研究生: |
何恕德 Ho, Shu-Te |
---|---|
論文名稱: |
寬能隙半導體奈米材料之合成及其應用於染料敏化太陽能電池 Synthesis of Wide Bandgap Semiconducting Nanomaterials and their Applications for Dye-sensitized Solar Cells |
指導教授: |
林鶴南
Lin, Heh-Nan |
口試委員: | |
學位類別: |
博士 Doctor |
系所名稱: |
工學院 - 材料科學工程學系 Materials Science and Engineering |
論文出版年: | 2009 |
畢業學年度: | 98 |
語文別: | 英文 |
論文頁數: | 85 |
中文關鍵詞: | 寬能隙 、奈米材料 、染料敏化太陽能電池 、氧化鋅 、二氧化鈦 |
外文關鍵詞: | wide bandgap, nanomaterial, dye-sensitized solar cell, zinc oxide, titanium dioxide |
相關次數: | 點閱:2 下載:0 |
分享至: |
查詢本校圖書館目錄 查詢臺灣博碩士論文知識加值系統 勘誤回報 |
在我的論文研究中,合成了兩種重要的寬能隙半導性奈米材料:氧化鋅奈米線與銳鈦礦的氧化鈦奈米顆粒,前者是使用無催化劑的熱蒸鍍法,後者為水熱法,其奈米晶體藉由穿透式電子顯微鏡與X光繞射儀進行鑑定。氧化鋅奈米線的成長機制:表面粗糙度輔助氣-固相在此論文中被提出與討論,而且發現奈米線直徑與基板粗糙度的相關性,並且基於此成長機制,達成無催化劑下的氧化鋅奈米線高溫選區成長。
分別應用氧化鋅奈米線與氧化鈦奈米顆粒在染料敏化太陽能電池的光陽極材料中,結合高溫製成的氧化鋅奈米線,因具有絕佳的結晶性,藉此提升電子傳輸效率,使得電池轉換效率與填充因子分別達到為1.33%與0.52。利用銳鈦礦結構的氧化鈦奈米顆粒所製成的太陽能電池達到轉換效率與填充因子分別為8.86%與0.71,使用電化學阻抗分析儀量測氧化鈦電池的載子傳輸與再結合特性,並計算得到氧化鈦光陽極在照光開路下的電阻率。
We have conducted the synthesis of 2 wide bandgap semiconducting nanomaterials: single crystalline ZnO nanowires and pure-anatase TiO2 nanoparticles by using catalyst-free thermal evaporation and hydrothermal methods, respectively. The surface-roughness-assisted vapor-solid growth mechanism of ZnO nanowires has been discussed in which the roughness-dependence of nanowire diameter is discovered and the selective-area growth of ZnO nanowire array can be achieved successfully based on this above mechanism without using either catalysts or seedlayers. Transmission electron microscope and x-ray diffraction have been used to characterize both of nanomaterials.
ZnO nanowires and TiO2 nanoparticles have been applied for photoanode materials in dye-sensitized solar cell. Dye-sensitized solar cells with ZnO nanowires and TiO2 nanoparticles have been fabricated with conversion efficiencies of 1.33% and 8.86% and fill factors of 0.52 and 0.71, respectively. The efficiency 1.33% of the former is improved due to the use of high crystalline ZnO nanowires. Electrochemical impedance spectroscopy has been also used to analyze properties of charge transport and recombination of the latter. The resistivity of TiO2 photoanode under illumination is obtained.
[1] C. G. Van de Walle and J. Neugebauer, Nature, 423, 626 (2003).
[2] M. Gr□tzel, Nature, 414, 338 (2001).
[3] Z. L. Wang, J. Phys.-Condes. Matter, 16, R829 (2004).
[4] S. J. Pearton, D. P. Norton, K. Ip, Y. W. Heo and T. Steiner, Prog. Mater. Sci., 50, 293 (2005).
[5] J. Zhou, N. S. Xu and Z. L. Wang, Adv. Mater., 18, 2432 (2006).
[6] U. Diebold, Surf. Sci. Rep., 48, 53 (2003).
[7] M. R. Hoffmann, S. T. Martin, W. Y. Choi and D. W. Bahnemann, Chem. Rev., 95, 69 (1995).
[8] P. Bonhote, E. Gogniat, M. Gr□tzel and P. V. Ashrit, Thin Solid Films, 350, 269 (1999).
[9] T. Dittrich, E. A. Lebedev and J. Weidmann, Phys. Status Solidi A-Appl. Res., 165, R5 (1998).
[10] F. Cao, G. Oskam, G. J. Meyer and P. C. Searson, J. Phys. Chem., 100, 17021 (1996).
[11] B. O'Regan and M. Gr□tzel, Nature, 353, 737 (1991).
[12] M. K. Nazeeruddin, A. Kay, I. Rodicio, R. Humphrybaker, E. Muller, P. Liska, N. Vlachopoulos and M. Gr□tzel, J. Am. Chem. Soc., 115, 6382 (1993).
[13] M. Gr□tzel, Inorg. Chem., 44, 6841 (2005).
[14] M. Gr□tzel, J. Photochem. Photobiol. C-Photochem. Rev., 4, 145 (2003).
[15] M. Law, L. E. Greene, J. C. Johnson, R. Saykally and P. D. Yang, Nature Materials, 4, 455 (2005).
[16] A. Kay and M. Gr□tzel, Chem. Mater., 14, 2930 (2002).
[17] S. Chappel, S. G. Chen and A. Zaban, Langmuir, 18, 3336 (2002).
[18] K. Sayama, H. Sugihara and H. Arakawa, Chem. Mater., 10, 3825 (1998).
[19] U. Bach, D. Lupo, P. Comte, J. E. Moser, F. Weissortel, J. Salbeck, H. Spreitzer and M. Gr□tzel, Nature, 395, 583 (1998).
[20] T. J. Kuo, C. N. Lin, C. L. Kuo and M. H. Huang, Chem. Mater., 19, 5143 (2007).
[21] W. I. Park, Y. H. Jun, S. W. Jung and G. C. Yi, Appl. Phys. Lett., 82, 964 (2003).
[22] G. W. Ho and A. S. W. Wong, Appl. Phys. A-Mater. Sci. Process., 86, 457 (2007).
[23] S. T. Ho, C. Y. Wang, H. L. Liu and H. N. Lin, Chem. Phys. Lett., 463, 141 (2008).
[24] R. S. Wagner and W. C. Ellis, Appl. Phys. Lett., 4, 89 (1964).
[25] W. Lu and C. M. Lieber, J. Phys. D: Appl. Phys., 39, R387 (2006).
[26] Y. W. Heo, D. P. Norton, L. C. Tien, Y. Kwon, B. S. Kang, F. Ren, S. J. Pearton and J. R. LaRoche, Mater. Sci. Eng. R-Rep., 47, 1 (2004).
[27] P. D. Yang and C. M. Lieber, Science, 273, 1836 (1996).
[28] P. D. Yang and C. M. Lieber, J. Mater. Res., 12, 2981 (1997).
[29] L. E. Greene, M. Law, D. H. Tan, M. Montano, J. Goldberger, G. Somorjai and P. D. Yang, Nano Lett., 5, 1231 (2005).
[30] L. E. Greene, B. D. Yuhas, M. Law, D. Zitoun and P. D. Yang, Inorg. Chem., 45, 7535 (2006).
[31] H. T. Ng, J. Han, T. Yamada, P. Nguyen, Y. P. Chen and M. Meyyappan, Nano Lett., 4, 1247 (2004).
[32] S. Ju, J. F. Li, J. Liu, P. C. Chen, Y. G. Ha, F. Ishikawa, H. Chang, C. W. Zhou, A. Facchetti, D. B. Janes and T. J. Marks, Nano Lett., 8, 997 (2008).
[33] D. S. Kim, R. Ji, H. J. Fan, F. Bertram, R. Scholz, A. Dadgar, K. Nielsch, A. Krost, J. Christen, U. Gosele and M. Zacharias, Small, 3, 76 (2007).
[34] X. D. Wang, C. J. Summers and Z. L. Wang, Nano Lett., 4, 423 (2004).
[35] D. F. Liu, Y. J. Xiang, X. C. Wu, Z. X. Zhang, L. F. Liu, L. Song, X. W. Zhao, S. D. Luo, W. J. Ma, J. Shen, W. Y. Zhou, G. Wang, C. Y. Wang and S. S. Xie, Nano Lett., 6, 2375 (2006).
[36] M. H. Huang, S. Mao, H. Feick, H. Q. Yan, Y. Y. Wu, H. Kind, E. Weber, R. Russo and P. D. Yang, Science, 292, 1897 (2001).
[37] M. H. Huang, Y. Y. Wu, H. Feick, N. Tran, E. Weber and P. D. Yang, Adv. Mater., 13, 113 (2001).
[38] J. H. He, J. H. Hsu, C. W. Wang, H. N. Lin, L. J. Chen and Z. L. Wang, J. Phys. Chem. B, 110, 50 (2006).
[39] H. J. Fan, P. Werner and M. Zacharias, Small, 2, 700 (2006).
[40] C. Cheng, M. Lei, L. Feng, T. L. Wong, K. M. Ho, K. K. Fung, M. M. T. Loy, D. P. Yu and N. Wang, ACS Nano, 3, 53 (2009).
[41] Y. J. Kim, C. H. Lee, Y. J. Hong, G. C. Yi, S. S. Kim and H. Cheong, Appl. Phys. Lett., 89, 163128 (2006).
[42] B. S. Kang, S. J. Pearton and F. Ren, Appl. Phys. Lett., 90, 3 (2007).
[43] C. H. Wang, A. S. W. Wong and G. W. Ho, Langmuir, 23, 11960 (2007).
[44] Y. J. Hong, S. J. An, H. S. Jung, C. H. Lee and G. C. Yi, Adv. Mater., 19, 4416 (2007).
[45] J. W. P. Hsu, Z. R. Tian, N. C. Simmons, C. M. Matzke, J. A. Voigt and J. Liu, Nano Lett., 5, 83 (2005).
[46] B. Weintraub, Y. L. Deng and Z. L. Wang, J. Phys. Chem. C, 111, 10162 (2007).
[47] T. L. Sounart, J. Liu, J. A. Voigt, J. W. P. Hsu, E. D. Spoerke, Z. Tian and Y. B. Jiang, Adv. Funct. Mater., 16, 335 (2006).
[48] M. R. Ranade, A. Navrotsky, H. Z. Zhang, J. F. Banfield, S. H. Elder, A. Zaban, P. H. Borse, S. K. Kulkarni, G. S. Doran and H. J. Whitfield, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., 99, 6476 (2002).
[49] X. Chen and S. S. Mao, Chem. Rev., 107, 2891 (2007).
[50] T. Sugimoto, X. P. Zhou and A. Muramatsu, (Academic Press Inc Elsevier Science, 2003) p. 43.
[51] T. Sugimoto, X. P. Zhou and A. Muramatsu, (Academic Press Inc Elsevier Science, 2003) p. 53.
[52] M. Andersson, L. Osterlund, S. Ljungstrom and A. Palmqvist, J. Phys. Chem. B, 106, 10674 (2002).
[53] J. Yang, S. Mei and J. M. F. Ferreira, J. Am. Ceram. Soc., 84, 1696 (2001).
[54] J. Yang, S. Mei and J. M. F. Ferreira, J. Mater. Res., 17, 2197 (2002).
[55] P. T. Hsiao, K. P. Wang, C. W. Cheng and H. S. Teng, J. Photochem. Photobiol. A, 188, 19 (2007).
[56] C. C. Tsai and H. S. Teng, Chem. Mater., 18, 367 (2006).
[57] S. Y. Chae, M. K. Park, S. K. Lee, T. Y. Kim, S. K. Kim and W. I. Lee, Chem. Mater., 15, 3326 (2003).
[58] X. Wang, J. Zhuang, Q. Peng and Y. D. Li, Nature, 437, 121 (2005).
[59] B. M. Wen, C. Y. Liu and Y. Liu, Inorg. Chem., 44, 6503 (2005).
[60] J. A. Ayllon, A. Figueras, S. Garelik, L. Spirkova, J. Durand and L. Cot, J. Mater. Sci. Lett., 18, 1319 (1999).
[61] J. J. Wu and C. C. Yu, J. Phys. Chem. B, 108, 3377 (2004).
[62] J. M. Wu, H. C. Shih and W. T. Wu, Chem. Phys. Lett., 413, 490 (2005).
[63] Y. Lei, L. D. Zhang and J. C. Fan, Chem. Phys. Lett., 338, 231 (2001).
[64] S. Q. Liu and K. L. Huang, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 85, 125 (2005).
[65] S. M. Liu, L. M. Gan, L. H. Liu, W. D. Zhang and H. C. Zeng, Chem. Mater., 14, 1391 (2002).
[66] B. L. Bischoff and M. A. Anderson, Chem. Mater., 7, 1772 (1995).
[67] G. J. Wilson, G. D. Will, R. L. Frost and S. A. Montgomery, J. Mater. Chem., 12, 1787 (2002).
[68] S. Music, M. Gotic, M. Ivanda, S. Popovic, A. Turkovic, R. Trojko, A. Sekulic and K. Furic, Mater. Sci. Eng. B-Solid State Mater. Adv. Technol., 47, 33 (1997).
[69] V. Shklover, Y. E. Ovchinnikov, L. S. Braginsky, S. M. Zakeeruddin and M. Gr□tzel, Chem. Mater., 10, 2533 (1998).
[70] N. G. Park, J. van de Lagemaat and A. J. Frank, J. Phys. Chem. B, 104, 8989 (2000).
[71] K. D. Benkstein, N. Kopidakis, J. van de Lagemaat and A. J. Frank, J. Phys. Chem. B, 107, 7759 (2003).
[72] M. Adachi, Y. Murata, J. Takao, J. T. Jiu, M. Sakamoto and F. M. Wang, J. Am. Chem. Soc., 126, 14943 (2004).
[73] H. J. Koo, Y. J. Kim, Y. H. Lee, W. I. Lee, K. Kim and N. G. Park, Adv. Mater., 20, 195 (2008).
[74] M. K. Nazeeruddin, R. Humphry-Baker, P. Liska and M. Gr□tzel, J. Phys. Chem. B, 107, 8981 (2003).
[75] D. Kuang, J. Brillet, P. Chen, M. Takata, S. Uchida, H. Miura, K. Sumioka, S. M. Zakeeruddin and M. Gr□tzel, ACS Nano, 2, 1113 (2008).
[76] Y. Ohsaki, N. Masaki, T. Kitamura, Y. Wada, T. Okamoto, T. Sekino, K. Niihara and S. Yanagida, Phys. Chem. Chem. Phys., 7, 4157 (2005).
[77] T. S. Kang, A. P. Smith, B. E. Taylor and M. F. Durstock, Nano Lett., 9, 601 (2009).
[78] G. K. Mor, K. Shankar, M. Paulose, O. K. Varghese and C. A. Grimes, Nano Lett., 6, 215 (2006).
[79] S. Chuangchote, T. Sagawa and S. Yoshikawa, Appl. Phys. Lett., 93, 3 (2008).
[80] M. Y. Song, Y. R. Ahn, S. M. Jo, D. Y. Kim and J. P. Ahn, Appl. Phys. Lett., 87, 3 (2005).
[81] K. Y. Cheung, C. T. Yip, A. B. Djurisic, Y. H. Leung and W. K. Chan, Adv. Funct. Mater., 17, 555 (2007).
[82] R. Jose, A. Kumar, V. Thavasi and S. Ramakrishna, Nanotechnology, 19, 7 (2008).
[83] S. C. Yang, D. J. Yang, J. Kim, J. M. Hong, H. G. Kim, I. D. Kim and H. Lee, Adv. Mater., 20, 1059 (2008).
[84] K. Lee, S. W. Park, M. J. Ko, K. Kim and N. G. Park, Nature Materials, 8, 665 (2009).
[85] M. Durr, A. Schmid, M. Obermaier, S. Rosselli, A. Yasuda and G. Nelles, Nature Materials, 4, 607 (2005).
[86] H. Rensmo, K. Keis, H. Lindstrom, S. Sodergren, A. Solbrand, A. Hagfeldt, S. E. Lindquist, L. N. Wang and M. Muhammed, J. Phys. Chem. B, 101, 2598 (1997).
[87] M. Law, L. E. Greene, A. Radenovic, T. Kuykendall, J. Liphardt and P. D. Yang, J. Phys. Chem. B, 110, 22652 (2006).
[88] C. Y. Jiang, X. W. Sun, G. Q. Lo, D. L. Kwong and J. X. Wang, Appl. Phys. Lett., 90, 263501 (2007).
[89] H. M. Cheng, W. H. Chiu, C. H. Lee, S. Y. Tsai and W. F. Hsieh, J. Phys. Chem. C, 112, 16359 (2008).
[90] I. D. Kim, J. M. Hong, B. H. Lee, D. Y. Kim, E. K. Jeon, D. K. Choi and D. J. Yang, Appl. Phys. Lett., 91, 163109 (2007).
[91] Y. F. Hsu, Y. Y. Xi, A. B. Djurisic and W. K. Chan, Appl. Phys. Lett., 92, 3 (2008).
[92] J. B. Baxter and E. S. Aydil, Appl. Phys. Lett., 86, 3 (2005).
[93] A. Du Pasquier, H. H. Chen and Y. C. Lu, Appl. Phys. Lett., 89, 253513 (2006).
[94] A. B. F. Martinson, J. W. Elam, J. T. Hupp and M. J. Pellin, Nano Lett., 7, 2183 (2007).
[95] E. Hosono, S. Fujihara, I. Honna and H. S. Zhou, Adv. Mater., 17, 2091 (2005).
[96] K. Kakiuchi, E. Hosono and S. Fujihara, J. Photochem. Photobiol. A, 179, 81 (2006).
[97] T. P. Chou, Q. F. Zhang and G. Z. Cao, J. Phys. Chem. C, 111, 18804 (2007).
[98] K. Westermark, H. Rensmo, H. Siegbahn, K. Keis, A. Hagfeldt, L. Ojamae and P. Persson, J. Phys. Chem. B, 106, 10102 (2002).
[99] M. Adachi, M. Sakamoto, J. T. Jiu, Y. Ogata and S. Isoda, J. Phys. Chem. B, 110, 13872 (2006).
[100] R. Kern, R. Sastrawan, J. Ferber, R. Stangl and J. Luther, Electrochim. Acta, 47, 4213 (2002).
[101] J. Bisquert, J. Phys. Chem. B, 106, 325 (2002).
[102] L. Y. Han, N. Koide, Y. Chiba and T. Mitate, Appl. Phys. Lett., 84, 2433 (2004).
[103] L. Y. Han, N. Koide, Y. Chiba, A. Islam, R. Komiya, N. Fuke, A. Fukui and R. Yamanaka, Appl. Phys. Lett., 86, 3 (2005).
[104] A. Hauch and A. Georg, Electrochim. Acta, 46, 3457 (2001).
[105] M. D. Irwin, B. Buchholz, A. W. Hains, R. P. H. Chang and T. J. Marks, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., 105, 2783 (2008).
[106] A. W. Ott and R. P. H. Chang, Mater. Chem. Phys., 58, 132 (1999).
[107] S. Ito, P. Chen, P. Comte, M. K. Nazeeruddin, P. Liska, P. Pechy and M. Gr□tzel, Prog. Photovoltaics, 15, 603 (2007).
[108] S. T. Ho, K. C. Chen, H. A. Chen, H. Y. Lin, C. Y. Cheng and H. N. Lin, Chem. Mater., 19, 4083 (2007).
[109] T. P. Chou, Q. F. Zhang and G. Z. Cao, J. Phys. Chem. C, 111, 18804 (2007).
[110] Y. F. Gao, M. Nagai, T. C. Chang and J. J. Shyue, Cryst. Growth Des., 7, 2467 (2007).
[111] J. B. Baxter, A. M. Walker, K. van Ommering and E. S. Aydil, Nanotechnology, 17, S304 (2006).
[112] J. J. Wu, G. R. Chen, H. H. Yang, C. H. Ku and J. Y. Lai, Appl. Phys. Lett., 90, 213109 (2007).
[113] Y. F. Hsu, Y. Y. Xi, A. B. Djurisic and W. K. Chan, Appl. Phys. Lett., 92, 133507 (2008).
[114] K. S. Leschkies, R. Divakar, J. Basu, E. Enache-Pommer, J. E. Boercker, C. B. Carter, U. R. Kortshagen, D. J. Norris and E. S. Aydil, Nano Lett., 7, 1793 (2007).
[115] M. Law, L. E. Greene, A. Radenovic, T. Kuykendall, J. Liphardt and P. D. Yang, J. Phys. Chem. B, 110, 22652 (2006).
[116] B. A. Gregg, J. Phys. Chem. B, 107, 4688 (2003).