[发明专利]形成含触媒层的电极的方法

说明书

技术领域

本发明是关于形成含触媒层的电极的方法，且特别是关于利用高分子包覆的贵金属粒子组成的触媒层形成电极的方法，以及此电极制造电化学装置的方法。

背景技术

近来由于染料敏化太阳能电池(dye-sensitized solar cell；DSSC)具有成为低成本储能组件的潜力，使得它的发展逐渐受到重视。传统上，DSSC的阳极(photoanode)是将染料敏化纳米结晶半导体层沉积在铟锡氧化物(indium-tin oxide；ITO)或氟锡氧化物(fluorine-doped tin oxide；FTO)玻璃上；阴极则是采用镀铂对电极(counter-electrode)。电解质一般为含有碘与三碘离子的氧化还原对的适当的介质。图1为DSSC的基本操作，其可总结成下述五个步骤：(1)在染料分子中发生光激发而产生电荷分离(如箭头1所示)；(2)电荷(此处为电子)注入介孔(mesoporous)二氧化钛(TiO₂)的导电带中；(3)电荷经负载(electronic load)至外部电路(如箭头2所示)；(4)透过电解质中的氧化还原对，染料还原至基态(如箭头3所示)；(5)在对电极上藉由外部电路所获得的电荷还原氧化还原对(如箭头4所示)。

在DSSC中，在对电极上还原氧化还原对的反应可表示如下：

I₃^-+2e^-→I^-

因为碘离子负责将氧化态的染料分子再生，故上述还原反应非常重要。一旦染料再生速度无法赶上染料氧化速度(即电子由染料分子注入TiO₂的导电带中)，将会严重影响电池的整体转换效能，甚至会使对电极表面产生碘结晶。

在先前技术中，若直接在ITO或FTO玻璃表面与有机溶剂接触施行上述还原反应，三碘离子还原动力会变得非常缓慢。故为了降低过电压，触媒材料会涂覆在ITO或FTO玻璃的表面以加速反应进行。

目前为止，铂为最普遍使用的触媒材料。基于成本和效率考虑，现已发展出许多方式来形成薄的铂层。溅镀是最常采用的方法。虽然此方法制造的镀铂电极具有良好的效能，但其必须在超高真空环境下进行，以致成本始终居高不下。

公元2004年，Papageorgiou等人于”Coord.Chem.Rev.248”发表称为「加热铂簇触媒(thermal cluster platinum catalyst)」的方法。此方法提供低的铂负载(约2～10μg/cm²)、良好的动力学效能(电荷传输阻力，R_CT＜0.1Ωcm²)、以及相对于传统铂沉积方法(如溅镀、电化学沉积)的机械稳定性。公元2004年，王等人于”Surf.InterfaceAnal.36”发表的文献更利用X射线光电光谱学研究加热铂簇触媒的稳定性，并且发现在加热铂簇触媒的过程中，铂簇触媒的表面会慢慢吸收碘，导致铂簇触媒的效能减弱。尽管藉由再加热处理可再生触媒效能，然而此方法需要加热至380℃，如此处理不但耗费能量且不适于量产。

其它诸如碳和导电高分子的材料亦提出作为DSSC中三碘离子反应的触媒。这些新的材料通常需制作成较厚的空隙层涂覆于基板上，才能获得可接受的触媒效果，而仍处于初步研发的阶段。

因此，DSSC相关的研究与开发技术都致力于进一步降低成本及提高效能。

发明内容

有鉴于此，本发明的一个目的是提供利用高分子包覆的贵金属粒子组成的触媒层来形成电极的方法，藉以改善触媒层的附着性，进而提高触媒效果。

本发明的另一个目的是提供利用上述电极制造电化学装置的方法，藉以提高电化学装置的效能。

根据本发明的一个技术方案，提出形成含触媒层的电极的方法。方法包括蚀刻基板表面、接着将基板浸泡至含有界面活性材料的溶液中而于基板表面上形成界面活性层、以及将基板浸泡至第二溶液中，藉以于界面活性层上形成贵金属触媒层，且第二溶液包含由高分子包覆的贵金属。

根据本发明的另一个技术方案，提出制造电化学装置的方法。方法包括利用封装膜组装二电极、以及注入电解质到二电极之间；其中形成任一个电极的步骤包括依序蚀刻及处理基板表面，接着将基板浸泡至含有由高分子包覆的贵金属的第二溶液中，藉以形成贵金属触媒层于基板表面。

实行上述方法能有效改善基板与后续形成的贵金属触媒层间的附着性，可增进触媒效果及提高电化学装置的效能。

附图说明

图1为依据现有技术的染料敏化太阳能电池的基本操作示意图；