臺灣博碩士論文加值系統

本研究設計出兩種不同的染料敏化太陽能電池結構，這兩種設計法的光陽極擁有立體的結構，分別為封閉式電池與開放式電池。其目的是使光電極薄膜的面積增加，在固定的照光面積下使受光面積提升，以達到提升光電轉換效率的目的。封閉式電池的設計思考方向是以此實驗來證明染料敏化太陽能電池在立體結構的基礎上是否成立，本實驗的製作方式是將5片氧化銦錫鍍膜導電玻璃疊合成光陽極結構，玻璃間距為300 μm；電解質使用液態電解質，對電極為厚度300 μm的導電銅箔，封裝方法是使用高度為10 mm至15 mm的壓克力薄片黏合而成的完整封裝，根據太陽光源模擬器機台實際量測後，量測曲線可以抵達電壓-電流坐標軸的第四象限，雖然光電轉換效率不佳，但也證實了實驗結果的可行性。開放式電池的設計是用以改良封閉式電池，它的製作方式很多元，主要是利用石墨紙、碳片和白金等對電極材料，再以不同尺寸做量測，電解質使用膠態電解質，封裝方式為簡易封裝。對電極材料為鉑薄膜應用於疊合式立體電池的實驗結果顯示，照光面積為0.28 cm2，電池高度為7 mm，可得開環電壓0.662 V、短路電流密度18.42 mA/cm2、填充因子0.31、光電轉換效率3.85%，為直立式立體電池的1.65倍，並為平板式電池的2.15倍。

This study designed two different dye-sensitized solar cell structures, these two design methods have a three-dimensional structure of the light anode, respectively closed and open cell battery. The aim is to increase the area of the photoelectrode film, in a fixed area of the illumination area of the light to enhance, improve photoelectric conversion efficiency in order to achieve the purpose. Consideration closed cell design experiments in order to prove that the direction the dye-sensitized solar cell on the basis of the three-dimensional structure is established, production methods of this experiment is to 5 of indium tin oxide coated conductive glass anode structure stack synthesized light, glass spacing to 300 μm; electrolyte using a liquid electrolyte, the counter electrode is a conductive foil thickness 300 μm, encapsulation method is to use a height of 10 mm to 15 mm acrylic sheet bonding together a complete package, according to the solar light simulator machine actual measurements, voltage measurement curve can be reached - Current fourth quadrant of the coordinate axes, although the photoelectric conversion efficiency is poor, but the feasibility of the experimental results confirmed. Open the battery are designed to improve Enclosed battery, its way of making a lot of dollars, mainly using graphite paper, carbon sink and counter electrode materials such as platinum, and then do measurements in different dimensions, electrolyte using colloidal electrolyte package method is simple package. Pt counter electrode material is laminated three-dimensional cell film applied experimental results show, according to the light-receiving area of 0.28 cm2, cell height of 7 mm, the open circuit voltage can be obtained 0.662 V, short circuit current density 18.42 mA/cm2, fill factor of 0.31, the photoelectric conversion efficiency 3.85%, for the three-dimensional vertical 1.65 times the battery and the battery is flat 2.15 times.

目 錄

中文摘要 i
英文摘要 ii
誌謝 iv
目錄 v
表目錄 viii
圖目錄 ix
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 再生能源簡介 2
1.3 太陽能電池原理及種類 7
1.4 研究動機與目的 11
第二章 理論基礎及文獻回顧 13
2.1 染料敏化太陽能電池簡介 13
2.1.1 染料敏化太陽能電池構造 13
2.1.2 染料敏化太陽能電池原理 14
2.1.3 二氧化鈦簡介與結晶性質 15
2.1.4 透明導電層 17
2.1.5 敏化劑 18
2.1.6 對電極 20
2.1.7 電解質 21
2.2 染料敏化太陽能電池塗佈法 24
2.2.1 傳統刮刀法 24
2.2.2 旋轉塗佈法 24
2.3 太陽能電池電性量測 25
2.3.1 等效電路 25
2.3.2 開環電壓Voc、短路電流密度Jsc、填充因子FF 28
2.3.3 光電轉換效率 28
2.3.4 入射單色光子-電子轉換效率 29
2.4 文獻回顧 29
2.4.1 太陽能電池結構文獻 29
2.4.2 染料敏化太陽能電池結構文獻 30
第三章 實驗方法及步驟 33
3.1 實驗設計及流程 33
3.2 實驗材料與設備 38
3.3 電池各元件製做及調配方式 40
3.3.1 光陽極薄膜材料調配方式 40
3.3.2 液態電解質調配方式 42
3.3.3 膠態電解質調配方式 43
3.3.4 染料N719與D719調配方式 45
3.4 封閉式電池製作及封裝流程 46
3.4.1 玻璃尺寸裁切與前置作業 47
3.4.2 玻璃疊合與間隙的預留 47
3.4.3 玻璃黏合 49
3.4.4 玻璃橋接、塗佈與染料浸泡 50
3.4.5 封閉式電池組裝 51
3.5 開放式電池製作及封裝流程 53
3.5.1 直立式組裝 54
3.5.2 傾斜式組裝 55
3.5.3 疊合式組裝 57
3.6 實驗規劃 59
3.7 實驗分析 60
3.7.1 掃描式電子顯微鏡 60
3.7.2 穿透式電子顯微鏡 61
3.7.3 X光繞射分析 62
3.7.4 能量散佈光譜儀 64
3.7.5 紫外光-可見光吸收光譜儀 64
3.7.6 四點探針電阻儀 65
3.7.7 入射單色光子-電子轉換效率曲線測量裝置 67
3.7.8 光電轉換效率、填充因子
與太陽能電池I-V特性曲線量測系統 68
第四章 結果與討論 70
4.1 XRD分析 70
4.2 能量散佈分析儀分析 71
4.3 TEM分析 71
4.4 FESEM分析 73
4.5 IPCE及UV-vis 76
4.6 四點探針電阻儀 77
4.7 封閉式電池 78
4.8 開放式電池 82
4.8.1 電池高度對對電極材料為石墨紙的效率分析 82
4.8.2 電池高度對對電極材料為鉑薄膜的效率分析 84
4.8.3 電池高度對對電極材料為碳片的效率分析 86
4.8.4 不同對電極材料對平板式電池的效率分析 88
4.8.5 傾斜式電池效率分析 90
4.8.6 對電極材料石墨紙應用於疊合式電池效率分析 92
4.8.7 對電極材料鉑薄膜應用於疊合式電池效率分析 94
第五章 結論與未來展望 97
5.1 結論 97
5.2 未來展望 98
參考文獻 99

參考文獻

1.Weightman, G.，你所不知道的工業革命：現代世界的創建 1776-1914年， 博雅書屋，2010年05月22日。
2.華健，吳怡萱，再生能源概論，五南， 2008年08月01日，第1-30頁。
3.Susan, Climate change 2007-the physical science basis: Working group I contribution to the fourth assessment report of the IPCC. 2007.
4.鍾崇燊，「春天的花兒秋天開都是溫室效應惹的」， 2005年4月。
5.葉欣誠，地球暖化，怎麼辦？：請看「京都議定書」的退燒妙方? 新自然主義， 2006年10月02日。
6.D. M. Chapin, D.M.C., C. S. Fuller, G. L. Pearson, "A New Silicon p-n Junction Photocell for Converting Solar Radiation into Electrical Power," J. Appl. Phys., 1954, p. 676.
7.Redpath, D.A.G., "Thermosyphon heat-pipe evacuated tube solar water heaters for northern maritime climates," Solar Energy, 2012. 86(2): pp. 705-715.
8.Hydroelectric power, "US Department of the Interior, Bureau of Reclamation, Power Resources Office," 2005.
9.Mader，生物學，藝軒書局，1999年。
10.彭懷夫，中孔性二氧化鈦薄膜於染料敏化太陽能電池之應用，碩士學位，國立東華大學化學系，花蓮縣，2004年。
11.莊嘉琛，太陽能工程－太陽電池篇，全華圖書，2008年06月09日。
12.D. E. Carlson, C. R. Wronski, "Amorphous silicon solar cell," Appl. Phys. Lett. no. 28, 1976, p.671.
13.B. O''Regan, M. Gratzel, "High-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films," Physical Chemistry, 1991.
14.Nazeeruddin, M.K., E. Baranoff, and M. Gratzel, "Dye-sensitized solar cells: A brief overview." Solar Energy, 2011. 85(6): pp. 1172-1178.
15.張正華，有機與塑膠太陽能電池，五南，2008年03月19日。
16.M. K. Nazeeruddin, A. Kay, I. Rodicio, et al., “Conversion of light to electricity by cis-X2bis(2,2_ -bipyridyl-4,4_ - dicarboxylate)ruthenium(II) charge-transfer sensitizers (X = Cl−, Br−, I−,CN−, SCN−) on nanocrystalline TiO2 electrodes,” Journal of the American Chemical Society, vol. 115, no. 14, pp. 6382–6390, 1993.
17.Chiba, Y., et al., "Dye-sensitized solar cells with conversion efficiency of 11.1%." Japanese Journal of Applied Physics Part 2-Letters & Express Letters, 2006. 45(24-28): pp. L638-L640.
18.Pollard, J.A., et al., "Solvent effects on interfacial electron transfer from Ru(4,4 ''-dicarboxylic acid-2,2 ''-bipyridine)(2)(NCS)(2) to nanoparticulate TiO2: Spectroscopy and solar photoconversion." Journal of Physical Chemistry A, 2005. 109(50): pp. 11443-11452.
19.Schwarzburg, K. and F. Willig, "Origin of photovoltage and photocurrent in the nanoporous dye-sensitized electrochemical solar cell." Journal of Physical Chemistry B, 1999. 103(28): pp. 5743-5746.
20.張芳碩，染料敏化二氧化鈦光電化學太陽能電池，碩士學位，國立臺灣大學化學工程學研究所，台北市，2003年。
21.S Nakade, S Kambe, T Kitamura et al. J. Phts. Chem. B, 2001, M105:9150-9152.
22.姚慶意，「鋰電池技術與現況」，化學技術，第七卷，第二期，1999年，第143頁。
23.Miao, L., et al., "Preparation and characterization of polycrystalline anatase and rutile TiO2 thin films by rf magnetron sputtering." Applied Surface Science, 2003. 212: p. 255-263.
24.C. J. Brinker and G. W. Scherer, Sol-Gel Science: The Physics and Chemistry of Sol-Gel Processing, Academic Press: San Diego CA, 1990.
25.Reese，普通物理，高立圖書有限公司，2004。
26.Guter, W., et al., "Current-matched triple-junction solar cell reaching 41.1% conversion efficiency under concentrated sunlight." Applied Physics Letters, 2009. 94(22).
27.Durr, M., et al., "Tandem dye-sensitized solar cell for improved power conversion efficiencies." Applied Physics Letters, 2004. 84(17): p. 3397-3399.
28.Liska, P., et al., "Nanocrystalline dye-sensitized solar cell/copper indium gallium selenide thin-film tandem showing greater than 15% conversion efficiency." Applied Physics Letters, 2006. 88(20).
29.Ahn, K.S., et al., "Tandem dye-sensitized solar cell-powered electrochromic devices for the photovoltaic-powered smart window." Journal of Power Sources, 2007. 168(2): p. 533-536.
30.Yanagida, M., et al., "Optimization of tandem-structured dye-sensitized solar cell." Solar Energy Materials and Solar Cells, 2010. 94(2): p. 297-302.
31.Y. C. Hung, W. S. Chao, C. C. Ting,「反轉結構光電極在染料敏化奈米太陽能電池之應用」，中華民國航空太空學會會刊專題報導，第四十一卷，第三期，2011年9月。
32.Fan, S.Q., et al., "Efficiency improvement of dye-sensitized tandem solar cell by increasing the photovoltage of the back sub-cell." Electrochimica Acta, 2010. 55(15): p. 4642-4646.
33.Ito, S., et al., "High-voltage (1.8 V) tandem solar cell system using a GaAs/AlXGa(1-X)As graded solar cell and dye-sensitised solar cells with organic dyes having different absorption spectra." Solar Energy, 2011. 85(6): p. 1220-1225.
34.Jeong, W.S., et al., "Evaluation of external quantum efficiency of a 12.35% tandem solar cell comprising dye-sensitized and CIGS solar cells." Solar Energy Materials and Solar Cells, 2011. 95(12): p. 3419-3423.
35.汪建民，材料分析，中國材料科學學會，2008年2月。