染料敏化太陽能電池用之TiO2電極的製備

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黃建彰(Chien-chang Huang) 查詢紙本館藏

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化學學系

論文名稱

染料敏化太陽能電池用之TiO2電極的製備
(Fabrication of TiO2 Electrodes for Dye-Sensitized Solar Cells)

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摘要(中)

染料敏化太陽能電池具有可撓曲、透明度高、色彩鮮明且製作成本低廉等優點而備受矚目。電池元件中陽極所使用的半導體材料TiO2，利用其表面的-OH官能基和染料分子鍵結，使染料吸附在TiO2上。所產生的光電子再經由TiO2以擴散的方式傳遞至外線路。本研究重點為合成不同粒徑大小的TiO2奈米粒子H-T1和H-T5，並摻雜入ZnO這一個具有較高電子傳導速度的半導體，所製作的電極能吸附更多染料，並降低電池元件的電阻，進而產生較大的光電流。本論文同時針對本實驗室所合成的一系列有機染料，尋找最佳的TiO2 電極製造條件。此外，由於有機染料的共軛結構，容易因分子間的 π- π interaction而有聚集的現象，因此藉由不同量之共吸附劑DCA 、Cheno的添加，來提高電池元件的效能，如在F-DOT1溶液中添加15 mM的Cheno能夠大幅的改善電池元件的光電轉換效率由2.5 %增加為5.7 %。

摘要(英)

Great attention has been devoted to the solar energy conversion by dye-sensitized solar cell（DSSC）due to its advantages of flexible, transparent, colorful, light weight and low fabrication cost compared to the conventional p-n junction silicon solar cell. The anode of the DSSC was generally made with a wide band-gap semiconductor TiO2 deposited onto a transparent conducting oxide. The electrons in dye molecules adsorbed on TiO2 nanoporous film were excited and then inject into TiO2 conduction band to generate the photocurrent by sun light illuminating. The objective of this study is focus on the preparation of TiO2 electrode for DSSC by controlling the TiO2 particle size, additive and anode architecture, especially for organic sensitized DSSC. Furthermore, organic dye was generally designed as a donor-πconjugation bridge -acceptor structure. The conjugated bridge causes the aggregation of the dyes because of their π- πinteraction. In this study, two co-adsorbents DCA and Cheno were added separately into the dye solution to avoid the dye aggregation and suppress the electron recombination between the electron in TiO2 and I3- ion in the electrolyte. We found that by adding 15 mM Cheno in the F-DOT1 dye solution, the photo to current conversion efficiency can increase from 2.5 % to 5.7 %.

關鍵字(中)

★ 有機染料
★ 共吸附劑
★ TiO2電極
★ 染料敏化太陽能電池

關鍵字(英)

★ coadsorbents
★ TiO2 electrodes
★ organic dye
★ dye-sensitized solar cells

論文目次

中文摘要 Ι
英文摘要 II
誌謝 III
目錄 V
圖目錄 IX
表目錄 XIII
第一章緒論 1
1.1 前言 1
1.2 染料敏化太陽能電池的發展 1
1.3 染料敏化太陽能電池陽極的改良 7
1.4 二氧化鈦的簡介 11
1.5 氧化鋅的簡介 13
1.6 金屬氧化物奈米粒子的合成方法 14
1.6.1 溶膠－凝膠法 14
1.6.2 水熱法合成 14
1.7 共吸附劑的添加 15
1.8 研究動機 16
第二章實驗部分 18
2.1 實驗藥品與材料 18
2.2 實驗步驟 19
2.2.1 二氧化鈦奈米粒子的合成及漿料的調配 20
2.2.1.1 二氧化鈦奈米粒子的合成 20
2.2.1.2 二氧化鈦電極漿料的調配 21
2.2.2 二氧化鈦電極的組成修飾 21
2.2.2.1 二氧化鈦電極漿料中摻雜入氧化鋅奈米粒子 22
2.2.2.2 氧化鋅薄膜包覆二氧化鈦粒子電極漿料的配製 22
2.2.2.3 二氧化鈦電極漿料中摻雜入二氧化鈦奈米管柱 22
2.2.3 二氧化鈦電極的製作 23
2.2.4 二氧化鈦電極製程的改善 25
2.2.4.1 導電玻璃表面製作一層氧化鈦緻密層 25
2.2.4.2 利用含有Ti4+/Zn2+離子的溶液修飾TiO2電極表面 26
2.2.5 染料敏化太陽能電池元件的組裝與測試 26
2.2.6 有機染料的效率探討 28
2.2.6.1 二氧化鈦電極的厚度 28
2.2.6.2 在染料溶液中添加共吸附劑 28
2.3 儀器分析 29
2.3.1 場發射掃描式電子顯微鏡 29
2.3.2 紅外線吸收光譜儀 29
2.3.3 X光繞射儀 30
2.3.4 紫外光/可見光/近紅外光吸收光譜儀 31
2.3.5 交流阻抗儀 32
2.3.6 太陽光能模擬器 34
2.3.7 旋轉塗佈儀 35
2.3.8 高溫鍛燒爐 35
2.3.9 超音波震盪器 35
2.3.10 膜厚測量儀 35
第三章、結果與討論 37
3.1 二氧化鈦奈米粒子應用在電池二氧化鈦電極的製作 37
3.1.1 二氧化鈦電極SEM影像37
3.1.2 陽極電極紅外光光譜儀分析 39
3.1.3 二氧化鈦粒子X光繞射儀圖譜分 41
3.1.4 運用不同的二氧化鈦奈米粒子漿料製作電池元件 41
3.2 二氧化鈦電極的組成修飾 46
3.2.1 二氧化鈦電極漿料中摻雜入二氧化鈦奈米管柱 46
3.2.2 二氧化鈦電極漿料中摻雜入氧化鋅奈米粒子 48
3.2.3 氧化鋅薄膜包覆二氧化鈦奈米粒子複合材料電極 50
3.3 二氧化鈦電極的製程改善 53
3.3.1 導電玻璃表面製作氧化鈦緻密層 53
3.3.2 利用含有Ti4+/ Zn2+離子的溶液修飾TiO2電極表面 58
3.4 有機染料的效率探討 61
3.4.1 二氧化鈦電極的厚度 61
3.4.2 染料溶液中添加共吸附劑 63
3.4.3 製備適當厚度的二氧化鈦電極和添加入適量的共吸
附劑應用在有機染料敏化太陽能電池元件的測試 74
第四章、結論 87
第五章、參考文獻 89

參考文獻

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指導教授

吳春桂(Chun-Guey Wu)

審核日期

2009-7-27

推文