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研究生： 殷旦雅
Yin, Tan-Ya
論文名稱： 氮化鈦薄膜於染料敏化太陽能電池電極材料之應用
Titanium Nitride Thin Film as an Electrode Material in Dye-sensitized Solar Cell
指導教授： 陳昭宇
Chen, Peter
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： 105
中文關鍵詞： 磁控直流濺鍍 、氮化鈦 、染料敏化太陽能電池 、電極材料
外文關鍵詞： DC-sputter, TiN, Dye-sensitized solar cells, Electrode materials
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    • 自1911年開始科學家大量投入染料敏化太陽能電池的發展，透明導電玻璃（TCO）為染敏元件主要的電極材料來源，由於其阻率穩定又可透光的特性，卻為染敏電池的主要成本支出。本研究提出製備簡易並成本低廉之電極材料，其可應用於染敏元件。氮化鈦（TiN）材料性質穩定不易與外界起反應並且擁有類金屬的導電率，可使用磁控式直流濺鍍法得之。在此論文中，探討不同的氮氣流量與氬氣流量比對沈積的氮化鈦薄膜在薄面表面形態、導電度、原子成份比、晶體成長方向、反射光譜的差異，350奈米的氮化鈦薄膜在氮氣氬氣流量比為7.69%時，片電阻為7.44 Ω/sq，呈咖啡金顏色，此類似金屬的表面在反射光譜上有很好的效應；第二部份，藉由不同三明治結構的測試元件觀察外加偏壓時電流的響應，分析氮化鈦薄膜與電解液界面上載子的傳輸行為，發現載子在氮化鈦薄膜與電解液接觸的界面上呈整流的行為與在透明導電玻璃上類似，其氮化鈦薄膜對光的反射，可以延伸入射光電極薄膜後未被吸收的光之光路，提高元件短路電流，並成功應用在背接觸式染敏元件，在1-sun條件下得到0.2 %的效率。

    Much attention has been paid to the developments of dye-sensitized solar cells since 1911. Transparent conductive glass (TCO) with properties of high transparency and conductivity had been used as electrode materials, which is the main cost of the DSC (Dye-sensitized Solar Cells). Here we introduce an electrode that can be applied on the DSC with a simple fabricating method and low-cost property. Titanium nitride, an inert and conductive metallic thin film, was deposited by dc sputter with various process parameters. In this report, we scrutinized the influence of different doping level of the nitrogen on the surface morphology, conductivity, atomic construction, crystalline orientation, reflected spectrum of the TiN thin film of 350 nm by changing Ar/N2 flow ratio. The TiN thin film with the doping level of 7.69% (with sheet resistance of 7.44 Ω/sq) exhibited a golden-brown appearance, which contributed to a great enhancement on the reflection. The current-voltage response of various sandwiched structure dummy cells showed electrical properties of different interfaces. It had been found that TiN thin film, which was similar to FTO, had a rectifying property in the contact with the electrolyte. The property of the reflection that extended the light can be used applying on the DSC as a working electrode to enlarge the current density. TiN thin film had been successfully applied on Back-contact cell with a performance of 0.2 % (1 sun).

    目錄 摘要 I Abstract II 誌謝 III 目錄 V 表目錄 XI 圖目錄 XII 第一章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 太陽能電池種類與發展 2 1.2.1 太陽光的使用 2 1.2.2 太陽能電池發展 3 1.2.3 太陽能電池的種類 6 1.3 實驗動機與目的 9 1.3.1 氮化鈦材料 11 1.3.2 氮化鈦材料在電極材料上應用的結構 12 第二章 理論基礎 15 2.1 染料敏化太陽能電池 15 2.1.1 染料敏化太陽能電池發展歷史背景與文獻回顧 15 2.1.2 染料敏化太陽能電池結構 19 2.1.3 染料敏化太陽能電池工作原理3-4, 52 26 2.2 轉換效率計算及提升效率之方法 28 2.2.1 轉換效率計算 28 2.2.2 影響效率的因素 29 2.2.3 提升效率之方法 30 2.3 背接觸式染料敏化太陽能電池歷史文獻回顧 32 2.3.1 理論基礎發展背景與工作原理 32 2.3.2 結構與材料 36 2.3.3 里程碑與未來展望 37 2.4 反應式磁控濺鍍氮化鈦薄膜 39 2.4.1 濺鍍原理 39 2.4.2 氮化鈦薄膜的形態與沈積的方向性 44 第三章 實驗方法與分析儀器原理 49 3.1 實驗藥品與儀器 49 3.1.1 實驗藥品 49 3.1.2 實驗儀器 50 3.2 實驗設計與流程 51 3.2.1 實驗流程 51 3.2.2 與電解液接觸行為分析之元件結構 52 3.2.3 應用於對電極之結構 53 3.2.4 應用於光電極之結構 54 3.3 元件設計與製作 56 3.3.1 電性分析之元件結構 56 3.3.2 氮化鈦薄膜應用在對電極之元件製作 57 3.3.3 氮化鈦薄膜應用在工作電極之元件製作 59 3.3.4 電解液配製 61 3.4 特性分析 61 3.4.1 電池效率量測（IV） 61 3.4.2 吸收與反射光譜量測（UV-vis） 62 3.4.3 高解析場發射式掃描式電子顯微鏡分析元件結構（SEM） 64 3.4.4 X射線繞射分析（XRD） 64 3.4.5 IPCE量測 64 3.4.6 Alpha step 65 3.4.7 四點探針 65 第四章 結果與討論 67 4.1 氮化鈦薄膜特性分析 67 4.1.1 氮化鈦薄膜表面形態 67 4.1.2 氮化鈦薄膜沈積速率與厚度分析 69 4.1.3 氮化鈦薄膜成份分析 72 4.1.4 氮化鈦薄膜阻率分析 72 4.1.5 氮化鈦薄膜XRD77 75 4.1.6 氮化鈦薄膜XPS 79 4.1.7 氮化鈦薄膜反射光譜 81 4.2 論氮化鈦薄膜作為電極材料 83 4.2.1 論氮化鈦薄膜與電解液接觸的界面特性 83 4.2.2 論氮化鈦薄膜與透明導電薄膜電極材料應用於對電極之元件表現 86 4.3 氮化鈦薄膜應用於背接觸式元件 93 4.3.1 元件在結構上的SEM 93 4.3.2 元件效率 96 第五章 結論與未來展望 99 第六章 文獻參考 101

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    無法下載圖示 校內：2017-07-27公開
    校外：不公開
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