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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:林承郁
研究生(外文):Cheng-YuLin
論文名稱:串接式硫化物量子點敏化太陽能電池之研究
論文名稱(外文):Sulfide Quantum Dot-Sensitized Cells with Tandem Arrangement
指導教授:鄧熙聖
指導教授(外文):Hsi-Sheng Teng
學位類別:碩士
校院名稱:國立成功大學
系所名稱:化學工程學系碩博士班
學門:工程學門
學類:化學工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2012
畢業學年度:100
語文別:中文
論文頁數:93
中文關鍵詞:光電化學電池CuInS2量子點量子點敏化太陽能電池硫化鉛連續離子層吸附反應
外文關鍵詞:Photoelectrochemical cellCuInS2 quantum dotsquantum dot-sensitized solar cellPbSsuccessive ionic layer adsorption and reaction
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本研究中利用連續離子溶液披覆與反應方式,將PbS沉積於FTO導電玻璃上並作為量子點敏化太陽能電池之相對電極,藉以提高電池之整體表現。藉由交流阻抗分析與極化曲線之量測,PbS相對電極在polysulfide電解質中的電荷轉移電阻比一般的白金電極低上許多。而經由Mott-Schottky 之測試可知PbS具有p型半導體之特性。照光下,p型半導體PbS的費米能階會往價電帶移動,進而增加電池的開環電壓(Voc)。同時,因為具有較小的能隙值,在正照式的電池組合下PbS可以利用未被工作電極吸收的長波長入射光。且在電解質中p型半導體為了使費米能接平衡,能帶會向下彎曲,使電子更容易向電解質的方向流動、還原電解質。是故,藉由此效應以PbS作為相對電極可進一步提高量子點敏化太陽能電池的光電流密度。將PbS工作電極與本研究室所發展之TiO2/CuInS2/CdS/ZnS工作電極組合成串接式太陽能電池,在一個太陽光強度的模擬器照射下進行光電轉換效率之量測可得短路電流(Jsc) of 18.26 mA cm-2,開環電壓573 mV, 填充因子(fill factor) 44.47,與光電轉換效率4.83 %。
In this study, a photoactive PbS thin layer was deposited on the fluorine-doped tin oxide (FTO) via successive ionic solution coating and reaction process, and it was used as counter electrode to raise the exhibition in power conversion efficiency (PCE) of the quantum dot-sensitized solar cell (QDSSC). Under illumination, the Fermi level of the p-type photoactive PbS counter electrode shifts toward the direction of valance band, and the photovoltage increases due to it equals to a sum of the chemical potential differences between the anode and cathode in a tandem QDSSC. At the same time, with small band gap PbS can also utilize the light which was not absorbed by working electrode to increase the current density. The tandem QDSSC exhibits a short-circuit photocurrent (Jsc) of 18.26 mA cm-2, an open-circuit photovoltage (Voc) of 573 mV, a fill factor of 44.47, and a conversion efficiency of 4.83 % under one-sun illumination.
總目錄
中文摘要 I
Abstract II
致謝 III
總目錄 IV
圖目錄 VIII
表目錄 XI

第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 半導體簡介 4
1.3 半導體光伏特效應 7
1.4 研究背景與目的 9
第二章 理論說明與文獻回顧 10
2.1. 半導體電化學理論之簡介 10
2.1-1. 費米能階 10
2.1-2. 半導體與電解質介面的電化學行為 12
2.1-3. 交流阻抗界面分析 15
2.1-4. 半導體電極界面鑑定 21
2.2. 奈米粒子成核成長與製備 23
2.2-1. 奈米粒子之成核與成長 23
2.2-2. 溶膠法(Sol Process) 27
2.2-3. 微胞法(Micelles) 29
2.2-4. 溶膠凝膠法(Sol-Gel Process) 32
2.2-5. 水熱法(Hydrothermal Synthesis) 34
2.2-6. 熱分解法(Pyrolysis) 36
2.3. 量子點特性簡介 38
2.3-1. 量子侷限效應 38
2.3-2. Particle in a box model 40
2.3-3. Effective Mass Approximation (EMA) 42
2.3-4. 衝擊離子化效應與歐傑再結合效應 45
2.4. 太陽能電池工作原理與串接式太陽能電池 46
第三章 實驗方法與儀器原理介紹 49
3.1. 藥品 49
3.2. 實驗設備 51
3.3. 以溶熱法製備CuInS2量子點 52
3.4. 二氧化鈦奈米顆粒漿料之製備 53
3.5. CuInS2/CdS/ZnS量子點敏化太陽能電池之組裝 54
3.5-1. 二氧化鈦薄膜之製備 54
3.5-2. CuInS2量子點之表面改質與擔載 54
3.5-3. CdS/ZnS於TiO2薄膜電極上之擔載 55
3.5-4. 電解質之配置 56
3.5-5. 相對電極之製備 56
3.5-6. QDSSC之組裝 56
3.6. 電池的I-V特性曲線測試 58
3.7. Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) 61
3.8. XRD 繞射分析 64
3.9. 紫外光-可見光吸收光譜量測 (UV-Vis Absorption) 66
第四章 結果與討論 67
4.1. 前言 67
4.2. PbS奈米薄膜於FTO導電玻璃上的SEM影像分析 68
4.3. PbS薄膜電極之XRD分析 70
4.4. PbS薄膜電極之Mott-Schottky測試 71
4.5. 相對電極之電解質還原能力測試 75
4.6. UV-Visible分析 78
4.7. IPCE之測量 79
4.8. 電池效率表現之測試 81
第五章 結論 85
參考文獻 86
作者簡介 94


圖目錄
圖1.1 半導體氧化物的能階示意圖 6
圖1.2 pn-junction示意簡圖 8
圖2.1 電化學電位刻度和半導體能量軸之對照圖 11
圖2.2 半導體/電解質界面之電位降及能帶彎曲圖 13
圖2.3 能帶彎曲和施加電位的關係 14
圖2.4 n型和p型半導體於偏壓下其能帶彎曲圖形 14
圖2.5 阻抗之複數平面 17
圖2.6 電阻和電容串聯 (a)電路圖 (b)複數平面阻抗圖 18
圖2.7 電阻和電容並聯(a)電路圖(b)並聯RC電路中,電容和電阻電流向量之總和(c)複數平面之阻抗圖 20
圖2.8 n型和p型半導體之Mott-Schottky圖 22
圖2.9 總自由能G和粒子成長半徑r 之關係圖 24
圖2.10 利用溶膠法合成單一粒徑分布奈米粒子 27
圖2.11 正微胞與逆微胞示意圖 29
圖2.12 利用逆微胞法製備的銅奈米粒子 31
圖2.13 以溶熱法製備之CrN 奈米粒子 35
圖2.14 以溶熱法製備之SnS2 奈米管 35
圖2.15 利用熱分解法製備之奈米碳管 37
圖2.16 “3d”、”2d”、”1d” 和 ”0d” 半導體材料中能帶之理想能階密度關係圖 38
圖2.17 由實驗、EMA 和tight-binding calculation 得到之激子能量與粒子尺寸之依憑性 43
圖2.18 真實能帶結構和EMA能帶結構之簡示圖 44
圖2.19 量子點敏化太陽能電池之工作原理 47
圖2.20 串聯型太陽能電池能階示意圖 48
圖3.1 連續式離子層吸附反應示意圖 55
圖3.2 太陽能電池組裝示意圖 57
圖3.3 電池光電轉換效率測試系統 59
圖3.4 太陽能電池I-V 特性曲線特性圖 60
圖3.5 EIS分析之相對電極組裝示意圖 61
圖3.6 EIS分析之等效電路圖 62
圖3.7 典型交流阻抗測試所得之Nyquist plot 63
圖3.8 布瑞格繞射示意圖 65
圖4.1 PbS薄膜電極之SEM影像 69
圖4.2 PbS薄膜XRD分析圖 70
圖4.3 p型半導體受外加偏壓時能階彎曲示意圖 72
圖4.4 PbS薄膜電極之Mott-Schottky測試圖 73
圖4.5 PbS / Pt 與 CuS / Pt之光伏特效應測試圖 74
圖4.6 PbS薄膜電極之交流阻抗分析圖 75
圖4.7 等校電路示意圖 76
圖4.8 Pt、PbS與CuS之交流阻抗分析圖 77
圖4.9 Pt、PbS與CuS之極化曲線圖 77
圖4.10 TiO2/CuInS2/CdS/ZnS與PbS電極之UV-Visibl光譜圖 78
圖4.11 以PbS與CuS為相對電極之太陽能電池IPCE比較圖 80
圖4.12 半導體於電解質中能帶彎曲示意圖 80
圖4.13 TiO2/CuInS2/CdS/ZnS工作電極與不同沉積次數PbS相對電極所組電池之IV曲線特性圖 81
圖4.14 以PbS、CuS與Pt為相對電極所組成電池之IV曲線特性圖 83
表目錄
表4. 1 不同相對電極之IV曲線參數與電荷轉移電阻 84

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