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研究生： 黃信凱
論文名稱： 寬光譜吸收之染料敏化太陽能電池之研究
The research on the wide-spectrum-absorption devices of dye-sensitized solar cells
指導教授： 陳福榮
蔡春鴻
口試委員: 丁志明
呂志鵬
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 原子科學院 - 工程與系統科學系
Department of Engineering and System Science
論文出版年： 2012
畢業學年度： 100
語文別： 中文
論文頁數： 84
中文關鍵詞： 染料敏化太陽能電池 、寬光譜吸收 、網印 、旋轉塗佈
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    • 典型的染料敏化太陽能電池通常只吸附一種染料，使得有效光波長範圍侷限在染料可吸收範圍。在本研究中，成功利用二種製程方法讓單一工作電極同時吸附二種染料來增加光吸收範圍，這二種染料為N719(吸收範圍可達720nm)與N749(吸收範圍可達920nm)。第一種製程方法(P1)為將二層二氧化鈦薄膜堆疊在工作電極上且各自吸附不同的染料；另一種製程方法(P2)為二氧化鈦薄膜在吸附第一種染料之後，使用沾有氫氧化鈉溶液的擦拭紙將在二氧化鈦薄膜表面的染料擦除，然後再讓二氧化鈦薄膜吸附第二種染料。
    在實驗量測的部分，透過掃描式電子顯微鏡(FEG-SEM)、比表面積量測儀(Chemisorption - Physisorption Analyzer)和紫外光-可見光譜儀(UV-Visible Spectrometer)量測工作電極上的二氧化鈦薄膜的形貌與染料的吸收值與吸附量。利用太陽光模擬器(Solar Simulator)、全波段入射光轉換效率量測儀(IPCE)和電化學阻抗分析儀(EIS)來量測電池元件的表現與特性。本研究的電池元件皆使用Surlyn膜封裝並注入電解液(GBL-based)。在P1製程的電池元件中，其轉換效率並未能有所提升(3.23%)，一層染料分子間隔了二層二氧化鈦薄膜導致未有良好的接觸，使得電子容易再結合無法有效傳遞為主要原因。相對的，使用P2製程的電池元件在AM1.5的太陽模擬光環境下，其轉換效率可達到4.79%(開路電壓 = 0.67 V，短路電流 = 10.69 mA/cm2，填充因子 = 0.67)。與使用單一染料的電池元件相比(4.27%)，使用複合染料的寬光譜吸收的染料敏化太陽能電池元件能更有效利用各波長之入射光，因此轉換效率相對提升了12%。

    第一章 緒論…………………………………………………………………………1 1-1 前言……………………………………………………………………………1 1-2 太陽能電池的發展……………………………………………………………1 1-2-1 矽晶太陽能電池……………………………………………………………2 1-2-2 薄膜太陽能電池……………………………………………………………2 1-2-3 第三代太陽能電池…………………………………………………………3 1-3 染料敏化太陽能電池…………………………………………………………3 1-4 研究動機………………………………………………………………………4 第二章 文獻回顧……………………………………………………………………6 2-1 染料敏化太陽能電池之結構與原理…………………………………………6 2-1-1 染料敏化太陽能電池之工作原理…………………………………………6 2-1-2 寬能隙氧化物半導體………………………………………………………9 2-1-3 染料光敏化劑……………………………………………………………10 2-1-4 電解質……………………………………………………………………11 2-1-5 對電極……………………………………………………………………12 2-2 太陽能電池電壓電流輸出特性……………………………………………13 2-3 串疊式太陽能電池…………………………………………………………14 2-4 複合染料……………………………………………………………………16 第三章 實驗流程與量測儀器……………………………………………………33 3-1 實驗藥品……………………………………………………………………33 3-2 實驗流程……………………………………………………………………34 3-3 實驗步驟……………………………………………………………………34 3-3-1 清洗玻璃基板……………………………………………………………34 3-3-2 網印二氧化鈦薄膜………………………………………………………35 3-3-2 高溫燒結…………………………………………………………………35 3-3-3 浸泡染料…………………………………………………………………35 3-3-4 旋轉塗佈二氧化鈦薄膜…………………………………………………36 3-3-5 氫氧化鈉溶液處理工作電極……………………………………………36 3-3-6 電池元件組裝……………………………………………………………37 3-4 量測儀器……………………………………………………………………37 3-4-1 場發射電子顯微鏡(FE-SEM)……………………………………………37 3-4-2 比表面積量測儀(Chemisorption-physisorption Analyzer)…………………38 3-4-3 紫外光-可見光譜儀(UV-Visible Spectrometer)………………38 3-4-4 太陽光模擬器(Solar Simulator)……………………………………39 3-4-5 全波段入射光轉換效率量測儀(IPCE)…………………………………39 3-4-6 電化學阻抗分析儀(EIS)………………………………………………40 第四章 結果與討論………………………………………………………………55 4-1 P1製程之性質分析與效率量測……………………………………………55 4-1-1 二氧化鈦形貌與厚度控制………………………………………………55 4-1-2 染料吸收值與染料吸附量分析…………………………………………55 4-1-3 電池元件效率量測分析…………………………………………………57 4-1-4 電化學阻抗分析量測……………………………………………………58 4-2 P2製程之性質分析與效率量測……………………………………………59 4-2-1 二氧化鈦形貌與厚度控制………………………………………………59 4-2-2 染料吸收值與染料吸附量分析…………………………………………59 4-2-3 電池元件效率量測分析…………………………………………………60 4-2-4 電化學阻抗分析量測……………………………………………………62 第五章 結論………………………………………………………………………79 參考目錄……………………………………………………………………………80

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