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研究生:林泰瑋
研究生(外文):Tai-Wei Lin
論文名稱:石英爐管法在FTO基材合成四足結構氧化鋅奈米晶體及其在染料敏化太陽能電池應用之研究
論文名稱(外文):Synthesis of ZnO tetrapod nanocrystals on FTO glass substrate by furnace method and their application of dye-sensitized solar cells
指導教授:林泰源林泰源引用關係
指導教授(外文):Tai-Yuan Lin
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣海洋大學
系所名稱:光電科學研究所
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:88
中文關鍵詞:氧化鋅染料敏化太陽能電池高溫爐管法四足結構
外文關鍵詞:ZnODSSCCVDTetrapod
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本研究利用石英爐管法於500℃在FTO透明導電玻璃上成長高品質氧化鋅奈米結構,並以此為基礎,分別使用N3及N-719兩種染料製作染料敏化太陽電池,其元件轉換效率分別為0.40%與0.68%。
掃描式電子顯微鏡影像顯示,在FTO透明導電玻璃所成長之樣品為枝狀氧化鋅奈米結構。由X-射線繞射譜分析得知此氧化鋅為六方晶系烏采(Wurtzite)結構,其主要繞射峰面為(002)面。由X光能譜分析得知此氧化鋅四足結構中,鋅和氧的原子比例接近1:1,而且沒有其他的元素訊號。室溫光激發螢光光譜主要為近能帶邊的發光,其峰值為3.24 eV,在2.4 eV附近並無明顯可見的氧缺陷相關的發光,由此可推測此氧化鋅樣品品質良好。
因為本論文所製作之氧化鋅四足奈米結構,其表面具有比一般的奈米柱,有更大的接觸面積,染料的附著率會因此而提升,又因氧化鋅在500℃成長,其結晶品質高於一般於低溫成長的氧化鋅,因此可能具有較佳高的電子傳輸效率,所以,以此氧化鋅四足奈米結構為基礎所製作的染料敏化太陽電池,具有較佳之光-電轉換特性。

Zinc oxide (ZnO) nano-tetrapods were deposited on FTO glass substrate at 500 ℃ by furnace method. The samples were used to combine with N-719 or N3 dyes to fabricate two kinds of dye-sensitized solar cells (DSSCs). Under the optimal conditions, an AM1.5 power conversion efficiency of 0.40% was achieved for N3 immersed DSSC and 0.68% was achieved for N-719 immersed DSSC, respectively.
SEM images showed that we successfully grew the ZnO nano-tetrapods on FTO glass substrate at 500℃. The X-ray diffraction patterns confirm that the ZnO tetrapods are quasi-aligned predominantly with (002) orientation. The photoluminescence (PL) spectra of the ZnO tetrapods exhibit the near band-edge emission at 3.2 eV with no discernible defect emission, and this confirmed that our ZnO tetrapods are of good crystallinity.
The ZnO nano-tetrapods grown at 500 ℃ have larger surface area than the simple one dimensional nanostructures, and then offer the lager area for dye adsorptions. With the larger surface area and higher crystalline quality, the DSSCs based on our ZnO nano-tetrapods show the good overall conversion efficiency.

目錄
中文摘要…………………………………………………………..……ⅰ
英文摘要………………………………………………………………..ⅱ
致謝……………………………………………………………………..ⅲ
目錄……………………………………………………………………..ⅳ
表目錄…………………………………………………………………..ⅶ
圖目錄…………………………………………………………………..ⅷ
第一章 緒論…………………………………………………….….……1
1-1 前言…………………………………………………….…..1
1-2 太陽能電池的潛力與發展趨勢………………………...…2
1-3 太陽能電池的基本原理與種類…………………………....5
1-3-1 結晶矽太陽能池……………………………………7
1-3-2 薄膜太陽能電池……………………………………8
1-3-3 染料敏化太陽能池………………………………..11
1-4 研究動機…………………………………………………12
1-5 參考文獻…………………………………………………15
第二章 文獻回顧及理論背景…………………………………………17
2-1 染料敏化太陽能電池…………………………………….17
2-1-1 染料敏化太陽能電池發展背景演進………….…17
2-1-2 染料敏化太陽能電池的組成元件與工作原理….20
2-2 氧化鋅(ZnO)簡介……………………………………...…22
2-2-1 氧化鋅的製備方法…………………………….…27
2-3 光染料敏化劑……………………………………………29
2-4 電解質……………………………………………………34
2-4-1 液態電解質……………………………………….35
2-4-2 膠態電解質…………………………………….…36
2-5 參考文獻…………………………………………………..37
第三章 氧化鋅的製備與染料敏化太陽能電池組裝及特性分析……41
3-1 實驗設計………………………………………………….41
3-2 實驗儀器與原理……………………………………….…41
3-2-1 實驗儀器………………………………………….41
3-2-2 實驗原理……………………………………….…42
3-3 氧化鋅電極的製備…………………………………….....45
3-3-1 透明導電基板…………………………………….45
3-3-2 氧化鋅製程……………………………………….46
3-3-3 染料吸附……………………………………….…47
3-3-4 電解液的製備…………………………………….48
3-3-5 白金相對電極的製作………………………….…48
3-4 太陽能電池的組裝及量測…………………………….....49
3-4-1 組裝……………………………………………….49
3-4-2 量測…………………………………………….…49
3-5 分析儀器及應用原理………………………………….…52
3-5-1 直流濺鍍機 ( DC sputtering )……………………52
3-5-2 掃描式電子顯微鏡( SEM )………………………52
3-5-3 光激螢光 ( Photoluminescence,PL )………..…56
3-5-4 X光能譜……………………………………………57
3-6 參考資料………………………………………………..…58
第四章 結果與討論……………………………………………………60
4-1 掃描式電子顯微鏡分析結果…………………………….60
4-2 X光能譜分析…………………………………………..….64
4-3 X-射線繞射譜分析………………………………….….…65
4-4 吸收光譜分析………………………………………….…66
4-5 光激發螢光光譜分析………………………………….…69
4-6 元件之轉換效率………………………………………….69
4-7 內電阻計算……………………………………………….73
4-8 參考文獻………………………………………………….74
第五章 結論……………………………………………………………76
表目錄

表1.1 太陽能電池種類及材料之比較……………………….………..10
表2.1 氧化鋅DSSC文獻回顧………………………………………....20
表2.2 氧化鋅之基本特性……………………………………………...27
表4.1 氧化鋅晶體的元素成份比例…………………………………...64
表4.2 元件轉換效率比較表…………………………………………...71
表4.2 串聯電阻和短路電流比較表………………………………..….74












圖目錄

圖1.1 太陽能電池的發電原理………...………………………………..6
圖1.2 染料敏化太陽能電池結構圖…………………………………...14
圖2.1 DSSCs發展時程…………………………………………………19
圖2.2 染料敏化太陽能電池簡圖…………………………………...…21
圖2.3 染料敏化太陽能電池發電機制簡圖………………………..….22
圖2.4 DSSC之電子能階,左圖為照光,右圖為未照光………………..23
圖2.5 光電極/染料/電解液之電子能階圖………………………….....24
圖2.6 在pH=1水溶液的半導體氧化物能階示意圖…………………..26
圖2.7 N3 dye化學結構式……………………………………………....32
圖2.8 N-719 dye化學結構式…………………………………………...33
圖2.9 Black dye化學結構式……………………………………………33
圖2.10 N3和Black Dye的吸收光譜圖…………………………………34
圖3.1 典型高溫爐示意圖…………………………………………..….41
圖3.2 典型CVD反應的反應結構分解圖………………………….…..43
圖3.3 VLS晶體成長機制示意圖…………………………………...…..45
圖3.4 太陽能電池在光照下的電流-電壓特性曲線…………………..52
圖3.5 SEM量測和結構示意圖…………………………………………55
圖3.6 電子束入射樣品訊號圖……………………………………..….56
圖4.1 四足結構氧化鋅SEM圖(放大倍率510)…………………..…..61
圖4.2四足結構氧化鋅SEM圖(放大倍率3428)…………………...….61
圖4.3四足結構氧化鋅SEM圖(放大倍率8891)………………………62
圖4.4四足結構氧化鋅SEM圖(放大倍率21146)………………….….62
圖4.5 浸泡N3染料的四足結構氧化鋅SEM圖(放大倍率872)……..63
圖4.6浸泡N3染料的四足結構氧化鋅SEM圖(放大倍率21527)…....63
圖4.7 氧化鋅X光能譜………………………………………………...64
圖4.8 氧化鋅X-射線繞射譜……………………………………….….65
圖4.9 N3與N-719染料吸收光譜………………………………..……67
圖4.10浸泡過染料的氧化鋅吸收光譜………………………………..67
圖4.11 氧化鋅光激螢光激發光譜……………………………...……..69
圖4.12 浸泡N3染料的DSSC電流-電壓圖…………………………..72
圖4.13 浸泡N-719染料的DSSC電流-電壓圖…………………….....72
圖4.14 浸泡N-719染料的DSSC暗電流圖…………………………..73

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