淡江大學覺生紀念圖書館 (TKU Library)
進階搜尋


下載電子全文限經由淡江IP使用) 
系統識別號 U0002-2407200711473000
中文論文名稱 染料敏化太陽能電池製作及性質
英文論文名稱 Manufacturing and Properties of Dye-Sensitized Solar Cell
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 96
學期 2
出版年 96
研究生中文姓名 薛人豪
研究生英文姓名 Jen-Hao Hsueh
學號 694340323
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2007-05-21
論文頁數 69頁
口試委員 指導教授-林清彬
委員-張子欽
委員-劉文欽
中文關鍵字 染料敏化太陽能電池  二氧化鈦  溶膠凝膠法  熱處理溫度 
英文關鍵字 Dye-Sensitized Solar Cell  Titanium dioxide  Sol-gel method  heat treatment temperature 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 本研究係以溶膠凝膠法配製TiO2溶液,並利用旋轉塗佈機將其塗佈在ITO導電玻璃上,製作成一多孔性薄膜電極。以不同熱處理溫度及不同塗佈層數之TiO2薄膜來探討溫度、膜厚分別對轉換效率的影響,在650℃/三層TiO2薄膜之染料敏化太陽電池其轉換效率達到1.71 %。在碘濃度為0.1M時為此實驗電解液之最佳參數,另外TiO2薄膜電極通過4-叔丁基吡啶的處理,染料敏化太陽能電池之轉換效率較未處理電極高出了13%。
英文摘要 The TiO2 solution was made by sol-gel method in this research. The mesoporous TiO2 film was grown on ITO glass by spin coater via layer-by-layer deposition. The influence of heat treatment temperature and TiO2 film thickness on conversion efficiency was discussed here. The conversion efficiency of DSSC with three-layers TiO2 film treated at 650℃ is 1.71 %. 0.1M of iodide was optimized parameter of electrolyte in this research. Furthermore, the TiO2 film gave a higher conversion efficiency than the TiO2 film nontreated by 4-tertbutylpyridine, which increased 13% by surface treatment with 4-tertbutylpyridine.
論文目次 總目錄
摘要•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••Ⅰ
Abstract••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••Ⅱ
總目錄•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••Ⅲ
圖目錄•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••Ⅵ
表目錄•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••Ⅷ
壹、導論••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••1
1-1 前言••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••1
1-2 文獻回顧••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••2
1-2.1 太陽能電池簡介••••••••••••••••••••••••••••••••••2
1-2.2 太陽能電池基本結構簡介••••••••••••••••••••••••2
1-2.3 太陽能電池分類•••••••••••••••••••••••••••••••••••3
1-2.4 染料敏化太陽能電池簡介••••••••••••••••••••••••8
1-2.4.1 染料敏化太陽能電池工作原理•••••••••••••••••9
1-2.4.2 染料敏化太陽能電池組成結構••••••••••••••••10
1-2.5 影響染料敏化太陽能電池光轉換效率之因素•••••••••10
1-2.5.1 電子-電洞對的分離與光電壓值••••••••••••••••••••11
1-2.5.2 電子-電洞對的再結合效應•••••••••••••••••••••••••••12
1-2.5.3 電子傳遞的方式•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••13
1-3 研究範疇••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••13
貳、實驗方法與設備•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••29
2-1實驗藥品器材與實驗設備•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••29
2-1.1 實驗藥品與器材••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••29
2-1.2 實驗設備及分析儀器•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••30
2-2 實驗程序••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••31
2-2.1 ITO導電玻璃之潔淨程序••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••31
2-2.2 奈米二氧化鈦薄膜電極膠體溶液配製•••••••••••••••••••••••••••31
2-2.3 奈米二氧化鈦薄膜電極之熱處理•••••••••••••••••••••••••••••••••••31
2-2.4 電解液調配•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••32
2-2.5 染料吸附•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••32
2-2.6 鉑電極製作•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••32
2-2.7 元件組裝••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••33
2-3 分析儀器及試片製作••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••33
2-3.1 熱重分析儀•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••33
2-3.2 場發射掃描式電子顯微鏡••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••33
2-3.3 X光繞射分析儀••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••34
2-3.4 紫外-可見光光譜儀•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••34
2-3.5 太陽光電轉換效率性質分析•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••35
參、結果與討論••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••38
3-1 熱重分析儀••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••38
3-2 場發射掃描式電子顯微鏡分析•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••38
3-3 BET比表面積量測儀分析•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••39
3-4 X光繞射儀分析•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••41
3-5 光譜吸收度•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••42
3-6 太陽光電轉換效率性質分析•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••43
3-6.1 熱處理溫度••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••43
3-6.2 TiO2薄膜電極厚度•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••43
3-6.3 電解質濃度•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••44
肆、結論••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••60
伍、參考文獻•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••63

圖目錄
圖1-1.1、2000年~2006年國內油價趨勢圖••••••••••••••••••••••••••••••••••15
圖1-2.1、太陽光光譜圖•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••16
圖1-2.2、太陽能電池分類圖••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••17
圖1-2.3、矽型太陽能電池•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••18
圖1-2.4、太陽能電池發電原理••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••19
圖1-2.5、各種太陽能電池目前之光轉換效率•••••••••••••••••••••••••••••••••20
圖1-2.6、N3染料結構圖••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••21
圖1-2.7、黑染料結構圖•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••22
圖1-2.8、染料敏化太陽能電池原理示意圖•••••••••••••••••••••••••••••••••••••23
圖1-2.9、染料敏化太陽電池結構示意圖••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••24
圖1-2.10、染料敏化太陽能電池各主要反應••••••••••••••••••••••••••••••••••••25
圖2-2.1、染料敏化太陽電池元件示意圖••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••37
圖3-1、TiO2粉末之熱重分析圖及微分熱重分析圖•••••••••••••••••••••••46
圖3-2.1、TiO2薄膜電極經450℃熱處理後之SEM圖;倍率 (a) 5萬
倍;(b) 20萬倍•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••47
圖3-2.2、TiO2薄膜電極經550℃熱處理後之SEM圖;倍率 (a) 5萬
倍;(b) 20萬倍•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••48
圖3-2.3、TiO2薄膜電極經650℃熱處理後之SEM圖;倍率 (a) 5萬
倍;(b) 20萬倍•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••49
圖3-3.1、溶膠凝膠法之TiO2粉末經450℃熱處理後之BET圖•••50
圖3-3.2、溶膠凝膠法之TiO2粉末經550℃熱處理後之BET圖•••51
圖3-3.3、溶膠凝膠法之TiO2粉末經650℃熱處理後之BET圖•••52
圖3-3.4、TiO2粉末之熱處理溫度vs比表面積圖••••••••••••••••••••••••••••••53
圖3-4、溶膠凝膠法之TiO2粉末經各溫度參數熱處理後之X光繞射分
析圖:(a) 350℃;(b) 450℃;(c) 550℃;(d) 650℃;(e)
750℃•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••54
圖3-5、紫外-可見光光譜圖:(a)純染料溶液極;(b)TiO2薄膜電極;
(c)吸附染料之TiO2薄膜電極••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••55
表目錄
表1、歷年國內能源總需要•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••26
表2、國內主要能源價格指數•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••27
表3、紫外光、可見光、紅外光波長區分表•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••28
表4、經Debye - Scherrer’s equation 所計算出之TiO2粒徑列表•••56
表5、熱處理溫度vs塗佈層數厚度列表•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••57
表6、熱處理溫度vs薄膜厚度與其光電轉換效率列表•••••••••••••••••••••58
表7、電解液碘濃度vs光電轉換效率列表•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••59
參考文獻 1. 經濟部能源局油價資訊管理與分析系統,油價趨勢圖,日期:
2000.04.02 ~ 2006.10.01
2. 經濟部能源局能源統計月報,肆、能源需要,三、歷年,04-03-
06能源總需要(09510)pp. 104
3. 經濟部能源局能源指標季報,肆、能源價格,4-3國內主要能源
價格指數(09510)pp. 46
4. U. Gangopadhyay, K.H. Kim, S.K. Dhungel, U. Manna, P.K. Basu, M.
Banerjee, H. Saha, Junsin Yi〝A novel low cost texturization method
for large area commercial mono-crystalline silicon solar cells〞Solar
Energy Material & Solar Cells, vol. 90, No.20(2006)pp. 3557-3567
5. R.R. Bilyalov, R. LuK demann, W. Wettling, L. Stalmans, J.
Poortmans, J. Nijs, L. Schirone, G. Sotgiu, S. Strehlke, C.
Lévy-Clément〝Multicrystalline silicon solar cells with porous silicon
emitter〞Solar Energy Material & Solar Cells, vol.60, No.4(2000)pp.
391- 420
6. C.S. McCormick, C.E. Weber, J.R.Abelson, S. M. Gates〝An
amorphous silicon thin film transistor fabricated at 125 °C by DC
reactive magnetron sputtering〞Applied Physics Letters, vol.70, No. 2
(1997)pp. 226.
7.吳志明,〝奈米科技於能源應用〞義守大學工業工程與管理研究所書
報討論之演說投影片(2005.11.16)
8. S. M. Sze., Semiconductor Device Physics and Technology, 2nd
Edition, pp. 348.
9. G. Horowitz, F. Garnier〝Polythiophene-GaAs p-n heterojunction solar
cells〞Solar energy materials, vol.13, No 1(1986)pp. 47-55
10. V. Probst, W. Stetter, W. Riedl, H. Vogt, M. Wendl, H. Calwer,
S. Zweigart, K.-D. Ufert, B. Freienstein, H. Cerva, F.H. Karg,
〝Rapid CIS-process for high efficiency PV-modules: development
towards large area processing〞Thin Solid Films, vol.387, No.1-2
(2001)pp. 262-267
11. H.-W. Schock, R. Noufi,〝CIGS-based solar cells for the next
millennium〞Progress in Photovoltaics: Research and
Applications, vol.8, No.1(2000)pp. 151-160
12. C. Ferekides, J. Britt, Y. Ma, L. Killian〝High efficiency CdTe solar
cells by close spaced sublimation〞Photovoltaic Specialists
Conference, 1993., Conference Record of the Twenty Third IEEE,
(1993) pp. 389-393
13. L. Wang, J. Tu, Z. Zhang, W. Chi, D. Peng, C. Chen, M. Chen,
〝High efficiency Ge bottom cell for GaInP2/GaAs/Ge three-junction
tandem solar cell 〞Pan Tao Ti Hsueh Pao/Chinese Journal of
Semiconductors, vol.26, suppl. (2005)pp. 196-199
14. M. A. Green, K. Emery, D. L. King, Y. Hisikawa, W. Warta〝Solar
cell efficiency tables (Version 27)〞Progress in Photovoltaics:
Research and Applications, vol.14(2006)pp. 45-51
15. L. Bogano﹐S.A. Carter﹐J.C. Scott﹐G.G. Malliaras﹐P.J. Brock
〝Temperature - and field-dependent electron and hole mobilities in
polymer light-emitting diodes〞Applied Physics Letters, Vol. 74,
No. 8, (1999) pp. 1057-1183
16. J.J.M. Halls﹐C.A. Walsh﹐N.C. Greenham﹐E.A. Marseglia﹐R.H.
Friend﹐S.C. Moratti and A.B. Holmes〝Efficient photodiodes from
interpenetrating polymer networks〞Nature﹐vol.376﹐No.6540(1995)
pp. 498-500
17. C.Y. Yang, A.J. Heeger〝Morphology of composites of
semiconducting polymers mixed with C60〞Synthetic Metals , vol.83,
No.2(1996)pp. 85-88
18. C.P. Klages, F. Evers, K. Kobs, R. Memming〝Photoisomerization of
thioindigoid dyes in polymeric matrices〞Philips Journal of
Research, vol.37, No.4(1982)pp. 178-191
19. K. L. Hardee, A. J. Bard,〝Semiconductor electrodes〞J.
Electrochemical Society , vol.124, No.2(1977)pp. 215-224
20. H. Tsubomura, M. Matsumura, K. Nakatani, K. Yamamoto, K. Maeda
〝Wet-type solar cells with semiconductor electrodes〞Solar Energy,
vol.21, No.2(1978)pp. 93-98
21. M. K. Nazeeruddin, A. Kay, I. Rodicio, R. Humphry-Baker, E.
Mueller, P. Liska, N. Vlachopoulos, M. Grätzel,〝Conversion of light
to electricity by cis-X2bis(2,2′-bipyridyl-4,4′- dicarboxylate)
ruthenium(II) charge-transfer sensitizers (X = Cl-, Br-, I-, CN-, and
SCN-) on nanocrystalline TiO2 electrodes 〞J. American Chemical
Society, vol.115, No.14(1993)pp. 6382-6390
22. M. K. Nazeeruddin, P. Péchy, T. Renouard, S. M. Zakeeruddin,
R. H. Baker, P. Comte, P. Liska, L. Cevey, E. Costa, V. Shklover, L.
Spiccia, G. B. Deacon, C. A. Bignozzi, M. Grätzel〝Engineering of
efficient panchromatic sensitizers for nanocrystalline TiO2-based solar
cells〞J. American Chemical Society, vol.123, No.8(2001)pp. 1613-
1624
23. U. Diebold〝The surface science of titanium dioxide〞Surface Science
Reports, vol.48, No.5(2003)pp. 53-229
24. A. Hagfeldt, M. Grätzel〝Light-induced redox reactions in
nanocrystalline systems〞Chemical Reviews, vol.95, No.1(1995)
pp. 49-68
25. M. Grätzel〝Mesoporous oxide junctions and nanostructured solar
cells 〞Current Opinion in Colloid & Interface Science, vol.4, No.4
(1999)pp. 314-321
26. G.P. Smestad, M. Gratzel, M〝Demonstrating electron transfer and
nanotechnology: A natural dye-sensitized nanocrystalline energy
converter 〞J. Chemical Education, vol.75, No.6(1998)pp. 752-756
27. M. Grätzel〝Conversion of sunlight to electric power by
nanocrystalline dye-sensitized solar cells〞J. Photochemistry and
Photobiology A: Chemistry, vol.164, No.1-3(2004)pp. 3-14
28. R. Katoh, A. Furube, T. Yoshihara, K. Hara, G. Fujihashi, S. Takano,
S. Murata, H. Arakawa, M. Tachiya〝Efficiencies of Electron Injection
from Excited N3 Dye into Nanocrystalline Semiconductor (ZrO2,
TiO2, ZnO, Nb2O5, SnO2, In2O3) Films 〞J. Physical Chemistry B,
vol.108, No.15(2004)pp. 4818-4822
29. L. L. Kazmerski〝Photovoltaics: A review of cell and module
technologies〞Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol.1,
No.1-2(1997)pp. 71-170
30. A. Zaban, A. Meier, B. A. Gregg〝Relative energetics at the
semiconductor/sensitizing dye/electrolyte interface〞J. Physical
Chemistry B, vol.102, No.2(1998)pp. 452-460
31. D. Cahen, G. Hodes, M. Grätzel, J. F. Guillemoles, I. Riess〝Nature of
photovoltaic action in dye-sensitized solar cells 〞J. Physical
Chemistry B, vol.104, No.9(2000)pp. 2053-2059
32. A. Zaban, A. Meier, B. A. Gregg〝Electric potential distribution and
short-range screening in nanoporous TiO2 electrodes〞J. Physical
Chemistry B, vol.101, No.40(1997)pp. 7985-7990
33. R.N. Pandey, K.S.C. Babu, O.N. Srivastava〝High conversion
efficiency photoelectrochemical solar cells〞Progress in Surface
Science, vol.52, No.3(1996)pp. 125-192
34. G.Schlichthörl, S.Y. Huang, J. Sprague, A.J. Frank〝Band edge
movement and recombination kinetics in dye-sensitized
nanocrystalline TiO2 solar cells: A study by intensity modulated
photovoltage spectroscopy〞J. Physical Chemistry B, vol.101, No.41
(1997)pp. 8141-8155
35. E. Palomares, J.N. Clifford, S.A. Haque, T. Lutz, J.R. Durrant
〝Control of charge recombination dynamics in dye sensitized solar
cells by the use of conformally deposited metal oxide blocking
layers〞J. American Chemical Society, vol.125, No.2(2003)pp.
475-482
36. P. Wang, L.Wang, B. Ma, B. Li, Y. Qiu,〝TiO2 surface modification
and characterization with nanosized PbS in dye-sensitized solar
cells 〞J. Physical Chemistry B, vol.110 , No.29(2006)pp.
14406-14409
37. L. Brus〝Model for carrier dynamics and photoluminescence
quenching in wet and dry porous silicon thin films 〞Physical Review
B, vol.53, No.8(1996)pp. 4649-4656
38. S. Nakade, Y. Saito, W. Kubo, T. Kitamura, Y. Wada, S. Yanagida
〝Influence of TiO2 nanoparticle size on electron diffusion and
recombination in dye-sensitized TiO2 solar cells 〞J. Physical
Chemistry B, vol.107, No.33(2003)pp. 8607-8611
39 . S. Nakade, M. Matsuda, S. Kambe, Y. Saito, T. Kitamura, T. Sakata,
Y. Wada, H. Mori, S. Yanagida〝Dependence of TiO2 nanoparticle
preparation methods and annealing temperature on the efficiency of
dye-sensitized solar cells 〞J. Physical Chemistry B, vol.106, No.39
(2002)pp. 10004-10010
40. C. N. de Carvalho, G. Lavareda, E. Fortunato, H. Alves, A.
Goncalves, J. Varela, R. Nascimento, A. Amaral〝ITO films with
enhanced electrical properties deposited on unheated ZnO-coated
polymer substrates 〞Materials Science and Engineering B: Solid-State
Materials for Advanced Technology, vol.118, No.1-3(2005)pp. 66-69
41. N.-G. Park, J. van de Lagemaat, A. J. Frank〝Comparison of
dye-sensitized rutile- and anatase-based TiO2 solar cells〞J. Physical
Chemistry B, vol.104, No.38(2000)pp. 8989-8994
42. B. O’Regan, M. Grätzel〝A low-cost, high-efficiency solar cell based
on dye-sensitized colloidal TiO2 films〞Nature, vol.335, No.6346
(1991)pp. 737-740
43. P. Wang, S. M. Zakeeruddin, P. Comte, I. Exnar, M. Grätzel〝Gelation
of ionic liquid-based electrolytes with silica nanoparticles for
quasi-solid-state dye-sensitized solar cells 〞J. American Chemical
Society, vol.125, No.5(2003)pp. 1166-1167
44. Y. Cao, G. Yu, A.J. Heeger, C.Y. Yang〝Efficient, fast response
light-emitting electrochemical cells: Electroluminescent and solid
electrolyte polymers with interpenetrating network morphology 〞
Applied Physics Letters, vol.68, No.23(1996)pp. 3218-3220
論文使用權限
  • 同意紙本無償授權給館內讀者為學術之目的重製使用,於2009-07-31公開。
  • 同意授權瀏覽/列印電子全文服務,於2009-07-31起公開。


  • 若您有任何疑問,請與我們聯絡!
    圖書館: 請來電 (02)2621-5656 轉 2281 或 來信