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研究生： 楊融華
Jung-Hua Yang
論文名稱： CdSe量子點應用於染料敏化太陽能電池研究(The efficiency of CdSe Quantum Dots on Dye-Sensitized Solar Cell)
The efficiency of CdSe Quantum Dots on Dye-Sensitized Solar Cell
指導教授： 開執中
陳福榮
口試委員:
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： 2008
畢業學年度： 96
語文別： 中文
論文頁數： 85
中文關鍵詞： 二氧化鈦 、染料敏化太陽能電池 、刮刀塗佈法 、硒化鎘 、量子點
外文關鍵詞： TiO2, Dye-Sensitized Solar Cell, DSSC, doctor blading, CdSe
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    • 本實驗研究指向利用奈米二氧化鈦(TiO2)多孔膜工作電極應用於染料敏化太陽能電池(Dye-Sensitized Solar Cell, DSSC)中。將製備的奈米多孔二氧化鈦漿料利用刮刀塗佈法(doctor blading)均勻塗抹在FTO導電玻璃上，形成工作電極。
    由於染料敏化太陽能電池元件為三明治結構，每一層和層與層間的界面都會影響到整體光電轉換效率的輸出，我們藉由以下處理來改善染料敏化太陽能電池的界面，並增加整體的光電轉換效率。(1)在工作電極與導電玻璃間添加緻密層； (2)經過高溫退火後的二氧化鈦電極分別作TiCl4和HCl不同的表面修飾與處理；(3)不同製程的Pt對電極其表面形態與影響效率的因素。
    DSSC中，主要將入射太陽光轉換成電子的光敏材料為染料(Dye)，實驗中我們使用染料N719，而染料N719對吸收可見光的波段能力有限，在540nm波段左右有較強吸收率，大於此波段之後的光波段其吸收效果降低了很多，而本實驗中我們藉由在二氧化鈦工作電極上加入硒化鎘(CdSe)量子點，以期望CdSe量子點能彌補染料N719光吸收不足的地方，增加對可見光中偏紅光區域波段的貢獻度，來達到共敏化的效應產生。由實驗結果顯示，加入量子點之後的太陽能電池效率從3.16%增加到了3.653%，增加了約15%的效率。

    章節目錄 章節 頁次 摘要 I 章節目錄 II 圖目錄 V 表目錄 Ⅸ 第一章 緒論 1 1-1 前言 1 1-2 研究動機與目的 3 第二章 理論背景與文獻回顧 4 2-1太陽能電池簡介 4 2-1-1各種太陽能電池發展簡介 4 2-1-2矽晶太陽能電池工作原理 6 2-2二氧化鈦的晶體結構與性質 7 2-3染料敏化太陽能電池(DSSC) 8 2-3-1染料敏化太陽能電池原理 9 2-3-2染料敏化太陽能電池基本結構 11 2-3-2-1工作電極 11 2-3-2-2染料 12 2-3-2-3電解質 13 2-3-2-4對電極 14 2-3-3評鑑電池性能之參數 15 2-3-4影響染料敏化太陽能電池效率之因素 16 2-4量子點敏化太陽能電池 18 第三章 實驗流程與實驗儀器 28 3-1實驗流程 28 3-2實驗步驟 28 3-2-1導電玻璃基材清洗 28 3-2-2製備多孔二氧化鈦 29 3-2-3製備緻密二氧化鈦 29 3-2-4刮刀塗佈法製備工作電極 30 3-2-5二氧化鈦電極之TiCl4表面處理 30 3-2-6二氧化鈦電極之酸處理 30 3-2-7吸附CdSe量子點 30 3-2-8染料調配 30 3-2-9電解質配置 31 3-2-10對電極製備 31 3-2-11元件組裝 31 3-3儀器與分析原理 32 3-3-1實驗儀器 32 3-3-2分析原理 32 3-3-2-1穿透式電子顯微鏡(TEM) 32 3-3-2-2掃描電子顯微鏡(SEM) 33 3-3-2-3 X光能量分散光譜儀 (EDS) 34 3-3-2-4 X光粉末繞射儀(XRD) 34 3-3-2-5原子力顯微鏡(AFM) 35 3-3-2-6太陽光模擬器 36 第四章 實驗結果與討論 48 4-1二氧化鈦工作電極之分析鑑定 48 4-1-1奈米二氧化鈦多孔膜 48 4-1-1-1 XRD分析 48 4-1-1-2 SEM、TEM分析 48 4-1-1-3 效率分析 49 4-1-2緻密二氧化鈦膜 49 4-1-2-1 XRD分析 49 4-1-2-2 SEM、TEM分析 50 4-1-2-3 效率分析 50 4-1-3添加緻密二氧化鈦層之影響 50 4-1-3-1 SEM分析 50 4-1-3-2 效率分析 51 4-2 TiCl4處理對效率的影響 51 4-3酸處理對效率的影響 52 4-3-1 XRD分析 52 4-3-2效率分析 52 4-4多重處理對效率的影響 53 4-5對電極對效率的影響 53 4-5-1 AFM分析 53 4-5-2效率分析 54 4-6添加量子點CdSe後之分析 55 第五章 結論 75 第六章 未來研究方向 77 參考文獻 78 圖目錄 圖2-1太陽能電池分類圖 19 圖2-2矽(Si)半導體排列結構 19 圖2-3矽晶體中摻入硼(B)原子，在硼原子周圍形成電洞 20 圖2-4矽晶體中摻入磷(P)原子，在磷原子周圍形成電子 20 圖2-5 p型和n型半導體接面，形成p-n junction 21 圖2-6由於n型與p型半導體間的電位差，p型區中的電子會往n型區移動，形成電子流 21 圖2-7二氧化鈦之三種晶體結構圖 22 圖2-8 DSSC基本結構層 22 圖2-9 DSSC基本發電原理 23 圖2-10染料N-719之吸收光譜圖 23 圖2-11不同染料之結構 24 圖2-12 DSSC之I-V曲線圖 24 圖2-13碰撞電離(impact ionization)效應示意圖 25 圖3-1實驗流程圖 37 圖3-2奈米二氧化鈦多孔膜製備流程圖 38 圖3-3刮刀塗佈法製備二氧化鈦工作電極示意圖 39 圖3-4 Pt對電極製備過程示意圖 40 圖3-5電池元件封裝過程示意圖 41 圖3-6入射電子束與樣品作用後，產生不同的訊號 42 圖3-7穿透式電子顯微鏡構造示意圖 42 圖3-8電子顯微鏡外觀圖 43 圖3-9掃描式電子顯微鏡構造示意圖 43 圖3-10入射電子與原子內層軌域的電子作用形成(a)非彈性散射電子、(b)特徵X光、(c)歐傑電子 44 圖3-11 X光能量分散光譜儀示意圖 44 圖3-12 X光與試片作用形成的布拉格繞射條件示意圖 45 圖3-13原子力顯微鏡原理示意圖 45 圖3-14太陽光模擬器外觀圖 46 圖3-15太陽能光譜圖 47 圖3-16空氣質量示意圖 47 圖4-1在anatase相二氧化鈦電極中摻雜些許的rutile相二氧化鈦粒子，能散射入射光增加入射光的利用 57 圖4-2多孔二氧化鈦電極XRD分析圖 57 圖4-3奈米級二氧化鈦多孔膜之掃描式電子顯微鏡(SEM)影像圖 58 圖4-4二氧化鈦粉末於穿透式電子顯微鏡(TEM)下的影像圖 58 圖4-5多孔二氧化鈦電極厚度(thickness)約為5.6μm 59 圖4-6利用P25二氧化鈦粉末製備的太陽能電池，經過太陽光模擬器100mW/cm2照射下，其電池輸出的參數值 59 圖4-7多孔二氧化鈦電極橫剖面(cross section)的型態 60 圖4-8小顆粒5nm二氧化鈦粉末之XRD分析 60 圖4-9小顆粒5nm二氧化鈦的掃描式電子顯微鏡(SEM)影像圖 61 圖4-10小顆粒二氧化鈦之穿透式電子顯微鏡影像圖 61 圖4-11小顆粒5nm二氧化鈦製備出的電池測出來的參數值 62 圖4-12 SEM cross section影像，可以明顯看出兩層結構 62 圖4-13有無添加緻密層對效率的影響 63 圖4-14緻密層對工作電極影響示意圖 63 圖4-15工作電極經由TiCl4處理後，整體的光電轉換效率能夠提高 64 圖4-16 TiCl4溶液會經由水解反應而形成TiO2 ，在工作電極上的粒子之間形成「橋梁」，增加粒子間的連接性 64 圖4-17二氧化鈦未經過TiCl4處理時的TEM影像 65 圖4-18二氧化鈦電極經過TiCl4處理之後的TEM影像 65 圖4-19未經過HCl酸處理與經過酸處理之後的工作電極其晶相的變化 66 圖4-20未經過HCl酸處理與經過酸處理之後的工作電極其效率的變化 66 圖4-21多重處理對電池效率的影響 67 圖4-22 TiCl4、HCl以及TiCl4 & HCl多重處理分別對DSSC效率的影響 67 圖4-23利用濺鍍法將Pt沉積在導電玻璃上的AFM表面形態 68 圖4-24利用H2PtCl6溶液均勻塗抹在導電玻璃上，經過熱處理後的AFM表面型態 68 圖4-25不同方法製備的對電極對效率所造成的影響 69 圖4-26鏡面狀的Pt對電極可以將穿透工作電極而沒利用到的入射光加以反射回去，間接增加了入射光的利用程度 69 圖4-27染料N719的吸收光譜圖 70 圖4-28在二氧化鈦工作電極上吸附CdSe量子點示意圖 70 圖4-29藉由添加量子點來跟染料形成共敏化效應，增加對可見光的利用 71 圖4-30二氧化鈦電極中添加CdSe量子點之SEM影像 71 圖4-31 EDX分析圖 72 圖4-32二氧化鈦添加CdSe量子點之TEM影像圖 72 圖4-33添加與未添加CdSe量子點之IPCE比較圖 73 圖4-34添加CdSe量子點後對效率的影響 73 圖4-35不同量子點溶液浸泡時間對效率的影響 74 圖4-36浸泡量子點時間與效率的關係圖 74 表目錄 表2-1 各種種類太陽能電池之參數與效率比較 26 表2-2 二氧化鈦晶體結構之原子間鍵長和密度 26 表2-3 二氧化鈦的物理及化學性質 27 表2-4 Ⅱ-Ⅵ族、Ⅲ-Ⅴ族量子點 27 表2-5 不同量子點敏化太陽能電池參數值 27

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