跳到主要內容

臺灣博碩士論文加值系統

(3.229.142.104) 您好!臺灣時間:2021/07/28 11:56
字體大小: 字級放大   字級縮小   預設字形  
回查詢結果 :::

詳目顯示

: 
twitterline
研究生:胡庭豪
研究生(外文):Ting Hao Hu
論文名稱:複合式碳材料結構應用於染料敏化太陽能電池製作與分析
論文名稱(外文):Fabrication and Analysis Using Composite Carbon Materials for Dye-Sensitized Solar Cells
指導教授:卜一宇
指導教授(外文):Ian Y.Y. Bu
口試委員:卜一宇楊誌欽高宗達
口試委員(外文):Ian Y.Y. BuChih Chin YangTsung-ta Kao
口試日期:2013-11-19
學位類別:碩士
校院名稱:國立高雄海洋科技大學
系所名稱:微電子工程研究所
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:2013
畢業學年度:102
語文別:中文
論文頁數:87
中文關鍵詞:染料敏化太陽能電池複合碳式材料電化學
外文關鍵詞:Dye-Sensitized solar cellComposite carbon materialsElectrochemical
相關次數:
  • 被引用被引用:0
  • 點閱點閱:240
  • 評分評分:
  • 下載下載:3
  • 收藏至我的研究室書目清單書目收藏:0
染料敏化太陽能電池在1991年由Michael Grätzel學者首次發表後,吸引廣大的人們的回響。其中反電極是染料敏化太陽能電池元件中最重要結構之一。然而,反電極白金(Pt)材料對於染料敏化太陽能電池的催化活性性能最好,但白金材料非常昂貴。因此,本研究開發出一種新型的複合碳材料應用於染料敏化太陽能電池的反電極上。以複合碳材料用來替代染料敏化太陽能電池的反電極白金(Pt)/FTO 結構。

對於不同的複合式碳材料條件,這裡藉由掃描式電子顯微鏡(SEM)、X光繞射分析儀(XRD)、紫外光可見光光譜量測儀(UV-VIS)、四點探針量測儀(Four-Point Probe)、霍爾量測儀(Hall)、拉曼光譜儀(Raman spectroscopy)、循環伏安法量測儀(Cyclic Voltammetry)、交流阻抗分析量測儀(Electrochemical Impedance Spectroscopy)及Science-Tech太陽能電池電流-電壓(J-V)量測儀,來分析與測量染料敏化太陽能電池光電轉換參數等相關特性。

Since Michael Grätzel firstly reported dye-sensitized solar cells (DSSCs) in 1991, DSSCs have attracted more interests. The counter electrode is one of the most important components in the DSSCs. However, platinum (Pt) as the best performing material in the counter electrode of DSSCs shows excellent catalytic activity, but is very expensive. Therefore, This study developed a new type of composite carbon material counter electrode for DSSCs. By the composite carbon material can be used as an alternative to Pt/FTO in DSSC counter electrodes.

For different preparation and composite carbon materials conditions, the dye-sensitized solar cell electrical properties, optical and structural properties were measured by using Scanning electron microscopy(SEM), X-ray diffraction(XRD),UV-VIS-NIR spectrophotometer, Four-point probe, Hall measurement, Raman spectroscopy, Cyclic Voltammetry(CV), Electrochemical impedance spectroscopy(EIS),and Science-Tech’s solar simulator current density–voltage(J–V) characteristics measurement.

目錄:
摘要------------------------------------I
Abstract-------------------------------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研究動機與文獻回顧-----------------------4

第 二 章 理論基礎---------------------------7
2-1太陽能電池相關名詞定義--------------------7
2-2 染料敏化太陽能電池之工作原理--------------8
2-3 染料敏化太陽能電池之組成元素--------------10
2-3-1 透明導電薄膜基板----------------------10
2-3-2 工作電極-----------------------------10
2-3-3 光敏化劑(染料)-----------------------12
2-3-4 電解質------------------------------13
2-3-5 反電極------------------------------13
2-4 碳材料介紹-----------------------------14

第 三 章 實驗方法與步驟-------------------------------------------16
3-1 染料敏化太陽能電池製作流程------------------------------------16
3-2 實驗方法---------------------------------------------------17
3-3 分析儀器設備介紹與應用原理------------------------------------20
3-3-1 掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope,SEM)--------20
3-3-2 X-光粉末繞射儀(X-ray diffraction,XRD)---------------------21
3-3-3 紫外光可見光光譜分析(UV-VIS-NIR Spectrophotometer)---------22
3-3-4 四點探針(Four-Point Probe)-------------------------------24
3-3-5 霍爾量測儀(Hall Measurement System)-----------------------25
3-3-6 循環伏安法(Cyclic Voltammetry,CV)-------------------------26
3-3-7 交流阻抗分析(Electrochemical Impedance Spectroscopy,EIS)--27
3-3-8 拉曼光譜儀(Raman Spectroscopy)----------------------------28
3-3-9 太陽能光電轉換效率量測儀(Current Density–Voltage,J–V)-------30

第 四 章 研究結果與分析-------------------------------------------31
4-1 掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope,SEM)-----------31
4-2 X-光粉末繞射儀(X-ray diffraction,XRD)------------------------36
4-3 紫外光可見光光譜分析(UV-VIS-NIR Spectrophotometer) -----------40
4-4 四點探針(Four-Point Probe)----------------------------------44
4-5 霍爾量測儀(Hall Measurement System) -------------------------46
4-6 太陽能光電轉換效率量測儀(Current Density–Voltage,J–V)----------47
4-7 循環伏安法(Cyclic Voltammetry,CV)----------------------------54
4-8 交流阻抗分析(Electrochemical Impedance Spectroscopy,EIS)-----59
4-9 拉曼光譜儀(Raman Spectroscopy)-------------------------------63

第 五 章 結論與未來展望--------------------------------------------67

參考文獻--------------------------------------------------------70


表目錄:
表1 太陽能電池的分類...................................1
表2 太陽能電池材料分類與光電轉換效率......................2
表3 FTO TCO 基板四點探針量測點與片電阻(量測三次).........45
表4 工作電極材料二氧化鈦(TiO2)霍爾量測分析...............46
表5 最佳化基本版DSSC之J-V量測數據......................50
表6 不同碳材料與混合型碳結構之J-V量測數據................52
表7 不同碳材料與其混合結構之反電極氧化還原電位.............58
表8 基本版白金(Pt)材料進行交流阻抗法量測.................59
表9 白金、不同碳材料與混合型碳結構進行交流阻抗法量測........60

圖目錄:
圖1 染料敏化太陽能電池基本構造圖..........................3
圖2 不同碳材料與結構示意圖...............................5
圖3 石墨烯材料應用於DSSC反電極圖.........................5
圖4 染料敏化太陽能電池基本參數定義與圖形說明................7
圖5 染料敏化太陽能電池氧化還原反應機制圖...................9
圖6 染料敏化太陽能電池之染料(N719)化學結構圖..............12
圖7 實驗架構流程圖.....................................16
圖8 DSSC實驗流程圖(Pt)................................17
圖9 DSSC基本結構圖(Pt)................................17
圖10 DSSC實驗流程圖(C)................................18
圖11 DSSC基本結構圖(C)................................18
圖12 掃描式電子顯微鏡(SEM)量測系統圖.....................20
圖13 X-光粉末繞射儀(XRD)量測系統圖......................21
圖14 光入射到材料中被吸收的關係圖.........................23
圖15 紫外光/可見光光譜分析(Uv-Vis)量測系統圖...............23
圖16 四點探針(Four-Point Probe)量測系統圖................24
圖17 霍爾量測儀(Hall Measurement System)量測系統圖........25
圖18 循環伏安法(Cyclic Voltammetry)量測原理圖.............26
圖19 交流阻抗分析(EIS)量測原理圖..........................27
圖20 拉曼光譜儀(Raman spectroscopy)量測系統圖.............29
圖21 太陽能電池光電轉換效率參數量測系統圖....................30
圖22 DSSC工作電極材料:二氧化鈦(a)結構示意圖(b)SEM圖.........31
圖23 DSSC反電極材料:石墨(a)結構示意圖(b)SEM圖..............32
圖24 DSSC反電極材料:碳黑(a)結構示意圖(b)SEM圖..............33
圖25 DSSC反電極材料:石墨烯、石墨、碳黑混合結構(a)結構示意圖(b)SEM圖..35
圖26 FTO 及 FTO/ TiO2之XRD圖.............................37
圖27 碳黑、石墨、石墨烯及其混合結構之 XRD繞射圖................38
圖28 碳黑、石墨、石墨烯及其混合結構之半高寬與粒徑大小圖..........39
圖29 由紫外光可見光光譜量測FTO基板的穿透率圖..................41
圖30 FTO基板的能隙圖......................................41
圖31 由紫外光可見光光譜量測染料與二氧化鈦吸附關係圖.............43
圖32 FTO TCO 基板四點探針量測點示意圖.......................45
圖33 二氧化鈦阻擋層及其對電子逆反應之傳輸機制與能隙示意圖........48
圖34 最佳化基本版DSSC之J-V特性曲線量測.......................50
圖35 不同碳材料與混合型碳結構之J-V特性曲線量測.................53
圖36 基本版FTO/白金(Pt)進行循環伏安法量測....................55
圖37 表面積效應理論圖......................................56
圖38 不同碳材料(a)石墨(b)碳黑(c)石墨烯(d)石墨烯+碳黑+石墨
之混合結構,進行循環伏安法量測..........................58
圖39 DSSC反電極EIS等效電路元件圖............................59
圖40 不同碳材料(a)石墨(b)碳黑(c)石墨烯(d)石墨烯+碳黑+石墨
之混合結構 之Nyquist圖................................62
圖41 拉曼光譜中 G band、D band、2D band 之電子散射示意圖......64
圖42 碳黑、石墨、石墨烯及其混合結構之拉曼圖....................66
圖43 為碳黑、石墨、石墨烯及其混合結構之之IG/ID圖...............66
圖44 散射層示意圖(a)未加大顆粒散射層(b)以加大顆粒散射層.........69

[1]
B. O’Regan, M. Gratzel:A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films,Nature, 353 (6346) (1991), pp. 737–740
[2]
孫志銘,“染料敏化太陽電池動態模式建立與電動車致冷晶片冷氣應用”,國立清華大學動力機械工程學系,2009。
[3]
Yu QJ;Wang YH;Yi ZH;Zu NN;Zhang J;Zhang M;Wang P.High-Efficiency Dye-Sensitized Solar Cells: The Influence of Lithium Ions on Exciton Dissociation, Charge Recombination, and Surface States,ACS NANO,2010,4(10):6032-6038
[4]
Hu, H., Chen, B., Bu, C., Tai, Q., Guo, F., Xu, S.等人. (2011). Stability study of carbon-based counter electrodes in dye-sensitized solar cells. Electrochimica Acta, 56(24), 8463-8466.
[5]
Wan, L., Wang, S., Wang, X., Dong, B., Xu, Z., Zhang, X.等人. (2011). Room-temperature fabrication of graphene films on variable substrates and its use as counter electrodes for dye-sensitized solar cells. Solid State Sciences, 13(2), 468-475.
[6]
Adachi, T., & Hoshi, H. (2013). Preparation and characterization of Pt/carbon counter electrodes for dye-sensitized solar cells. Materials Letters, 94(0), 15-18.
[7]
Liu, G., Wang, H., Li, X., Rong, Y., Ku, Z., Xu, M.等人. (2012). A mesoscopic platinized graphite/carbon black counter electrode for a highly efficient monolithic dye-sensitized solar cell. Electrochimica Acta, 69(0), 334-339.
[8]
翁敏航, 太陽能電池: 原理,元件,材料,製程與檢測技術, 臺灣東華, 2010.
[9]
Grätzel, M. Nature. 2001, 414, 338.
[10]
Grätzel, M. J. Photochem. Photobio. A . Chem. 2004, 164, 3
[11]
張桓瑄,“苯環上含長碳鏈取代基的有機染料應用於染料敏化太陽能電池,中國文化大學應用化學研究所”,2010。
[12]
K. Fujihara, A. Kumar, R. Jose, S. Ramakrishna, and S. Uchida,“Spraydeposition of electrospun TiO2 nanorods for dye-sensitized solar cell,” Nanotechnology, vol. 18, pp. 365709-1-365709-5, 2007.
[13]
K. Zhu, N. R. Neale, A. Miedaner, and A. J. Frank, “Enhanced charge-collection efficiencies and light scattering in dye-sensitized solar cells using oriented TiO2 nanotubes arrays,” Nano Lett., vol. 7,pp. 69-74, 2007
[14]
M. S. Akhtar, M. A. Khan, M. S. Jeon, and O.-B. Yang, “Controlled synthesis of various ZnO nanostructured materials by capping agents-assisted hydrothermal method for dye-sensitized solar cells,”113Electrochim. Acta, vol. 53, pp. 7896-7874, 2008
[15]
N.N.Dinh,M.C.Bernard,A.H.L.Goff,T.Stergiopoulos,and .Falaras,“Photoelectrochemical solar cells based on SnO2 nanocrystalline films,” C. R. Chimie, vol. 9, pp. 676-683,2006
[16]
D. B. Menzies, R. Cervini, Y.-B. Cheng, G. P. Simon, and L.Spiccia, “Nanostructured ZrO2-coated TiO2 electrodes for dye-sensitised solar cells,” J.Sol-Gel Sci. Technol., vol. 32, pp.363-366, 2004
[17]
G. Oskam, B. V. Bergeron, G. J. Meyer, and P. C. Searson,“Pseudohalogens for dye-sensitized TiO2 photoelectrochemical cells,” J. Phy. Chem. B, vol. 105, pp.6867-6873, 2001.
[18]
M. Ryan, “Progress in Ruthenium Complexes for Dye Sensitised Solar Cells”, Platinum Metals Rev. 53 (2009) 216.
[19]
W. Kubo, S. Kamube, S. Nakade, T. Kitamura, K. Hanabusa, Y. Wasa, S. Yanagida, J. Phys. Chem. B, 107, 4374 (2003).
[20]
Hong Xiao.“Introduction to Semiconductor Manufacturing Technology”,(2000) 151-152
[21]
胡啟章,電化學原理與方法,五南圖書出版社,2002。
[22]
M.E. Orazem, B. Tribollet, Front Matter, in: Electrochemical Impedance Spectroscopy, John Wiley & Sons, Inc., 2008.
[23]
Banerjee A N,Kundoo S,Saha P. “Synthesis and characterization of nano-crystalline fluorine-doped tin oxide thin films by sol-gel methed”. Journal of Sol-Gel Science and Technology,(2003) 105-110.
[24]
N. Robertson, “Optimizing dyes for dye-sensitized solar cells,”Angew. Chem .Int. Ed., vol. 45, pp. 2338-2345, 2006.
[25]
A. Vittadini, A. Selloni, F. P. Rotzinger, M. Grätzel, 81 (1998),2954.
[26]
Miao, X., Pan, K., Pan, Q., Zhou, W., Wang, L., Liao, Y.等人. (2013). Highly crystalline graphene/carbon black composite counter electrodes with controllable content: Synthesis, characterization and application in dye-sensitized solar cells. Electrochimica Acta, 96(0), 155-163.
[27]
Xu, J., Zhai, C., Zheng, B., Li, H., Zhu, M., & Chen, Y. (2012). Large efficiency improvement in nanoporous dye-sensitized solar cells via vacuum assistant dye adsorption. Vacuum, 86(8), 1161-1164.
[28]
Lee, G., Kim, D., Ko, M. J., Kim, K., & Park, N. (2010). Evaluation on over photocurrents measured from unmasked dye-sensitized solar cells. Solar Energy, 84(3), 418-425.
[29]
S. Ito, P. Liska, P. Comte, R. Charvet, P. Pe´chy, U. Bach, L. Schmidt-Mende, S. M. Zakeeruddin, A. Kay, M. K. Nazeeruddin, M, Gra¨tzel, “Control of dark current in photoelectrochemical (TiO2/ I--I3-) and dye-sensitized solar cell, Chem. Comm., 2005, 4351.
[30]
Difeng Qian, Yaogang Li, Qinghong Zhang, Guoying Shi, Hongzhi Wang, "Anatase TiO2 sols derived from peroxotitanium acid and to form transparent TiO2 compact film for dye-sensitized solar cells," Journal of Alloys and Compounds, vol. 509, pp. 10121-10126, 2011.
[31]
Cheng, W., Wang, C., & Lu, S. (2013). Graphene aerogels as a highly efficient counter electrode material for dye-sensitized solar cells. Carbon, 54(0), 291-299.
[32]
A. Hauch and A. Georg, Diffusion in the electrolyte and charge-transfer reaction at the platinum electrode in dye-sensitized solar cells, Electrochimica Acta, 2001, 46, 3457-3466.
[33]
Liu, G., Wang, H., Li, X., Rong, Y., Ku, Z., Xu, M.等人. (2012). A mesoscopic platinized graphite/carbon black counter electrode for a highly efficient monolithic dye-sensitized solar cell. Electrochimica Acta, 69(0), 334-339.
[34]
林泉融,“製備二氧化鈦製密層以改善染料敏化太陽能電池(DSSCs)之光電轉換效率,碩士論文,民國100年7月。
[35]
彭鋐瑀. 以碳化矽熱裂解法與化學氣相沉積法製備石墨烯的製程與特性研究. (2008)
[36]
L.M. Malard, "Raman spectroscopy in graphene", Physics Reports, 473, 51 (2009).
[37]
A. Reina, "Layer area, few-layer graphene films on arbitrary substrates by chemical vapor deposition", Nano Letters, 9, 3087 (2009).
[38]
蔡兆芃,“氧化鋅柱狀陣列的製備及其在染料敏化太陽能電池的應用,碩士論文,民國98年7月。



QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
第一頁 上一頁 下一頁 最後一頁 top
1. [11] 駱尚廉,2011,延續人類的未來-永續發展的理念與實踐,科學月刊,第42卷第1期,頁12-13。
2. [11] 駱尚廉,2011,延續人類的未來-永續發展的理念與實踐,科學月刊,第42卷第1期,頁12-13。
3. [11] 駱尚廉,2011,延續人類的未來-永續發展的理念與實踐,科學月刊,第42卷第1期,頁12-13。
4. [10] 張子超,2009,「環境變遷與永續發展」數位學習課程的建置與應用,教育研究月刊,第180期,頁18-27。
5. [10] 張子超,2009,「環境變遷與永續發展」數位學習課程的建置與應用,教育研究月刊,第180期,頁18-27。
6. [10] 張子超,2009,「環境變遷與永續發展」數位學習課程的建置與應用,教育研究月刊,第180期,頁18-27。
7. [9] 王鑫,1999,地球環境教育與永續發展教育,環境教育季刊,第37期,頁87。
8. [9] 王鑫,1999,地球環境教育與永續發展教育,環境教育季刊,第37期,頁87。
9. [9] 王鑫,1999,地球環境教育與永續發展教育,環境教育季刊,第37期,頁87。
10. [4] 李永展、陳安琪 ,1998,從生態足跡觀點探討台灣的永續發展,經社法制論叢,第22期,頁437-465。
11. [4] 李永展、陳安琪 ,1998,從生態足跡觀點探討台灣的永續發展,經社法制論叢,第22期,頁437-465。
12. [4] 李永展、陳安琪 ,1998,從生態足跡觀點探討台灣的永續發展,經社法制論叢,第22期,頁437-465。
13. [16] 徐文杰、林沛傑,2003,數位學習標準與SCORM 的發展,圖書館學與資訊科學,第29卷第1期,頁15-28。
14. [16] 徐文杰、林沛傑,2003,數位學習標準與SCORM 的發展,圖書館學與資訊科學,第29卷第1期,頁15-28。
15. [16] 徐文杰、林沛傑,2003,數位學習標準與SCORM 的發展,圖書館學與資訊科學,第29卷第1期,頁15-28。