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研究生:廖健智
研究生(外文):Chien-Chih Liao
論文名稱:利用電化學沉積製備氧化鋅薄膜探討其性質與其在DSSC上之應用
論文名稱(外文):Preparation and Study of The Electrodeposited ZnO Films on The Application of DSSC
指導教授:黃文堯黃文堯引用關係
指導教授(外文):WEN-YAO HUANG
學位類別:碩士
校院名稱:國立中山大學
系所名稱:光電工程學系研究所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2010
畢業學年度:98
語文別:中文
論文頁數:73
中文關鍵詞:氧化鋅電化學沉積染料敏化太陽能電池
外文關鍵詞:DSSCelectrochemicaldepositionZnO
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本研究是利用電化學的方法,在陰極上放置ITO玻璃,而陽極放置鋅片,利用氧化還原反應使得Zn(OH)2薄膜在ITO表面成長,再脫水形成ZnO薄膜。先使用較小之電壓預鍍上一層薄的晶種,經過加熱烤乾後,氧化鋅之薄膜便得以順利成長在基版之上。接著再藉由控制反應溶液溫度、加入分散劑(PVP)與否、不同環境溫度的退火等製程條件,探討電化學方法所製備之氧化鋅薄膜結構的特性、電性的分析與光學性質的變化等等。經由實驗發現未預鍍晶種時氧化鋅薄膜不易成長在ITO玻璃上面,會呈現四周較厚而中心稀薄的現象,而適當的的加入分散劑對氧化鋅薄膜的表面型態也會有所不同。另外,在不同的熱處理溫度下,以及分別在真空大氣、氮氣下成長薄膜的結晶性,表面粗糙度及光電特性也會有所不同
最後再將不同處理方式成長之氧化鋅薄膜運用在染掉敏化太陽能電池(DSSC)之上,研究不同的表面型態對效率的影響,探討其變化的主因
For producing Zno thin film on the ITO glasses at the cathode, we use the electrochemical method to proceed oxidation reduction. It forms Zn(OH)2 at the first, and dehydrates to form ZnO after heating. We use smaller voltage to grow ZnO seeds at the beginning .It can help ZnO to grow stably on the glasses. ZnO has many different characters, when we change solution temperature, contents of disperser(PVP) or the annealing temperature, so my work is to do some research on these factors and discovers how they affect the Zno thin films’ structures ,conductivity, mobility, and the opticals. We found if we don’t grow seeds on the glasses ,the ZnO doesn’t grow well .It grows thicker at the center than the edge. And the disperser changes the morphology of ZnO .The diameter of ZnO particle became smaller. Different annealing temperature and environment also affect the crystallinity, roughness and the character of optical and electricity.
We use every type of the ZnO thin films we did on the DSSC to research what is the factor that affects the efficiency.
目錄
誌謝……………………………………………………………………………………….……………Ⅰ
摘要………………………………………………………………………………………….…………Ⅲ
Abstract ………………………………………………………………………………………………Ⅳ
目錄………………………………………………………………………………….…………………Ⅴ
圖目錄…………………………………………………………………………………………………Ⅸ
表目錄………………………………………………………………………………………………….XII

第一章序論…………………………………………………………1

1.1前言……………………………………………..……………….........1
1.2 研究動機與目的…………………………….………………………1

第二章 理論基礎與文獻回顧…………….………………3

2.1 氧化鋅之介紹……………………………………….………………3
2.2 氧化鋅薄膜之製程………………………………….………………4
2.3 電化學沉積介紹………………………………….…………………4
2.3.1 反應機制介紹……………………………………..………………5
2.4 染料敏化太陽能電池結構……………………….…………………6
2.4.1 染料敏化太陽能電池……………………………….……………6
2.4.2 透明導電基板……………………………………….……………7
2.4.3 ZnO電極…………………………………………….…………….7
2.4.4染料………………………………………………………………..8
2.4.5 電解液………………………………………………….…………9
2.4.6 對電極(鉑電極) …………………………………………………9
2.5 染料敏化太陽能電池之工作原理………………………………..11
2.6 電子電洞對分離…………………………………………………..13


第三章 實驗器材及實驗步驟.…………………………14

3.1 場發射型掃描式電子顯微鏡(FEG-SEM) ……………..…………14
3.2 原子力量子顯微鏡(AFM) ……………………………….………..15
3.3 表面輪廓分析儀(Surface profiler) ………………………..………17
3.4 X-ray 繞射儀(XRD) ………………………………….…..….…….19
3.5 霍爾量測 (Hall Measurement system) ……………………………22
3.6 熱重分析儀TGA(ThermoGravimetric Analyzer) …………………26
3.7 陽光譜模擬量測系統(solar simulator system) ……………..…….27
3.7.1 性能參數 ……………..……. ……………..……. ……………..28
3.7.2 短路電流Jsc……………………………………………………...28
3.7.3 開路電壓Voc…………………………………………….………29
3.7.4 填充因子FF……………………………………………….……..29
3.7.5 電池總效率η……………………………………………………..30
3.8 紫外與可見光光譜儀(UV-Vis spectrometer) …………….………31
3.9 電化學分析儀(Electrochemical Analyzer) …………………….…32
3.10 高溫爐管……………………………………..…………………..32
3.11 使用藥品…………………………………………………………33
3.12 實驗步驟…………………………………………………………33
3.13 實驗架構…………………………………………………………34
3.14 實驗量測架構……………………………………………………36

第四章 實驗結果與討論……………………………..……37

4.1 ITO玻璃處理與否對ZnO薄膜成長的影響…………………37
4.1.1 陽極處理後ITO表面能之改變………………...……………37
4.1.2 陽處理前後表面型態比較………………………………...…39
4.1.3 經陽極處理後ITO阻值的改變-四點探針量測………….…40
4.1.4 所造成ZnO薄膜成長在ITO玻璃上之差異…………….…40
4.2 加入PVP對薄膜型態的影響………………...………………42
4.3 加入PVP之後溫度對膜厚之影響………………...…………48
4.4 退火溫度對ZnO之影響……………………...………………51
4.5 染料吸附………………………………………………………53
4.6 元件效率………………………………………………………55

第五章 結論…………………………...…………………………56

第六章 參考文獻……………………………………...………57





















圖目錄
圖2-1 氧化鋅之結構……………………...………………………….…3
圖2-2 電化學反應機制……………...……………………………..……5
圖2-3 染料敏化太陽能電池結構………………...…………………….7
圖2-4染料吸收光譜圖………………..………………………………...8
圖2-5 N719染料化學結構式………………..………………………….9
圖2-6 鉑電極………………..…………………………………...…….10
圖2-7染料敏化太陽能電池工作原理………………..……………….12
圖2-8染料敏化太陽能能階………………..…………………………..13
圖3-1場發射型掃描式電子顯微鏡………………..…………………...14
圖3-2 原子力量子顯微鏡之原理示意圖………………..………...….16
圖3-3 原子力量子顯微鏡之懸臂與探針相對圖……………….…….17
圖3-4 表面輪廓儀……………………...…..………………………….17
圖3-5 表面輪廓儀原理………………..……………………………….18
圖3-6 X-ray繞射儀………………..……………………….…………...19
圖3-7 X-ray繞射儀之內部結構圖……………..…………….………...20
圖3-8 X-ray 繞射儀之原理示意圖……………..…………..…………21
圖3-9霍爾量測儀器……………..……………………….…………….22
圖3-10霍爾量測之原理示意圖(p-type) ……………..……………..…23
圖3-11霍爾量測之原理示意圖(n-type) ……………..………………..24
圖3-12 熱重分析儀……………..…………………………….………..26
圖3-13 太陽光譜模擬量測系統……………..………………………...27
圖3-14 太陽光譜模擬系統原理架構……………..………...…………28
圖3-15 效率量測I-V curve……………..………...………...…………30
圖3-16 紫外與可見光光譜儀……………..…………………………...31
圖3-17 電化學分析儀……………..……………….…………………..32
圖4-1 未陽極處理ITO之接觸角-水……………..……..........………37
圖4-2 陽極處理ITO之接觸角-水…………..……………….………..38
圖4-3 ITO SEM圖 X30000.……………………………….………….39
圖4-4 ITO 陽極處理SEM圖 X30000.……………………………….39
圖4-5 ITO未陽極處理 …………...……………………..………...….41
圖4-6 ITO陽極處理過………………………………………………….41
圖4-7 未加入PVP 250度鍛燒 X1000 ……………………………….43
圖4-8加入PVP 250度鍛燒 X1000 …………..………………………43
圖4-9 未加入PVP 350度鍛燒 X1000 ……….……..……………….44
圖4-10 加入PVP 350度鍛燒 X1000 ………….…………………….44
圖4-11 未加入PVP 450度鍛燒 X1000 ……………….…………….45
圖4-12 加入PVP 450度鍛燒 X1000 ……………………………….45
圖4-13未加入PVP 250度鍛燒 X5000 ……………….…………….46
圖4-14未加入PVP 350度鍛燒 X5000………………..…………….46
圖4-15未加入PVP 450度鍛燒 X5000………………..…………….46
圖4-16加入PVP 250度鍛燒 X5000…………..…………………….47
圖4-17加入PVP 350度鍛燒 X5000…………..…………………….47
圖4-18加入PVP 450度鍛燒 X5000…………..…………………….47
圖4-19 溫度和膜厚關係圖…………..………………..……………...49
圖4-20 ZnO沉積範圍……………………………………………….50
圖4-21 退火溫度對膜厚的影響…………..……………...…………..51
圖4-22 不同退火溫度之XRD圖…………..………………………...52
圖4-23 染料相對吸收光譜..…………………………..……………...53
圖4-24 局部染料吸收光譜…………………………..……..………...54














表目錄
表1-1 氧化鋅(ZnO)之電學特性…………..……………………………2
表3-1 實驗所需藥品…………..………………………………………33
表4-1 接觸角變化-水…………..……………………………………...38
表4-2 陽極處理面電阻變化…………..………………...…………….40
表4-3陽極處理ZnO成長情況…………..…………………………….40
表4-4 溶液溫度對膜厚造成之影響…………..………………………48
表4-5 溫度對反應槽電流的影響…………..…………………………49
表4-6 TiO2與ZnO元件比較…………………………………………55
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