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研究生:吳匡偉
研究生(外文):Kuang-Wei Wu
論文名稱:以自組裝單分子薄膜修飾染料敏化太陽能電池之工作電極以增進其元件效率之研究
論文名稱(外文):Self-Assembled Monolayer Assisted Interfacial Modifications on the Working Electrode of Dye-Sensitized Solar Cell to Improve the Performance
指導教授:戴龑
指導教授(外文):Yian Tai
口試委員:戴龑
口試日期:2012-07-27
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣科技大學
系所名稱:化學工程系
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:102
中文關鍵詞:自組裝單分子薄膜染料敏化太陽能電池
外文關鍵詞:Self-Assembled MonolayerDye-Sensitized Solar Cell
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在本篇論文中,我們以帶有不同尾端官能基之自組裝單分子薄膜,分別修飾染料敏化太陽能電池二氧化鈦工作電極中FTO/TiO2介面與TiO2/電解液介面,並利用自組裝單分子薄膜能改變功函數,表面偶極矩及親疏水性之特性對元件之各參數進行探討。
而對於TiO2/電解液界面方面,吾人藉由改變二氧化鈦電極功函數之方式,成功地改變了電子注入電極之能障,進而使開環電壓(Voc)產生變化,此外,成長於二氧化鈦表面所改變之偶極矩也影響了電解液電子導入二氧化鈦電極表面吸附的料之速率,進而影響短路電流(Jsc),在最佳化方面,使用3-(Triethoxysilyl)propionitril成長於二氧化鈦電極表面,可利用其功函數較低之優點,成功使開環電壓由0.77V提升至0.79V。在短路電流方面,其偏正偶極之特性也促使電子移向二氧化鈦電極之速率增加,驅使電解以中電子對染料進行填補電洞速率上升,進而使短路電流些微提升,使元件光電轉換效率由7.64%提升至8.03%。
而在FTO/TiO2介面方面,我們則利用具有羧酸基尾端官能基之自組裝單分子薄膜,改變表面親疏水性,進而提升二氧化鈦電極與FTO基板之接觸程度及其初始層緻密程度,降低了FTO/TiO2介面之電阻,提升工作電極載子遷移率,因而提升短路電流,使光電轉換效率上升。
In this work, we demonstrated the self-assembled monolayers (SAMs) assisted improvement of the efficiency of a dye-sensitized solar cell (DSSC). SAMs with different functional group were modified in between the TiO2/Electrolyte and FTO/TiO2 junction inside the work electrode. The work function of TiO2 working electrode were alter by the fabrication of SAMs, the lower work function can lead to higher energy barrier when injecting the electron, prompting the increase of Voc .furthermore, positive dipole moment on TiO2 working electrode surface by SAMs modified can attract electrons to the electrode direction forward, increase the speed of electron hole filling, result in higher Jsc.And for the optimized results, 3CN SAM modified cell can lead to higher conversion efficiency because of lower work function, positive dipole moment on TiO2 and its surface, and sustain amount of dye adsorption, from ~7.6% to ~8%
For the FTO/TiO2 junction, the SAMs were passivated on FTO electrode prior to the TiO2 absorption layer was doctor- bladed on it and sintered at 500oC. Charge mobility through FTO/TiO2 with SAMs-assisted fabrication process were proven to be improved comparing to the pristine device interface without SAMs-assisted process. Minute investigation indicated that the extreme hydrophilic nature of SAMs fabricated on the FTO, helped the TiO2 initial layer to be more compact in nature, resulting a decrease of impedance in FTO/TiO2 junction, which facilitated higher electron mobility and helped to improve the light conversion efficiency.The highest improvement of the cell conversion efficiency was from ~7.7% to ~8.6% under AM1.5G (1 sun), which was 13% of enhancement.
中文摘要 I
Abstract II
致謝 III
目錄 IV
表目錄 VI
名詞縮寫表 X
名詞代號表 XII
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 太陽能電池分類介紹 2
1-2-1 無機太陽能電池 2
1-2-2 有機太陽能電池 3
1-3 染料敏化太陽能電池介紹 5
1-4 自組裝單分子層薄膜 (Self-Assembled monolayer, SAMs) 6
1-5 自組裝單分子薄膜應用於染料敏化太陽能電池之相關文獻 7
第二章 相關理論 8
2-1自組裝單分子薄膜(Self-Assembled monolayer , SAM) 8
2-2染料敏化太陽能電池工作原理與轉換效率 11
2-2-1 染料敏化太陽能電池工作原理 11
2-2-2 染料敏化太陽能電池中之電子電洞對分離 13
2-3 二氧化鈦基本性質介紹 15
2-4太陽能電池之參數 16
太陽能電池的等效電路(Equivalent Circuit Diagram) 19
2-5太陽光的光譜分析(spectrum irradiance) 21
第三章 實驗方法與步驟 22
3-1實驗藥品 22
3-2 實驗器材及儀器 24
3-3染料化太陽能電池元件製備 25
3-3-1 基板之清洗程序 25
3-3-2 N719 染料之配製 25
3-3-3 電解液之配製 26
3-3-4自組裝單分子層薄膜的製備 26
3-3-5 染料敏化太陽能元件之製作 27
3-4 樣品分析量測 29
3-4-1 分析量測儀器簡介 29
3-5 實驗步驟 37
第四章 實驗結果與討論 39
4-1 以自組裝單分子薄膜對TiO2/電解液部分進行修飾 40
4-1-1自組裝單分子薄膜之選用及成長 40
4-1-2 於二氧化鈦表面成長自組裝單分子薄膜後其PSA分析 46
4-1-3成長自組裝單分子薄膜後吸附染料以製備太陽能電池元件之光電特性分析 48
4-1-4吸附染料後成長自組裝單分子薄膜以製備太陽能電池元件之光電特性分析 52
4-1-5 第一部分結論 55
4-2 以自組裝單分子薄膜對FTO/TiO2界面進行修飾 56
4-2-1自組裝單分子薄膜之選用 57
4-2-2 燒結之溫度梯度設計 57
4-2-3成長自組裝單分子薄膜於FTO基板 59
4-2-4溫度之梯度燒結對於自組裝單分子薄膜之成膜特性影響 65
4-2-5 成長自組裝單分子薄膜後之染敏太陽能電池光電特性分析 71
4-2-6 二氧化鈦工作電極吸附層之薄膜電晶體(TFT)電性分析 74
4-2-7 二氧化鈦工作電極吸附層之電化學組抗頻譜(EIS)分析 76
4-2-8 羧酸基尾端官能基鏈對太陽能元件之影響 78
4-2-9以自組裝單分子薄膜修飾過後之FTO/TiO2初始層分析 87
4-2-10以自組裝單分子薄膜修飾過後之FTO/TiO2初始層進行太陽能 90
4-2-12 以UV treatment修飾FTO基板之元件分析 93
4-2-13 第一部分與第二部分之結合 95
第五章 結論與未來展望 97
參考文獻 99
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