臺灣博碩士論文加值系統

為了提升染料敏化太陽能電池的效率以及穩固性，本研究著重於以下兩點：1.有機染料不需含有貴重金屬，以降低實驗或生產之成本；2.高比表面積之二氧化鈦奈米結晶性多孔膜電極之製備。
在染料部分，我們設計並合成出吸收短波長的Azo染料並將其與吸收長波長的Cyanine染料混合使用，使其於可見光區比單一染料有著大部分之吸收，以取代單一染料之系統，並討論其在太陽能電池上之表現。透過傅立葉轉換-紅外光光譜分析儀(FT-IR)以及紫外-可見光光譜儀(UV-vis. Spectrometer)的光譜圖鑑定是否染料吸附到二氧化鈦薄膜層，並根據紫外-可見光光譜儀(UV-vis. Spectrometer)所測的光譜圖以及電化學分析儀(electrochemical analyzer)所測的CV圖去對其光電性質做探討，最後使用核磁共振光譜儀(NMR) 以及元素分析儀(EA)來鑑定染料之結構。
在二氧化鈦薄膜電極部分，我們採用溶膠－凝膠法製備，主要是希望利用其高比表面積與高活性特性來增加太陽能電池之效能；經由燒結之後，使用X光繞射分析儀(XRD)分析其結晶之晶相，接著以比表面積分析儀(BET)分析其比表面積以及孔洞大小，再以場發式電子顯微鏡(FE-SEM)分析其粒徑大小、表面型態以及膜厚，而交流阻抗分析法(AC-impedance)可分析探討二氧化鈦不同膜厚與電池效率之關係，以找出最佳的參數條件。其結果顯示阻抗隨著膜厚增加而變小，直到厚度到一極限值反而隨膜厚增加而變大，此一最佳的膜厚參數約為10.25μm。
最後以IV-curve分析我們所做之染料敏化太陽能電池的一些評估性參數，來比較單一染料跟混合染料所做成的染料敏化太陽能電池之效能值。

The aim of this study is developing efficient and stable dye sensitized solar cells. We focus on the development of the following two key materials: 1. the organic dyes do not contain noble metals; 2.high specific surface area nanocrystalline TiO2 electrodes.
In the part of dyes, we have designed and synthesized the Azo dye having absorption of short wavelength, and mixed it with the Cyanine dye having absorption of long wavelength instead of single dye system to utilize the broad spectrum of sunlight. The performances of DSSCs fabricated in the mixed dyes system were discussed. The adsorption of organic dye on this membrane of TiO2 were characterized by using FT-IR and UV–vis. The optical and electric properties of organic dyes were characterized by using UV-vis and CV analysis. The structure of organic dyes were characterized by using NMR、FT-IR and EA, respectively.
In the part of titanium oxide membrane, we apply sol-gel method to make TiO2 membrane electrode. The crystalline phase of TiO2 were characterized by using XRD. The specific surface area and pore size were measured by using BET. The grain size, morphology and thickness of titanium oxide membrane were characterized by using FE-SEM to investigate the effects of processing parameters on the films characteristic and microstructure. The study also investigated the effect of variable thickness of TiO2 on the efficiency of DSSCs. The AC-impedance analysis of DSSCs show that the performance of DSSCs improved with increasing thickness of TiO2 until 10.25μm of thickness.
At last, we analyzed the performance of DSSCs by using IV-curve to compare the efficiency of DSSCs contained single dye with the efficiency of DSSCs contain mixed dye.

摘要I
AbstractIII
誌謝IV
目錄V
表目錄VIII
圖目錄IX
第一章 緒論1
1-1 前言1
1-2 太陽能電池的簡介2
1-2-1 矽基型2
1-2-2 化合物型4
1-2-3 有機半導體型 5
1-3 研究目的及動機 6
第二章 文獻回顧8
2-1 染料敏化太陽能電池8
2-1-1 基本構造9
2-1-2 基本原理10
2-2 工作電極-二氧化鈦(titanium dioxide, TiO2)12
2-2-1 TiO2的簡介12
2-2-2 TiO2製程比較15
2-2-3 溶膠-凝膠法(sol-gel)16
2-2-4 影響sol-gel法的因素17
2-3 光敏化劑-染料(Dye)18
2-3-1 偶氮染料(Azo dye)19
2-3-2 花菁染料(Cyanine)20
2-4 電解液21
2-5 對電極23
2-6 交流阻抗的原理23
2-7 染料敏化太陽能電池之等效電路28
2-8 電子-電洞對分離30
2-9 評估性能參數32
2-9-1 短路電流Jsc 32
2-9-2 開路電壓Voc 32
2-9-3 充填因子FF 32
2-9-4 入射光子-電流轉換效率(IPCE)32
2-9-5 電池總效率η (efficiency)33
第三章 實驗藥品、溶劑及實驗儀器設備34
3-1 實驗藥品及溶劑34
3-2 實驗儀器設備35
3-3 實驗方法36
3-3-1 染料的製備36
3-3-2 二氧化鈦薄膜電極製備38
3-3-3 碳電極之製備40
3-3-4 電解質製備40
3-3-5 染料敏化太陽能電池之組裝40
3-3-6 交流阻抗法(AC impedance)40
3-3-7 染料氧化還原電位量測(CV)40
第四章 結果與討論42
4-1 染料性質探討42
4-1-1 染料的UV-vis光譜圖以及CV分析43
4-1-2 染料之傅立業轉換-紅外光光譜圖(FT-IR)分析48
4-1-3 NMR光譜圖分析熔點分析以及EA報告51
4-1-4 工作電極的UV-vis光譜圖分析53
4-1-5 工作電極之傅立業轉換-紅外光光譜圖(FT-IR)分析57
4-2 二氧化鈦薄膜電極分析60
4-2-1 二氧化鈦薄膜電極之XRD分析61
4-2-2 二氧化鈦薄膜電極之BET分析64
4-2-3 二氧化鈦薄膜電極之SEM分析66
4-3 對電極之SEM分析70
4-4 染料敏化太陽能電池交流阻抗(AC-impedence)分析72
4-5 染料敏化太陽能電池之效能比較73
第五章 結論77
第六章 參考文獻79
表1、不同材料的太陽能電池之能量轉換效率比較表5
表2、不同TiO2觸媒製備方法之比較15
表3、實驗所用的藥品34
表4、各染料的光電性質43
表5、IAD之傅立業轉換-紅外光(FT-IR)光譜圖整理表49
表6、IBAD之傅立業轉換-紅外光(FT-IR)光譜圖整理表50
表7、CyA之傅立業轉換-紅外光(FT-IR)光譜圖整理表50
表8、各染料的熔點分析以及EA報告53
表9、Rutile與Anatase的物理性質比對分析表62
表10、X-Ray照射2θ角時的Rutile與Anatase產生Peaks之米勒指數對照表63
表11、各染料組成的評估性參數比較表76
圖一、2008年第一季能源進口供給結構2
圖二、界面太陽能電池工作原理4
圖三、Mercurochrome 染料6
圖四、近30年各國相關研究之發展成果9
圖五、DSSCs基本構造10
圖六、DSSCs基本原理11
圖七、二氧化鈦結構：金紅石(rutile)、銳鈦礦(anatase)13
圖八、幾種半導體之band positions。深灰色區塊為CB，淺灰色區塊為VB，VB與CB之間即為bandgap 15
圖九、Azo dye結構通式圖20
圖十、Cyanine dye結構通式圖21
圖十一、光安定劑21
圖十二、The relationship between alternating current and voltage signals at frequency ω 24
圖十三、The circuit and Nyquist plot of a resistor 25
圖十四、The circuit and Nyquist plot of the a capacitor 26
圖十五、The circuit and Nyquist plot of a resisitor and a capacitor 27
圖十六、The circuit and its corresponding Nyquist plot 28
圖十七、染料敏化太陽能電池之AC –impedance 量測29
圖十八、不同光強度下之AC-impedance變化30
圖十九、DSSCs 電子能階示意圖31
圖二十、DSSCs之TiO2/染料/電解質三者間之概略能階示意圖31
圖二十一、IAD的合成流程圖37
圖二十二、IBAD的合成流程圖38
圖二十三、Doctor blade method (刮刀成膜法)製作TiO2薄膜示意圖39
圖二十四、染料敏化太陽能電池裝置圖41
圖二十五、各染料的結構圖42
圖二十六、為IAD的CV圖44
圖二十七、為IBAD的CV圖44
圖二十八、為CyA的CV圖45
圖二十九、IAD於Acetonitrile溶液的UV-vis光譜圖45
圖三十、IBAD於Acetonitrile溶液的UV-vis光譜圖46
圖三十一、CyA於Acetonitrile溶液的UV-vis光譜圖46
圖三十二、Mix1 、IAD、 CyA於Acetonitrile之UV-vis光譜圖比較47
圖三十三、Mix2 、IBAD、 CyA於Acetonitrile之UV-vis光譜圖比較47
圖三十四、IAD之傅立業轉換-紅外光(FT-IR)光譜圖48
圖三十五、IBAD之傅立業轉換-紅外光(FT-IR)光譜圖49
圖三十六、CyA之傅立業轉換-紅外光(FT-IR)光譜圖50
圖三十七、IAD的H-NMR光譜圖52
圖三十八、IBAD的H-NMR光譜圖52
圖三十九、CyA的H-NMR光譜圖53
圖四十、TiO2薄膜的UV-vis光譜圖54
圖四十一、吸附與未吸附IAD之TiO2薄膜的UV-vis光譜圖55
圖四十二、吸附與未吸附IBAD之TiO2薄膜的UV-vis光譜圖55
圖四十三、吸附與未吸附CyA之TiO2薄膜的UV-vis光譜圖56
圖四十四、吸附與未吸附Mix1之TiO2薄膜的UV-vis光譜圖56
圖四十五、吸附與未吸附Mix2之TiO2薄膜的UV-vis光譜圖57
圖四十六、TiO2薄膜吸附與未吸附IAD之傅立業轉換-紅外光(FT-IR)光譜圖 58
圖四十七、TiO2薄膜吸附與未吸附IBAD之傅立業轉換-紅外光(FT-IR)光譜圖 58
圖四十八、TiO2薄膜吸附與未吸附CyA之傅立業轉換-紅外光(FT-IR)光譜圖 59
圖四十九、TiO2薄膜吸附與未吸附Mix1之傅立業轉換-紅外光(FT-IR)光譜圖 59
圖五十、TiO2薄膜吸附與未吸附Mix2之傅立業轉換-紅外光(FT-IR)光譜圖60
圖五十一、X光繞射分析儀原理示意圖62
圖五十二、二氧化鈦之XRD圖64
圖五十三、二氧化鈦薄膜的孔徑分布圖65
圖五十四、二氧化鈦薄膜的孔徑分布圖66
圖五十五、TiO2薄膜之SEM圖(表面型態)67
圖五十六、TiO2薄膜之SEM圖(表面型態)67
圖五十七、TiO2薄膜之SEM圖(兩層膠帶)68
圖五十八、TiO2薄膜之SEM圖(三層膠帶)69
圖五十九、TiO2薄膜之SEM圖(四層膠帶)69
圖六十、TiO2薄膜之SEM圖(五層膠帶)70
圖六十一、導電碳膠薄膜之SEM圖(表面型態)71
圖六十二、導電碳膠薄膜之SEM圖(三層膠帶)71
圖六十三、不同膜厚TiO2薄膜之交流阻抗表現73
圖六十四、IAD之IV-curve圖74
圖六十五、IBAD之IV-curve圖74
圖六十六、CyA之IV-curve圖75
圖六十七、Mix1之IV-curve圖75
圖六十八、Mix2之IV-curve圖76

中文部份:
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