染料敏化奈米晶格太陽電池 Dye-Sensitized Nanocrystalline Solar Cell (DSSC)

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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 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* + TiO2  e-[TiO2] + Dye+
3. e-[TiO2] + C.E.  TiO2 + e-[C.E.] + energy 4. ½ I3- + e-[C.E.]  3/2 I- + C.E.

4 DSSC之 反應流程 1. Dye + light  Dye* 2. Dye* + TiO2  e-[TiO2] + Dye+
3. e-[TiO2] + C.E.  TiO2 + e-[C.E.] + energy 4. ½ I3- + e-[C.E.]  3/2 I- + C.E.

5 DSSC結構

6 TiO2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。

7 DSSC 優點 DSSC 缺點 1. TiO2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。

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TiO2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 把導電玻璃的導電面朝上，用一般膠帶將其中三個邊貼著。
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TiO2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TiO2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。 TiO2薄膜會因吸附染料而改變其顏色。

12 Step 8. 用水輕輕洗去TiO2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 用棉花棒拭去其中三個邊的碳膜，此即本電池之對電極。
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：KI3電解液由0.5 M KI 和0.05M I2 用乙二醇調製而成。

14 Step 12. 將兩電極接至三用電表，負端接TiO2工作電極，正端接鍍有碳膜之對電極。 將塗有TiO2薄膜面，置於日光下測試即完成製作。 >> 電性實測短片

15 電性測試 DSSC電性測量 DSSC尺寸 峰值電壓(v-max) 平均電壓(v-avg) 峰值電流(i-max) 1cm × 1.7cm
500mV 330mV 32.0μA 2cm × 2cm 420mV 400mV 37.1μA 1.5cm × 5cm 710mV 121μA

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<<

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。 TiO2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。 TiO2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TiO2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。
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TiO2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，TiO2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。

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