧化物網狀結構材料的製造方法，其特徵在於包含(a)在一個基材上形成一個基底結構，該基底結構包含一個具有多數個二氧化鈦納米粒子的多孔性二氧化鈦納米粒子薄膜；(b)在含有可溶性氫氧化過渡金屬前驅物的鹼金屬鹼性溶液中，以鹼水熱法處理該基底結構使所述前驅物滲入該二氧化鈦納米粒子薄膜內並與所述二氧化鈦納米粒子進行縮合聚合反應而形成具有多數相連的納米須的前驅物網狀結構；以及(c)對步驟(b)所形成的該前驅物網狀結構物進行高溫煅燒使該前驅物網狀結構轉化為金屬氧化物網狀結構材料。
9.如權利要求8所述的方法，其特徵在於在步驟(b)中的所述前驅物是藉由下列步驟所形成在該多孔性二氧化鈦納米粒子薄膜上形成一層過渡金屬上層薄膜；以及在步驟 (b)中，藉由鹼水熱法使該過渡金屬上層薄膜與該鹼金屬溶液中的氫氧離子反應而形成所述前驅物。
10.如權利要求9所述的方法，其特徵在於該過渡金屬上層薄膜是藉由離子濺鍍、化學氣相沉積、或電化學沉積方式所形成。
11.如權利要求9所述的方法，其特徵在於該過渡金屬上層薄膜為鈦金屬薄膜。
12.如權利要求9所述的方法，其特徵在於該基底結構另包含一層過渡金屬氧化薄膜，該過渡金屬氧化薄膜形成在該基材上，而該二氧化鈦納米粒子薄膜是形成在該過渡金屬氧化薄膜上。
13.如權利要求12所述的方法，其特徵在於在步驟(a)中的該基底結構是藉由下列步驟所形成的在該基材上形成一層過渡金屬下層薄膜；在該過渡金屬下層薄膜上形成一層含有高分子及二氧化鈦納米粒子的二氧化鈦納米粒子漿料；以及高溫煅燒在該基材上的該過渡金屬下層薄膜與該二氧化鈦納米粒子漿料，以使該過渡金屬下層薄膜與該二氧化鈦納米粒子漿料分別形成該過渡金屬氧化薄膜與該多孔性二氧化鈦納米粒子薄膜。
14.如權利要求13所述的方法，其特徵在於該過渡金屬下層薄膜是藉由離子濺鍍、化學氣相沉積、或電化學沉積方式所形成。
15.如權利要求13所述的方法，其特徵在於該過渡金屬下層薄膜為鈦金屬薄膜。
16.如權利要求8所述的方法，其特徵在於所述二氧化鈦納米粒子具有一大於零而小於50nm的粒徑。
全文摘要
本發明有關於一種金屬氧化物網狀結構材料，包含一多孔性網狀結構。該網狀結構是由多數條相連的納米須所構成的。每一條納米須包含多數個串連成鏈條狀的二氧化鈦納米粒子及一層實質地包覆所述二氧化鈦納米粒子且使所述二氧化鈦納米粒子被串連的金屬氧化物卷膜。每一條納米須的金屬氧化物卷膜與其相鄰的納米須的金屬氧化物卷膜相連，使得所述納米須相互連接。本發明也揭露一種太陽能電池元件及一種金屬氧化物網狀結構材料的製造方法。本發明提供的金屬氧化物網狀結構材料能夠增加太陽能電池中電子在染料層與半導體層之間的傳輸速度，從而能夠提高導電度及光轉換效率。
文檔編號H01G9/20GK102372303SQ20101025530
公開日2012年3月14日 申請日期2010年8月13日 優先權日2010年8月13日
發明者林寬鋸, 陳景智, 顏吟赬 申請人:林寬鋸