臺灣博碩士論文加值系統

本研究係以刮刀成膜法進行二氧化鈦薄膜製備，將二氧化鈦薄膜燒結於FTO導電玻璃，製成多孔性薄膜電極。實驗中探討二氧化鈦薄膜電極於製備過程中，探討於分散劑、燒結溫度、燒結時間及膜厚等實驗參數進行實驗，搭配染料(黑莓)及電解質(0.5M KI + 0.05I2加入混合於乙基乙二醇)，探討其對染料敏化太陽能電池效率之影響。實驗特性分析，以FESEM觀察二氧化鈦薄膜層之整體結構、顆粒呈現；以3D表面輪廓儀量測其薄膜厚度；以UV-Vis分析染料(黑莓)之吸收特性。
藉由分散劑之實驗，因使用醋酸時可制止二氧化鈦表面粒子產生聚集現象，於濃度0.1M之醋酸下，可得到較佳之光電轉換效率；藉由燒結時間之實驗，結果呈現，因溫度較高(約大於450℃)可將有機物質完全去除，本研究得到於550℃/30min下，可得較佳之轉換效率；於3D表面輪廓儀量測之二氧化鈦膜厚為18μm。

In this study the manufacture and the performance evaluation of dye sensitized solar cell(DSSC) are performed. This study focuses on how preparation parameters of titanium dioxide thin film affect the performance of DSSC. In the study, the a blackberry was used as dye and 0.5M KI ,0.05I2 in ethyl glycol was used as electrolyte. The titanium dioxide thin film was made by doctor blade method. The mesoporous titanium dioxide thin film was sintering on FTO glass. The titanium dioxide thin film electrode preparation includes the dispersant used, sintering temperature and sintering time. The film thickness and morphological properties were measured to relate various film manufacture parameters with DSSC performance. Among three dispersants of sulfuric acid, nitric acid and the acetic acid, the acetic acid was found to be adsorbed more on the surface of titanium dioxide that prohibits individual particle from aggregation as revealed in SEM measurements. Hence the acetic acid was selected as dispersants for the rest tests. An averaged 18μm film thickness was measured by 3D surface profiler. The test concludes that the optimal parameters in the titanium dioxide thin film manufacturing to obtain best DSSC performance are 0.1M concentration of acetic acid s dispersant, the sintering temperature 550℃ for 30min. The higher temperature in the sintering process is believed to burn out more organic matter in the titanium dioxide pore that enhance the exposure of the film to solar radiation, hence more optical-electro transfer improves the DSSC performance.

目錄
第一章 緒論 1
1.1 研究背景與動機 2
1.2 研究目的 2
1.3 研究內容 3
第二章 文獻回顧 4
2.1 太陽能電池 4
2.1.1 太陽能電池之發電原理 5
2.1.2 晶片型太陽能電池 6
2.1.3 薄膜太陽能電池 8
2.1.4 有機太陽能電池 11
2.2 染料敏化太陽能電池 13
2.1.5 染料敏化太陽能電池發展背景 13
2.1.6 染料敏化太陽能電池之組成結構 15
2.1.7 染料敏化太陽能電池之工作原理 16
2.3 透明導電玻璃基板 18
2.4 二氧化鈦 19
2.5 染料(Dye) 20
2.3.1 商業化染料 22
2.3.2 紫質染料(Porphyrin) 24
2.3.3 天然染料 25
2.6 電解質溶液(Electrolyte) 27
2.7 相對電極 28
2.8 太陽能電池之電流-電壓輸出特性 28
2.9 染料敏化太陽能電池元件效率之探討 31
2.9.1 二氧化鈦薄膜厚度對染料敏化太陽能電池之影響 31
2.9.2 二氧化鈦燒結溫度對染料敏化太陽能電池之影響 33
2.9.3 分散劑對染料敏化太陽能電池之影響 34
2.9.4 染料對染料敏化太陽能電池之影響 35
第三章 實驗研究方法 36
3.1 研究方法與流程 36
3.2 實驗藥品與實驗材料、設備 37
3.2.1 實驗藥品與器材 37
3.2.2 實驗材料與設備 38
3.3 實驗程序 43
3.3.1 實驗預先步驟 44
3.3.2 實驗步驟 46
3.4 實驗條件 49
第四章 結果與討論 50
4.1 染料之紫外光-可見光吸收光譜(UV-VIS)分析 50
4.2 光照度計與太陽光之關聯 51
4.3 光照度計與太陽光模擬器之關聯 52
4.4 二十年無機太陽能板之功率測試 53
4.5 Konarka Power PlasticR 20 Series太陽能板之功率測試 54
4.6 二氧化鈦薄膜分析 56
4.6.1 不同分散劑下之實驗 57
4.6.2 醋酸於不同濃度下之實驗 61
4.6.3 醋酸不同燒結溫度下之實驗 65
4.6.4 醋酸不同燒結時間下之實驗 67
4.6.5 二氧化鈦薄膜厚度之探討 69
第五章 結論 71
5.1 結論 71
5.2 建議 72
參考文獻 73
圖目錄
圖2-1 太陽能電池之發電原理 5
圖2-2 單晶矽太陽能電池 7
圖2-3 多晶矽太陽能電池 8
圖2-4 非晶矽太陽能電池 9
圖2-5 DSSC之主要結構 15
圖2-6 DSSC之反應機制圖 17
圖2-7 DSSC工作原理示意圖 18
圖2-8 二氧化鈦晶體結構圖(a)銳鈦礦(b)金紅石 20
圖2-9 N3染料的化學結構式 23
圖2-10 N719染料的化學結構式 23
圖2-11 Black染料的化學結構式 24
圖2-12 紫質染料基本結構圖 25
圖2-13 花青素基本結構圖 26
圖2-14 花青素之分子與二氧化鈦之附著作用 26
圖2-15 DSSC之I-V特性曲線圖 30
圖2-16 DSSC於不同薄膜厚度之IV 曲線 31
圖3-1 研究流程圖 36
圖3-2 場發射鎗掃描式電子顯微鏡 39
圖3-3 3D表面輪廓儀(3D Profiler) 39
圖3-4 加熱爐(Sentry Electric Furnace) 42
圖3-5 太陽光模擬器(Solar Simulator) 43
圖3-6 實驗製作流程圖 44
圖3-7 電阻量測板 45
圖3-8 分散劑 45
圖3-9 黑莓研磨前後對照圖 46
圖3-10 電路圖 48
圖4-1 黑莓汁全波長圖 50
圖4-2 光照度計與太陽光之關聯圖 51
圖4-3 光照度計與太陽光模擬器之關聯圖 52
圖4-4 二十年無機太陽能板之功能測試 53
圖4-5 二十年無機太陽能板之電流-電壓曲線 54
圖4-6 Konarka太陽能板之性能測試 55
圖4-7 Konarka太陽能板之電流-電壓曲線 55
圖4-8 奈米二氧化鈦SEM圖 56
圖4-9 奈米二氧化鈦之3D表面輪廓圖 57
圖4-10 使用醋酸溶液之電流-電壓曲線 58
圖4-11 使用醋酸溶液之SEM圖 (左)平均裂縫圖 (右) 顆粒圖 59
圖4-12 使用硝酸溶液之電流-電壓曲線 59
圖4-13 使用硝酸溶液之SEM圖 (左)平均裂縫圖 (右) 顆粒圖 60
圖4-14 使用鹽酸溶液之電流-電壓曲線 60
圖4-15 使用硝酸溶液之SEM圖 (左)平均裂縫圖 (右) 顆粒圖 61
圖4-16 醋酸濃度0.01M之電流-電壓曲線 62
圖4-17 醋酸濃度0.05M之電流-電壓曲線 63
圖4-18 醋酸濃度0.1M之電流-電壓曲線 63
圖4-19 醋酸濃度0.5M之電流-電壓曲線 64
圖4-20 醋酸濃度1M之電流-電壓曲線 64
圖4-21 燒結350℃之電流-電壓曲線 66
圖4-22 燒結450℃之電流-電壓曲線 66
圖4-23 燒結550℃之電流-電壓曲線 67
圖4-24 燒結5min之電流-電壓曲線 68
圖4-25 燒結15min之電流-電壓曲線 68
圖4-26 燒結30min之電流-電壓曲線 69
圖4-27 奈米二氧化鈦之3D表面輪廓圖 70

表目錄
表2-1 各種類太陽能電池與模組轉換效率 4
表2-2 染料敏化太陽能電池之發展 14
表2-3 N3、N719、Black-Dye之特性比較 24
表2-4 DSSC不同薄膜厚度之IV表現 32
表4-1 光照度計與太陽光之關聯數據 51
表4-2 光照度計與太陽光之關聯數據 52
表4-3 分散劑之光電性能表 58
表4-4 醋酸各濃度之pH值 61
表4-5 醋酸濃度之光電性能表 62
表4-6 醋酸各燒結溫度之光電性能表 65
表4-7 醋酸各燒結時間之光電性能表 67
表4-8 本研究與文獻之薄膜厚度比較表 70

1.A.O.T. Patrocinio, S.K. Mizoguchi, L.G. Paterno, C.G. Garcia, N.Y. Murakami Iha，” Efficient and low cost devices for solar energy conversion: Efficiency and stability of some natural-dye-sensitized solar cells”， Synthetic Metals 159 (2009) 2342–2344
2.C. Barrett, T. B. Massalski,，”Structure of Metals 3rd revised edition: Crystallographic Methods, Principles, and Data”, International Series on Materials Science and Technology, 35, (Pergamon Press, Oxford, New York, etc., 1980)，Volume 33, Issue 6, June 1983, Pages 367
3.Chuen-Shii Chou , Ru-Yuan Yang, Min-Hang Weng, Chun-Hung Yeh，“Preparation of TiO2/dye composite particles and their applications in dye-sensitized solar cell”， Powder Technology 187 (2008) 181–189
4.Chuen-Shii Chou , Ru-Yuan Yang, Min-Hang Weng, Chun-Hung Yeh，” Preparation of TiO2/dye composite particles and their applications in dye-sensitized solar cell”， Powder Technology 187 (2008) 181–189
5.Doohun Kim, Poulomi Roy, Kiyoung Lee, Patrik Schmuki，” Dye-sensitized solar cells using anodic TiO2 mesosponge: Improved efficiency by TiCl4 treatment”， Electrochemistry Communications 12 (2010) 574–578
6.Giuseppe Calogero, Gaetano Di Marco，“Red Sicilian orange and purple eggplant fruits as natural sensitizers for dye-sensitized solar cells”， Solar Energy Materials & Solar Cells 92 (2008) 1341– 1346
7.H. Zhang, and J. F. Banfield，“Phase transformation of nanocrystalline anatase-to-rutile via combined interface and surface nucleation”，Chem. Rev. 95(1995) 735-758
8.Hung-Lin Lu, Yu-HuiLee, Sheng-TungHuang, ChaochinSu, ThomasC.-K.Yang，“Influences of water in bis-benzimidazole-derivative electrolyte additives to the degradation of the dye-sensitized solar cells”， Solar Energy Materials & Solar Cells 95(2011)158–162
9.Huizhi Zhou, Liqiong Wu, Yurong Gao, Tingli Ma，“Dye-sensitized solar cells using 20 natural dyes as sensitizers”，Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry 219 (2011) 188–194
10.Hee-Gon Bang, Jun-Ki Chung, Rae-Young Jung, Sang-Yeup Park，” Effect of acetic acid in TiO2 paste on the performance of dye-sensitized solar cells”， Ceramics International 38S (2012) S511–S515
11.K Hara, T Horiguchi, T Kinoshita, K Sayamaa, H Arakawa，” Influence of electrolytes on the photovoltaic performance of organic dye-sensitized nanocrystalline TiO2solarcells”， Solar Energy Materials & Solar Cells 70 (2001) 151–161
12.Md. K. Nazeeruddin , Etienne Baranoff, Michael Gra‥tzel， “Dye-sensitized solar cells: A brief overview”， Solar Energy 85 (2011) 1172–1178
13.Seigo Ito, Mohammad K. Nazeeruddin, ShaikM. Zakeeruddin, Peter P’echy,Pascal Comte,Michael Gr‥atzel,TakakiMizuno,Atsushi Tanaka,and Tsuguo Koyanagi，” Study of Dye-Sensitized Solar Cells by Scanning ElectronMicrograph Observation and Thickness Optimization of Porous TiO2 Electrodes”， Hindawi Publishing Corporation International Journal of Photoenergy Volume 2009, Article ID 517609, 8 pages
14.Songyuan Dai, Jian Weng, Yifeng Sui, Chengwu Shi, Yang Huang, Shuanhong Chen, Xu Pan, Xiaqin Fang, Linhua Hu, Fantai Kong, Kongjia Wang，” Dye-sensitized solar cells, from cell to module”， Solar Energy Materials and Solar Cells, Volume 84, Issues 1–4, October 2004, Pages 125-133
15.Seigo Ito, P. Chen, P. Comte, M.K. Nazeeruddin, P. Liska, P. Pe’chy, M. Grtzel，”Fabrication of screen-printing pastes from TiO2 powders for dye-sensitised solar cells”，Progress in Photovoltaics: Research and Applications 15 (7) (2007) 603–612.
16.Sancun Hao, Jihuai Wu *, Yunfang Huang, Jianming Lin，” Natural dyes as photosensitizers for dye-sensitized solar cell”， Solar Energy 80 (2006) 209–214
17.Yao Liu, Anders Hagfeldt, Xu-Rui Xiao, Sten-Eric Lindquist， ” Investigation of influence of redox species on the interfacial energetics of a dye-sensitized nanoporous TiO2solarcell”， Solar Energy Materials and Solar Cells 55 (1998) 267-281
18.Zhaoyue Liu, and Mano Misra， “Dye-Sensitized Photovoltaic Wires Using Highly Ordered TiO2 Nanotube Arrays” ，2010 American Chemical Society, VOL. 4 NO. 4，2196-2200
19.http://www.solar-i.com/know.html
20.http://www.moneydj.com/kmdj/wiki/wikiviewer.aspx?keyid=95f2510 e-8010-4acb-a301-e03772e48532

中文部分：
21.王仕凱，應用葡萄汁染料敏化TiO2太陽能電池之研究，碩士論文，逢甲大學，2006
22.李名揚，仿效葉綠素 捕捉太陽能，科學人， 2012年120期2月號 72-76
23.李嘉益，紫質分子在TiO2奈米薄膜上的能量與電子轉移動力學研究，碩士論文，國立交通大學，2007
24.呂怡萱，二氧化鈦奈米管於染料敏化太陽能電池之探討，碩士論文，國立中央大學，2006
25.沈輝、曾祖勤，太陽能光電技術，五南圖書出版股份有限公司，2008 74-80
26.邱鵬潔，色素增感型太陽能電池之電化學與光電特性探討，碩士論文，大葉大學2007
27.周昀毅，天然色素染料敏化太陽能電池，碩士論文，國立台北科技大學，2008
28.林明獻，太陽電池技術入門，全華圖書股份有限公司，2007 9-1~12-16
29.周啟達，以紫質及酞花青敏化之二氧化鈦染料敏化太陽能電池研究，碩士論文，國立台灣科技大學，2007
30.柯志昇，綠色能源當道-全球太陽能電池市場與產業發展趨勢分析，財團法人資訊工業策進會 資訊市場情報中心(MIC) 2008 36-39
31.陳彥良;蘇柏憲;黃建維;沈政豪，以氧化鋅及二氧化鈦製作不同阻隔層對染料敏化太陽能電池之影響，大學專題，修平科技大學，2006
32.陳泊睿，利用化學處理對於染料敏化太陽能電池效率之影響，碩士論文，國立東華大學，2010
33.黃士哲，有機色素增感太陽電池─雞尾酒色素╱色素能帶階梯增感之探討，碩士論文，國立成功大學，2006
34.黃清輝，染料敏化太陽能電池工作電極之結構最佳化研究，碩士論文，國立交通大學，2007
35.葉俊宏，微奈米複合粉體之機械融合製備及其應用於改善染料敏化太陽能電池之光電轉換效率，碩士論文，國立屏東科技大學，2007
36.廖祐昀，應用植物染料於染料敏化太陽能電池之研究，碩士論文，國立虎尾科技大學，2010
37.劉茂煌，奈米光電電池，工業材料， 203期 91-97
38.劉金玲，二氧化鈦薄膜對染料敏化太陽能電池的影響，碩士論文，國立交通大學，2007
39.濱川圭弘，光電太陽能設計與應用，五南圖書出版股份有限公司，2009 135-136、156-161、176-180
40.譚任廷，染料敏化太陽能電池之研製與特性研究，碩士論文，國立台灣大學，2007