DIY大型染料敏化太陽能玻璃

摘要

染料敏化太陽能電池是一種易於製造且便宜的光伏裝置，可在家庭工作室製作。然而，轉換效率仍然很低，因此很難達到商業目的。但由於二氧化鈦層的圖案以及顏色能有高度的訂制可能性，以及相對於一般體積都偏小的市面產品，家庭式電窯可以被用來製作相對面積較大、具高度藝術性和光電性的互動物件。本篇文章紀錄了30 乘 60 公分大小的成品製作方式，其中化學漿料與染料皆為購自 Great Cells Solar 的產品，因此其相關製程參考了常規的作法。本實驗比較關鍵的部份是在於大型玻璃的燒烤溫度的控制、FTO 玻璃的垂直導通串聯的設計，以及成品的可持續性紀錄。

第三代太陽能電池發展歷史

DSSC 30x60cm原型設計圖與分層結構測面圖

1. 實驗製備

1.1 蝕刻導電玻璃

1. 為了獲得足夠電壓，我們必需在電持內部製作串聯電路，要達到這個目標首先必需先對 FTO 玻璃進行蝕刻來製作垂直導通的串聯電路，在 Figure 1. 中解釋了該結構的剖面和 12 個電池在兩片玻璃電極中的尺寸與位置。將 26.3 毫升的 38% HCI 溶液加入燒杯，再加入清水裝滿到100毫升以製備 2M HCl 溶液。將 Kapton 膠帶貼在 FTO 玻璃基板上以保護不想被蝕刻的部份，在FTO 玻璃基板上塗一層鋅粉，再用 2M HCl 溶液覆蓋，等待反應完成。使用棉花棒，強力擦拭基板上蝕刻區域，並用去離子水沖洗。最後使用萬用表檢查蝕刻區域的電阻，請確保12個導電條都彼此獨立開來。

使用365nm UV燈固化在FTO玻璃上的光阻溼膜

待光阻溼膜完全固化後把Kapton膠帶撕掉以準備蝕刻

用棉花棒將鋅粉塗在沒有溼膜光阻的地方

將稀釋過後的鹽酸與鋅粉混合

等待15分鐘讓蝕刻反應完成

將蝕刻完成後的FTO浸入氫氧化鈉溶液中

待溼膜完全從脫落後再取出FTO玻璃並用清水與酒精清理表面

確定12個導電長條區塊都完全被斷開

蝕刻完成後的光電極與對電極

在蝕刻好的FTO玻璃上貼上Kapton膠帶遮罩，準備塗布二氧化鈦與鉑漿料

1.2 光電極二氧化鈦層製備與燒結

1. 用 Kapton 膠帶貼在玻璃上並使用玻璃棒塗布器在一個 60 x 30 cm 的 FTO 玻璃上塗布二氧化鈦組擋層 BL-1 漿料。然後，將 FTO 送入電窯中在以每分鐘 8 ºC的爬升速度達到 125ºC ，並維持烘烤 30 分鐘再自然冷卻到室溫。
2. 以相同方式塗布二氧化鈦多孔層 18NR-T 漿料，以每分鐘 8 ºC的爬升速度達到 500ºC。

二氧化鈦燒結溫度曲線參考

1.3 對電極鉑層製備與燒結

1. 對電極的製備：同樣使用玻璃塗布器在 FTO 玻璃上塗布 PT-1 鉑漿料，然後在以每分鐘 8 ºC的爬升速度到 500ºC 並維持 30 分鐘後再自然冷卻至室溫。

鉑燒結溫度曲線參考

進窯燒結前的光電極與對電極

光電極與對電極被輪流置放在窯內準備燒結

燒結後、染色前的二氧化鈦光電極

1.4 染料製備

1. 將 0.1 克的 N719 染料粉末溶解在 250 毫升的 95% 乙醇中，使用加熱攪拌機在 50ºC 下攪拌18 小時後獲得 N719 染料溶液，裝入避光玻璃瓶並在室溫下置放於陰暗處。

1.5染製光電極

1. 在將光陽極浸入N719染劑之前，將陽極放置在設定為特定溫度的熱板上。在使用前，染料溶液也被加熱到接近熱板溫度。為了洗掉多孔 TiO2 工作電極中殘留的染料溶液，將電極浸泡在微溫（~40°C）乙醇中 5 分鐘，並輕輕攪拌。
2. 在室溫下將製備好的光陽極浸入 N719 染液 24 小時後取出，將染液回收至避光瓶後再以乙醇將玻璃上多餘的染液沖掉。

以微量秤量測100mg的N719染料粉末

N719粉末在熱攪伴過程中應避免光害

1.5 在對電極上製備銀線

1. 用 Kapton 膠帶貼在玻璃上來製作銀線的 mask，銀漿的型號是 Acheson 的 725A，使用玻璃塗布器塗布 。塗布完後將對電極放入電窯以 120ºC 烘烤 15 分鐘，再自然冷卻至室溫。

銀線遮罩製作

以725A銀漿製作的銀線

1.6 封裝

1. 兩個電極面上的塗層彼此面對面對接，使用數個夾子固定後並在其間注入電解液，使用滴管從開放的間隙中滴幾滴從 Great Cell Solar 購買的 EL-UHSE 電解液。

準備完成的對電極（左）與光電極（右）

組裝後的30x60cm染敏電池（有涓印圖案化、無銀線內置垂直導通串聯）

組裝後的30x60cm染敏電池（無涓印圖案化、有銀線內置垂直導通串聯

2. 結果與問題

2.1 量測電壓

1. 本實驗沒有使用太陽光模擬器做為測試光源，只有在中午的自然陽光下做輸出功率測量。完成品於封裝完後在第21天量測到開路電壓與開路電流分別約為 5.8V，51mA。

完成第21天量測開路電流

完成第21天量測開路電壓

2.3 封裝

由於只使用了六個夾子做為暫時封裝，而沒有正確的使用熱壓膠膜來封裝兩片電極，因此電解質仍然在揮發的狀態中，另外由於在這個版本中也沒有使用熱壓膠將銀漿與電解液隔離開來，因此在注入電解液後的兩個小時內發現了銀漿與電解液有互相作用的現象，以及有部份銀漿被溶解的現象，但是在剛封裝完和經過一個月後再測量電池，仍然都得到約 0.33 瓦的輸出，沒有發現效能有極大的衰減。

銀漿與電解液互相作用後產生銀漿溶化並在電解液中擴散的現象

Reference

Mariani, Paolo, Antonio Agresti, Luigi Vesce, Sara Pescetelli, Alessandro Lorenzo Palma, Flavia Tomarchio, Panagiotis Karagiannidis, Andrea C. Ferrari, and Aldo Di Carlo. 2021. “Graphene-Based Interconnects for Stable Dye-Sensitized Solar Modules.” ACS Applied Energy Materials 4 (1): 98–110. https://doi.org/10.1021/acsaem.0c01960.
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