簡易檢索 / 詳目顯示

回結果列表
研究生： 林嘉慶
Lin, Chia-Ching
論文名稱： 硫化鉛敏化異質界面太陽能電池之研究
The study of PbS sensitized heterojuction Solar Cells
指導教授： 陳昭宇
Chen, Chao-Yu
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 理學院 - 光電科學與工程學系
Department of Photonics
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： 硫化鉛 、固態電池 、表面修飾 、電洞傳輸材料 、染料
外文關鍵詞： Lead sulfide (PbS), Solid state solar cells, Surface modification, Hole transport materials, Dye
相關次數： 點閱：107  下載：1 
分享至:
查詢本校圖書館目錄 查詢臺灣博碩士論文知識加值系統 勘誤回報

    • 本研究使用窄能帶半導體材料硫化鉛取代染料作為光敏化劑，再利用連續離子吸附反應成膜法(Successive ionic layer adsorption reaction, SILAR)將硫化鉛沉積到二氧化鈦薄膜表面，搭配電洞傳輸材料(Spiro-OMeTAD、P3HT)組裝成固態太陽能電池。
    紫外光吸收頻譜結果顯示隨著硫化鉛沉積的次數越高，其硫化鉛的顆粒粒徑會變大，吸收會有紅位移的現象，證實了能帶的可調性。
    對於搭配Spiro-OMeTAD的元件來說，元件之光電轉換效率為0.065 % (AM1.5, 100 mW/cm2)。以小分子磷酸[(1S)-(+)-(1-Aminohexyl)phosphonic acid, P]與苯硫醇衍生物(4-Methoxybenzenethiol, B)對TiO2/PbS表面修飾，可抑制界面電荷再結合與促進電子住入到二氧化鈦導帶，改善元件的光電壓與光電流。其元件之光電轉換效率分別為0.314 %與0.139 % (AM1.5, 100 mW/cm2)。以硫化鉛染料(D149)共吸附光陽極，可以填補二氧化鈦裸露的地方，改善元件的光電壓與光電流。元件之光電轉換效率為0.391 % (AM1.5, 100 mW / cm2)。
    對於搭配P3HT的元件來說，元件之光電轉換效率為0.289 % (AM1.5, 100 mW/cm2)。以Lithium salt與tBP來提升P3HT的載子濃度，其元件光電轉換效率提升為0.442 % (AM1.5, 100 mW/cm2)。以小分子酸(Decylphosphonic acid, DPA)表面修飾光陽極以及染料(Z907)共吸附光陽極，可以改善P3HT孔隙填充問題，其元件光電轉換效率分別為0.3 %與0.413 % (AM1.5, 100 mW/cm2)。

    The research use the narrow band semiconductor material lead sulfide (PbS) as light sensitizer to replace the dye molecules. Then, the method of successive ionic layer adsorption reation (SILAR) was used to assemble PbS onto mesoporous TiO2 films. By using the hole transport materials (Spiro-OMeTAD、P3HT) to fabricate Solid-State Quantum Dots sensitized Solar Cells.
    UV-visible spectrum analysis showed with the higher number of deposition times of PbS, PbS particle size becomes large, the absorption will have the red-shift phenomenon.As a result we can confirmed the band adjustable.
    For components with Spiro-OMeTAD, the components of the photoelectric conversion efficiency is 0.065 % (AM1.5, 100 mW/cm2). Using small molecule phosphoric acid [(1S) - (+) - (1-Aminohexyl) phosphonic acid, P] and benzene thiol derivatives (4-Methoxybenzenethiol, B) TiO2/PbS surface modification, in this way it can inhibit the interfacial charge recombination and the promotion of electronic injecting into the conduction band of TiO2 to improve the component of the photovoltage and photocurrent. Photoelectric conversion efficiency of its components are 0.314 % and 0.139 % (AM1.5, 100 mW/cm2). PbS and dye (D149) coadsorption of photoanode can fill the bare TiO2, and then improve the component of the photovoltage and photocurrent. The components of the photoelectric conversion efficiency is 0.391 % (AM1.5, 100 mW / cm2).
    For the components of the P3HT, the component of the photoelectric conversion efficiency is 0.289 % (AM1.5, 100 mW/cm2). To enhance the carrier concentration of P3HT, we added Lithium salt and tBP into P3HT, and its components photoelectric conversion efficiency is 0.442 % (AM1.5, 100 mW/cm2). Using small molecule acid (Decylphosphonic acid, DPA) surface modification of the photoanode and the dye (Z907) adsorption photoanode can improve the P3HT pore-filling of components. The components of photoelectric conversion efficiency are 0.3 % and 0.413 % (AM1.5, 100 mW / cm2).

    目錄 摘要 I Abstract III 致謝 V 目錄 VII 圖目錄 X 表目錄 XIV 第一章 導論 1 1-1 前言 1 1-2 研究動機與目的 4 第二章 文獻回顧 6 2-1 半導體材料與量子點 6 2-2 量子點特性 7 2-2-1 量子侷限效應 7 2-2-2 衝擊離子化效應與歐傑再結合效應 8 2-3 量子點合成方法 9 2-3-1連續離子吸附反應成膜法(Success Ionic Layer Adsorption Reaction, SILAR) 11 2-3-2 化學熱浴沉積法(Chemical Bath Deposition, CBD) 11 2-3-3 自組性單分子層薄膜(Self-Assembled Monolayer method, SAM) 12 2-3-4 直接吸附法(Direct Adsorption, DA) 12 2-4 硫化鉛(PBS)半導體材料 13 2-4-1 硫化鉛在輻射散熱系統上的應用 14 2-4-2硫化鉛在固態量子點敏化太陽能電池上的應用 14 2-4-3硫化鉛在液態量子點敏化太陽能電池上的應用 17 2-4-4硫化鉛在膠體量子點太陽能電池上的應用 19 2-5 染料敏化太陽能電池(DYE-SENSITIZED SOLAR CELLS, DSCS) 22 2-5-1 TCO透明導電玻璃 24 2-5-2 金屬氧化物半導體薄膜 24 2-5-3 光敏化劑分子 25 2-5-4 電解質 27 2-5-5 對電極 29 2-5-6 染料敏化太陽能電池工作原理 29 2-6 固態染料敏化太陽能電池(SOLID-STATE DYE-SENSITIZED SOLAR CELLS, SSDSCS) 30 2-6-1 電洞傳輸材料(Hole transport layer, HTM) 31 2-6-2 Spiro-OMeTAD 32 2-6-3 P3HT 33 2-7 半導體量子點在固態電池上的應用 34 第三章 實驗技術與原理 36 3-1 實驗儀器與藥品 36 3-2 實驗流程圖 39 3-3 硫化鉛固態量子點敏化染料太陽能電池 41 3-3-1 透明導電玻璃基板蝕刻與清洗 41 3-3-2 二氧化鈦、二氧化錫光電極製備 43 3-3-3 硫化鉛量子點合成與組裝 46 3-3-4 表面修飾修飾光陽極 47 3-3-5 電洞傳輸材料製備 48 3-3-6 對電極製備 49 3-3-7電池組裝 49 3-4 UV-VIS光譜量測 50 3-5 J-V 特性曲線圖量測 51 3-6 IPCE量測66 52 3-7 掃描式電子顯微鏡 53 第四章 實驗數據與結果討論 55 4-1 硫化鉛量子點在二氧化鈦光陽極薄膜上的組裝分析 55 4-2 硫化鉛敏化異質界面太陽能電池(以SPIRO-OMETAD做為HTM) 56 4-2-1 硫化鉛吸附次數對元件效率的影響 56 4-2-2 大氣對Spiro-OMeTAD的影響 57 4-2-3 小分子酸表面修飾光陽極對元件效率的影響 58 4-2-4 硫化鉛與染料共吸附對元件效率的影響 60 4-2-5 結論 60 4-3 硫化鉛敏化異質界面太陽能電池(以P3HT做為HTM) 73 4-3-1 硫化鉛吸附次數對元件效率的影響 74 4-3-2 不同光陽極厚度對元件效率的影響 74 4-3-3 摻雜Lithium salt與tBP對元件效率的影響 75 4-3-4 小分子酸表面修飾光陽極對元件效率的影響 75 4-3-5 硫化鉛與染料共吸附對元件效率的影響 76 4-3-6 結論 76 4-4 硫化鉛敏化異質界面太陽能電池(以二氧化錫做為光電極) 84 第五章 總結與未來展望 87 參考文獻 89

    1. O’Regan, B.; Grätzel, M., Nature 1991, 353, 737.
    2. Yella, A.; Lee, H.-W.; Tsao, H. N.; Yi, C.; Chandiran, A. K.; Nazeeruddin, M. K.; Diau, E. W.-G.; Yeh, C.-Y.; Zakeeruddin, S. M.; Grätzel, M., Science 2011, 334, 629.
    3. Wang, M.; Moon, S.-J.; Xu, M.; Chittibabu, K.; Wang, P.; Cevey-Ha, N.-L.; Humphry-Baker, R.; Zakeeruddin, S. M.; Grätzel, M., Small 2010, 6, 319.
    4. (a) Kru1ger, J.; Plass, R.; Grätzel, M.; Cameron, P. J.; Peter, L. M., J. Phys. Chem. B 2003, 107, 7536; (b) Fabregat-Santiago, F.; Bisquert, J.; Cevey, L.; Chen, P.; Wang, M.; Zakeeruddin, S. M.; Grätzel, M., J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 558; (c) Wang, M.; Chen, P.; Humphry-Baker, R.; Zakeeruddin, S. M.; Grätzel, M., Chem. Phys. Chem. 2009, 10, 290.
    5. Yum, J.-H.; Chen, P.; Grätzel, M.; Nazeeruddin, M. K., Chem. Sun. Chem. 2008, 1, 699.
    6. (a) Sambur, J. B.; Novet, T.; Parkinson, B. A., Science 2010, 330, 63; (b) Baskoutas, S.; Terzis, A. F., J. Appl. Phys. 2006, 99, 013708.
    7. Zhao, Y.; Zou, J.; Shi, W., J. Mater. Sci. Eng. B 2005, 121, 20.
    8. (a) Hines, M. A.; D.Scholes, G., Adv. Mater. 2003, 15, 1844; (b) Chang, Q.; Ye, H.; Song, Y., Colloids Surf. A: Physicochem. Eng. Aspects. 2007, 298, 58.
    9. Lee, S.-M.; Jun, Y.-W.; Cho, S.-N.; Cheon, J., J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 11244.
    10. Chang, J. A.; Im, S. H.; Lee, Y. H.; Kim, H.-J.; Lim, C.-S.; Heo, J. H.; Seok, S. I., Nano Lett. 2012, 12, 1863.
    11. (a) Leventis, H. C.; O’Mahony, F.; Akhtar, J.; Afzaal, M.; O’Brien, P.; Haque, S. A., J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 2743; (b) Hossain, M. A.; Jennings, J. R.; Koh, Z. Y.; Wang, Q., ACS Nano 2011, 5, 3172; (c) Tiwana, P.; Docampo, P.; Johnston, M. B.; Snaith, H. J.; Herz, L. M., ACS Nano 2011, 5, 5158.
    12. Wang, Y.; Herron, N., J. Phys. Chem. 1991, 95, 525.
    13. Rossetti, R.; Ellison, J. L.; Gibson, J. M., J. Chem. Phys. 1983, 80, 4464.
    14. (a) Landsberg, P. T.; Nussbaumer, H.; Willeke, G., J. Appl. Phys. 1993, 74, 1451; (b) Kolodinski, S.; Werner, J. H.; Wittchen, T.; Queisser, H., J. Appl. Phys. Lett. 1993, 63, 2405.
    15. Chalita, R.; Chunrong, X.; Kenneth, J.; Balkus, J., ACS Nano 2008, 2, 1682.
    16. Nozik, A. J., Physica E 2002, 14, 115.
    17. (a) Shen, Y.-J.; Lee, Y.-L., Nanotechnology 2008, 19, 045602; (b) Mora-Seró, I. a.; Giménez, S.; Moehl, T.; Fabregat-Santiago, F.; Lana-Villareal, T.; Gómez, R.; Bisquert, J., Nanotechnology 2008, 19, 424007.
    18. Lee, H.; Leventis, H. C.; Moon, S.-J.; Chen, P.; Ito, S.; Haque, S. A.; Torres, T.; Nüesch, F.; Geiger, T.; Zakeeruddin, S. M.; Grätzel, M.; Nazeeruddin, M. K., Adv. Funct. Mater. 2009, 19, 2735.
    19. Barkhouse, D. A. R.; Debnath, R.; Kramer, I. J.; Zhitomirsky, D.; Pattantyus-Abraham, A. G.; Levina, L.; Etgar, L.; Grätzel, M.; Sargent, E. H., Adv. Mater. 2011, 23, 3134.
    20. (a) Hyun, B.-R.; Zhong, Y.-W.; Bartnik, A. C.; Sun, L.; a, H. D. A.; Wise, F. W.; Goodreau, J. D.; Matthews, J. R.; Leslie, T. M.; Borrelli, N. F., ACS Nano 2008, 2, 2206; (b) Ratanatawanate, C.; Tao, Y.; Balkus, K. J.; Jr, J. Phys. Chem. C 2009, 113, 10755.
    21. Gorer, S.; Hodes, G., Studies in Surface Science and catalysis 1996, 103, 297.
    22. Hodes, G., Israel Journal of Chemistry 1993, 35, 95.
    23. Giménez, S.; Mora-Seró, I. a.; Macor, L.; Guijarro, N.; Lana-Villarreal, T.; Gómez, R.; Diguna, L. J.; Shen, Q.; Toyoda, T.; Bisquert, J., Nanotechnology 2009, 20, 295204.
    24. Patel, A. A.; Wu, F.; Zhang, J. Z.; Torres-Martinez, C. L.; Mehra, R. K.; Yang, Y.; Risbud, S. H., J. Phys. Chem. B 2000, 104, 11598.
    25. Huang, W.; Shi, J., J. Mater. Res. 2000, 15, 2343.
    26. Mo, M.-S.; Shao, M.-W.; Hu, H.-M.; Yang, L.; Yu, W.-C.; Qian, Y.-T., J. Cryst. Growth. 2002, 244, 364.
    27. Zhao, X.; Yu, J.; Cheng, B.; Zhang, Q., J. Colloids Surf. A:Physicochem. Eng. Aspects. 2005, 268, 78.
    28. Dhas, N. A.; Zaban, A.; Gedanken, A., J. Chem. Mater. 1999, 11, 806.
    29. Ding, T.; Zhang, J.-R.; Long, S.; Zhu, J.-J., J. Microelectron. Eng. 2003, 66, 46.
    30. Zhang, B.; Li, G.; Zhang, J.; Zhang, Y.; Zhang, L., Nanotechnology 2003, 14, 443.
    31. Changqi, X.; Zhicheng, Z.; Hailong, W.; Qiang, Y., J. Mater. Sci. Eng. B 2003, 104, 5.
    32. (a) Jing, S.; Xing, S.; Wang, Y.; Hu, H.; Zhao, B.; Zhao, C., Mater. Lett. 2008, 62, 3332; (b) Wu, M.; Zhong, H.; Jiao, Z.; Li, Z.; Sun, Y., Colloids Surf. A: Physicochem. Eng. Aspects 2008, 313-314, 35.
    33. Dobson, K. D.; Hodes, G.; Mastai, Y., Sol. Energy Mater. Sol. Cells 2003, 80, 283.
    34. Plass, R.; Pelet, S.; Krueger, J.; Grätzel, M.; Bach, U., J. Phys. Chem. B 2002, 106, 7578.
    35. (a) Sapp, S. A.; Elliott, C. M.; Contado, C.; Caramori, S.; Bignozzi, C. A., J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 11215; (b) Cazzanti, S.; Caramori, S.; Argazzi, R.; Elliott, C. M.; Bignozzi, C. A., J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 9996; (c) Yu, P.; Zhu, K.; Norman, A. G.; Ferrere, S.; Frank, A. J.; Nozik, A. J., J. Phys. Chem. B 2006, 110, 25451.
    36. Tian, Y.; Tatsuma, T., J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 7632.
    37. (a) Nakanish, T.; Ohtani, B.; Uosakin, K., J. Electroanal. Chem. 1998, 455, 229; (b) Sheeney-Haj-Ichia, L.; Pogorelova, S.; Gofer, Y.; Willner, I., Adv. Funct. Mater. 2004, 14, 416.
    38. (a) Vogel, R.; Hoyer, P.; Weller, H., J. Phys. Chem. 1994, 98, 3183; (b) Licht, S., Sol. Energy Mater. Sol. Cells 1995, 38, 305.
    39. Tachan, Z.; Shalom, M.; Hod, I.; Ruhle, S.; Tirosh, S.; Zaban, A., J. Phys. Chem. C 2011, 115, 6162.
    40. MCDONALD, S. A.; KONSTANTATOS, G.; ZHANG, S.; CYR, P. W.; KLEM, E. J. D.; LEVINA, L.; SARGENT, E. H., Nat. Mater. 2005, 4, 138.
    41. Johnston, K. W.; Pattantyus-Abraham, A. G.; Clifford, J. P.; Myrskog, S. H.; MacNeil, D. D.; Levina, L.; Sargent, E. H., Appl. Phys. Lett. 2008, 92, 151115.
    42. Pattantyus-Abraham, A. G.; Kramer, I. J.; Barkhouse, A. R.; Wang, X.; Konstantatos, G.; Debnath, R.; Levina, L.; Raabe, I.; Nazeeruddin, M. K.; Grätzel, M.; Sargent, E. H., ACS Nano 2010, 4, 6.
    43. Sun, B.; Findikoglu, A. T.; Sykora, M.; Werder, D. J.; Klimov, V. I., Nano Lett. 2009, 9, 1235.
    44. Ito, S.; Nazeeruddin, M. K.; Zakeeruddin, S.; Péchy, P.; Comte, P.; Grätzel, M.; Mizuno, T.; Tanaka, A.; Koyanagi, T., International Journal of Photoenergy 2009, 2009, 1.
    45. Nazeeruddin, M. K.; Humphry-Baker, R.; Liska, P.; Grätzel, M., J. Phys. Chem. B 2003, 107, 8981.
    46. (a) Cao, Y.; Bai, Y.; Yu, Q.; Cheng, Y.; Liu, S.; Shi, D.; Gao, F.; Wang, P., J. Phys. Chem. C 2009, 113, 6290; (b) Chen, C.-Y.; Wu, S.-J.; Wu, C.-G.; Chen, J.-G.; Ho, K.-C., Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45, 5822.
    47. Bessho, T.; Zakeeruddin, S. M.; Yeh, C.-Y.; Diau, E. W.-G.; Grätzel, M., Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 6646.
    48. Grätzel, M., ACCOUNTS OF CHEMICAL RESEARCH 2009, 42, 1788.
    49. Teng, C.; Yang, X.; Yuan, C.; Li, C.; Chen, R.; Tian, H.; Li, S.; Hagfeldt, A.; Sun, L., Organic Letters 2009, 11, 5542.
    50. Mohmeyer, N.; Kuang, D.; Wang, P.; Schmidt, H.-W.; Zakeeruddin, S. M.; Grätzel, M., J. Mater. Chem. 2006, 16, 2978.
    51. Daeneke, T.; Kwon, T.-H.; Holmes, A. B.; Duffy, N. W.; Bach, U.; Spiccia, L., Nature Chemistry 2010, 10, 1038.
    52. (a) O’Regan, B.; Schwartz, D. T.; Zakeeruddin, S. M.; Grätzel, M., Adv. Mater. 2000, 12, 1263; (b) O’Regan, B.; Schwartz, D. T., J. Appl. Phys. 1996, 80, 4749.
    53. Bach, U.; Lupo, D.; Comte, P.; Moser, J. E.; F.Weissörtel; Salbeck, J.; Spreitzer, H.; Grätzel, M., Nature 1998, 395, 583.
    54. Wang, P.; Zakeeruddin, S. M.; Exnar, I.; Grätzel, M., Chem. Commun. 2002, 2972.
    55. Burschka, J.; Dualeh, A.; Kessler, F.; Baranoff, E.; Cevey-Ha, N.-L. e.; Yi, C.; Nazeeruddin, M. K.; Grätzel, M., J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 18042.
    56. Pai, D. M.; Yanus, J. F.; Stolka, M., J. Phys. Chem. 1984, 88, 4707.
    57. Salbeck, J.; Yu, N.; Bauer, J.; Weissortel, F.; Bestgen, H., Synthetic Metals 1997, 91, 209.
    58. Moulé, A. J.; Meerholz, K., Adv. Mater. 2008, 20, 240.
    59. Yang, L.; Cappel, U. B.; Unger, E. L.; Karlsson, M.; Karlsson, K. M.; Gabrielsson, E.; Sun, L.; Boschloo, G.; Hagfeldt, A.; Johansson, E. M. J., Phys. Chem. Chem. Phys. 2012, 14, 779.
    60. Lee, H.; Wang, M.; Chen, P.; Gamelin, D. R.; Zakeeruddin, S. M.; Grätzel, M.; Nazeeruddin, M. K., Nano Lett. 2009, 9, 4221.
    61. Im, S. H.; Kim, H.-j.; Kim, S. W.; Kim, S.-W.; Seok, S. I., Energy Environ. Sci. 2011, 4, 4181.
    62. Moon, S.-J.; Itzhaik, Y.; Yum, J. H.; Zakeeruddin, S. M.; Hodes, G.; Grätzel, M., J. Phys. Chem. Lett. 2010, 1, 1524.
    63. Liang, Y.; Xu, Z.; Xia, J.; Tsai, S.-T.; Wu, Y.; Li, G.; Ray, C.; Yu, L., Adv. Mater. 2010, 22, E135.
    64. Ito, S.; Chen, P.; Comte, P.; Nazeeruddin, M. K.; Paul Liska; Péchy, P.; Grätzel, M., Res. Appl. 2007, 15, 603.
    65. KAVAN, L.; Grätzel, M., Electrochimica Acta 1995, 40, 643.
    66. Tian, H.; Liu, L.; Liu, B.; Yuan, S.; Wang, X.; YingWang; Yu, T.; Zou, Z., J. Phys. D:Appl. Phys. 2009, 42, 045109.
    67. (a) Krüger, J.; Bach, U.; Grätzel, M., Adv. Mater. 2000, 12, 447; (b) Shalom, M.; Rühle, S.; Hod, I.; Yahav, S.; Zaban, A., J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 9876.
    68. Chen, P., Optical and Electronic Properties of Dye-Sensitized Heterojunction Solar Cells. 2009.
    69. Ito, S.; Zakeeruddin, S. M.; Humphry-Baker, R.; Liska, P.; Charvet, R.; Comte, P.; Nazeeruddin, M. K.; Péchy, P.; Takata, M.; Miura, H.; Uchida, S.; Grätzel, M., Adv. Mater. 2006, 18, 1202.
    70. Liu, X.; Zhang, W.; Uchida, S.; Cai, L.; Liu, B.; Ramakrishna, S., Adv. Mater. 2010, 22, E1.

    下載圖示 校內：2014-08-15公開
    校外：2014-08-15公開
    QR CODE