以工藝玻璃窯製造大型玻璃基染料敏化太陽能電池

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，可在小型工作室製作。手工成品轉換效率僅約2-4No value assigned-15％的商業光伏產品，但由於其二氧化鈦層的圖案以及顏色可被高度客制化，做為藝術品、建材或是透明智慧介面仍具相當價值。相對於市面產品一般為10平方公分以內，本文紀錄了由小型玻璃電窯製作的 30x60 公分並由12片較小電池串聯起來的大型玻璃基底原型。其中化學漿料與染料皆為購自 Great Cells Solar 的產品，大部份製程採取染料敏化電池的典型製程。本實驗中有發現玻璃的熱變形現象，但可通過再燒結過程中在實驗品上置放隔熱板來減少熱變形的程度。最後成品輸出達約0.3到0.5瓦，可以支持一個小型的低電流風扇運作。

圖 1. 第三代太陽能電池發展歷史，左上為本實驗中介紹的染料敏化太陽能電池。

圖 2. 本實驗參考的垂直導通串聯電路設計，但省略了熱融沙林膜的製程，因此只有數週壽命 [1]。

1. 實驗製備

1.1 蝕刻導電玻璃

為了獲得增加總輸出電壓到 5 伏特，我們必需在電池內部製作垂直導通串聯電路。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，在圖 2 中解釋了該結構的剖面和 12 個電池在兩片玻璃電極中的相對尺寸與位置。

圖 3. 蝕刻、製造二氧化鈦光電極和鉑對電極層的步驟中，皆使用 Kapton 膠帶製造的網版遮罩和 Doctor blade 方法來製作塗層。

圖 4. 使用電表檢查 12 條導電區塊是否完全不導通。

圖 5. 被蝕刻過後的光電極與對電極，可以由肉眼辨視蝕刻過的區域。

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。

圖 6. 二氧化鈦光電極燒結溫度參考曲線。

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。

圖 7. 鉑對電極燒結溫度參考曲線。

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儲放於陰暗處。

圖 8. 以微量秤量測100mg的N719染料粉末。

圖 9. N719粉末在熱攪伴過程中應避免光害。

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。

1.5 在鉑對電極上製備銀線

圖 10. 使用 Kapton 膠帶製作銀線遮罩。

圖 11. 銀漿由 Acheson 購買的 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。

1.6 封裝

本原型只使用了六個長尾夾暫時封裝兩片 FTO 玻璃電極，省略了熱融沙林膜來封裝，電解質仍與空氣接觸並在慢慢揮發。兩個電極面上的塗層彼此面對面對接，使用6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。

圖 12. 準備完成的對電極（左）與光電極（右）。

圖 13. 組裝後的30x60cm染敏電池（無涓印圖案化、有銀線、垂直導通串聯。

2. 結果與問題

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。在封裝完成後一個月再測量電池，仍得到約 0.33 瓦的輸出。本文內以商業奈米材料和手工製作的原型已經接近可實用的產品等級，在轉換效率和可持續性上都遠高於植物染製的成品，像是光電極退色的問題已經大大得到改善。這些玻璃基的染料敏化太陽能電池也可透過雷射切割和網版印刷奈米圖層來符合參數化設計的需求。只是在注入電解液後的兩個小時內即發現了電解液溶解銀線的現象，如何使用熱融沙林膜來封裝大型電池仍是一個深具挑戰性的工作，未來仍將繼續深入研究。

圖 14. 測試壽命21天的電池，測得開路電流51mA。

圖 15. 測試壽命21天的電池，測得開路電壓 5.8V。

圖 16. 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

1. 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.
2. Wei, Tzu‐Chien, Jo‐Lin Lan, Chi‐Chao Wan, Wen‐Chi Hsu, and Ya‐Huei Chang. 2013. “Fabrication of Grid Type Dye Sensitized Solar Modules with 7% Conversion Efficiency by Utilizing Commercially Available Materials.” Progress in Photovoltaics: Research and Applications 21 (8): 1625–33. https://doi.org/10.1002/pip.2252.
3. Martineau, David. n.d. “Dye Solar Cells for Real.”
4. Jo, Yimhyun, Cho-long Jung, Jeongmin Lim, Byung Hoon Kim, Chi-Hwan Han, Junhee Kim, Sungwon Kim, Donghwan Kim, and Yongseok Jun. 2012. “A Novel Dye Coating Method for N719 Dye-Sensitized Solar Cells.” Electrochimica Acta 66 (April):121–25. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2012.01.055.