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染料敏化奈米晶格太陽電池 Dye-Sensitized Nanocrystalline Solar Cell (DSSC) 謝志先 吳鳳技術學院 電子工程系.

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1 染料敏化奈米晶格太陽電池 Dye-Sensitized Nanocrystalline Solar Cell (DSSC) 謝志先 吳鳳技術學院 電子工程系

2 內 容 大 綱內 容 大 綱 一、 DSSC 工作原理與結構 二、 DSSC 之優缺點 三、 DSSC 製程 四、 電性測試及應用展示 五、 實驗結果與討論

3 DSSC 之 工作原理 1. Dye + light  Dye* 2. Dye* + TiO 2  e - [TiO 2 ] + Dye + 3. e - [TiO 2 ] + C.E.  TiO 2 + e - [C.E.] + energy 4. ½ I e - [C.E.]  3/2 I - + C.E.

4 DSSC 之 反應流程 1. Dye + light  Dye* 2. Dye* + TiO 2  e - [TiO 2 ] + Dye + 3. e - [TiO 2 ] + C.E.  TiO 2 + e - [C.E.] + energy 4. ½ I e - [C.E.]  3/2 I - + C.E.

5 DSSC 結構

6  TiO 2 物理及化學性質穩定,且兼具無毒特性、親水 性,廣泛的應用於抑菌、殺菌、脫臭、自淨、防霉 等方面。  TiO 2 的應用範疇

7 1. TiO 2 材料的物理、化學性質穩定,且無毒性、 相較 其他材料或矽基太陽電池比較無環境污染之虞。 2. 相較矽太陽電池,原料成本低廉,製程簡易,製作成 本低許多。 3. 可製成可饒式電池模組 4. 具大尺寸、量產製程潛力。 DSSC 缺點 1. 轉換效率比矽基太陽電池低。 2. 染料激發態壽命不夠長,光電轉換效率目前尚低。 DSSC 優點

8 DSSC 製程 ( 以下所有照片均攝於本校實驗室 ) Step 1. 用天枰秤約 1g 的奈米 TiO 2 結 晶粉末。 放入研缽中,加入數滴稀醋 酸溶液,反覆研磨。 加入些許的介面活性劑,直 到獲得近似膏狀之均勻膠體 懸浮即可。 註:稀醋酸製備方式為將 0.1mL 的冰醋 酸緩緩加入 50 mL 的去離子水中。

9 Step 2. 用三用電表量測導電玻 璃之電阻。 導電面阻值≒ 20~30Ω 。 (準確值應用四線量測法) Step 3. 把導電玻璃的導電面朝 上,用一般膠帶將其中 三個邊貼著。 再用沾有乙醇的棉花棒 輕輕拭去表面指紋或是 油污。

10 Step 4. 將研磨完成之 TiO 2 膏狀 膠體懸浮液,以玻璃棒 均勻的平鋪在導電玻璃 的導電面上。 膠帶的作用為控制薄膜 的厚度。 Step 5. 塗抹完成後小心的把膠 帶移除。 避免過於乾燥後才撕去 膠帶,以免破壞薄膜。

11 Step 6. 用數位加熱攪拌器,將 塗有 TiO 2 薄膜之導電玻 璃朝上以 150 度高溫加熱 烘烤 10~20 分鐘。 加熱過程中會因為有機 溶劑與介面活性劑被燒 掉而呈淺棕色。 Step 7. 加熱完成後將含有花青 素之果汁,如藍莓、櫻 桃、覆盆子等果汁,浸 泡約半小時。 TiO 2 薄膜會因吸附染料 而改變其顏色。

12 Step 8. 用水輕輕洗去 TiO 2 薄膜 表面殘留的果汁。 再用乙醇緩緩的沖洗, 以去除水分,此即本太 陽電池之工作電極。 Step 9. 另取一片等面積的導電 玻璃。 將導電面用蠟燭燃燒的 火焰來回移動鍍上一層 碳膜。

13 Step 10. 用棉花棒拭去其中三個 邊的碳膜,此即本電池 之對電極。 Step 11. 把兩電極鍍膜面相對組 裝起來,沒有鍍膜的邊 緣需交錯開。 以微量滴管沿兩電極間 之邊緣,加入少許之電 解液。 電解液會因毛細作用而 擴散製兩電極間。 註: KI 3 電解液由 0.5 M KI 和 0.05M I 2 用乙二醇調製而成。

14 Step 12. 將兩電極接至三用電表, 負端接 TiO 2 工作電極,正 端接鍍有碳膜之對電極。 將塗有 TiO 2 薄膜面,置於 日光下測試即完成製作。 >> 電性實測短片 電性實測短片

15 電性測試 DSSC 尺寸峰值電壓 (v-max) 平均電壓 (v-avg) 峰值電流 (i-max) 1cm × 1.7cm 500mV330mV32.0μA 2cm × 2cm 420mV400mV37.1μA 1.5cm × 5cm 710mV500mV121μA DSSC 電性測量

16 應用展示  串連 6 片染料敏化太陽電池,量測可得最大電壓趨 近 2V ,可以驅動普通小型計算機。 驅動實測短片 驅動實測短片 <<

17 實驗結果與討論  在 DSSC 研製過程中,染料光敏化劑的光譜吸收特性和穩 定性是很重要的因素,若能尋求具有更寬吸收範圍的染料 光敏化劑,有助於提高光電能量轉換率。  TiO 2 因奈米化之後表面積增加數個數量級,這對於電極與 染料界面的接觸面積大幅增加,有助於提高染料敏化太陽 電池的光電轉換效率。  TiO 2 易使染料光解,進而導致接觸不良。因此,尋找低成 本、而性能良好的染料成為當前研究的一個重要課題。  實驗證實,染料的多層吸附是不可取的,因為只有非常靠 近二氧化鈦表面的敏化劑分子,才能把激發態的電子順利 地注入到 TiO 2 導帶中去,多層敏化劑反而會阻礙電子的輸 送,導致光電能量轉換率下降。  由於染料的激發態壽命不夠長,致使染料敏化太陽電池的 電荷傳輸效率較低。

18 總 結 染料敏化太陽電池未來的研究方向,仍應著 重於低成本高效能之染料開發。 研究及改善染料分子結構,提高電荷使用及 分離效率。 二氧化鈦光電極之結構改善,提高二氧化鈦 與染料分子之接觸面積。

19 參考文獻 [1] 閔庭輝,奈米 TiO 2 粒子應用於染料敏化太陽能電池之研究, 國立虎尾科技大學電子工程系。 [2] Bailey, M., Park, J., Dhirani, A. Department of Chemistry, University of Toronto 。 [3] 羅幼旭實驗室, TiO 2 奈米多孔性薄膜於染料敏化太陽能電 池 (DSSC) 之應用,東華大學化學系。 [4] 洪長春,能源應用材料 - 奈米二氧化鈦專利介紹,國研院科 技政策研究與資訊中心副研究員。 [5] 呂宗昕、吳偉宏,奈米科技與二氧化鈦光觸媒,科學發展 376 期。

20 Thanks For Your Attention 恭請賜教


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