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研究生: 李惟德
Lee, Wei-Te
論文名稱: 不同型態的二氧化鈦電極對染料敏化太陽能電池之發電效率的研究
Study on efficiencies of dye sensitised solar cells with different morphologies of titania electrodes
指導教授: 黃耀輝
Huang, Yao-Hui
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 化學工程學系
Department of Chemical Engineering
論文出版年: 2008
畢業學年度: 96
語文別: 中文
論文頁數: 65
中文關鍵詞: 銳鈦礦二氧化鈦染料敏化太陽能電池
外文關鍵詞: Anatase, Titania, dye sensitized solar cells, TiO2
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  • 二氧化鈦多孔性薄膜是染料敏化太陽能電池的核心部分,本研究使用三種不同的二氧化鈦顆粒構成二氧化鈦多孔性薄膜,分別是市售Degussa P25,粒徑與P25相近平均粒徑為35nm與平均粒徑較小18nm具銳鈦礦晶型的二種二氧化鈦奈米顆粒,堆積成多孔性薄膜製備染料敏化太陽能電池並測量其光照下電池發電效率。與P25粒徑相近自行合成Anatase顆粒由於其純的Anatase晶型有較良好的發電效率,分別是5.5%與6.5%。由平均粒徑18nm顆粒沉積為多孔性薄膜的電池發電效率6.0%。改變電解質溶劑的種類,探討其對於太陽能電池發電效率的影響,發現較低黏度的Acetonitrile有最好的表現。添加分散良好的棒狀二氧化鈦在由顆粒構成的二氧化鈦多孔性薄膜以幫助導電,並提高電池發電效率。由棒狀二氧化鈦與平均粒徑18nm二氧化鈦顆粒以8:2重量比混摻構成二氧化鈦薄膜所製備之電池有最高的發電效率7.6%。

    Nanoporous TiO2 layer is the core in Dye-Sensitised Solar Cell. In this research we use three different kinds of TiO2 particle to deposit nanoporous TiO2 film and measure their efficiencies under light illumination. The used particles are commercial available Degussa P25 TiO2, pure anatase structure particle with a similar particle size (35nm) to P25, and a smaller particle size (18nm) anatase particle. The cell made by 35 nm anatase particle gives a higher efficiency than P25 cell (6.5 % and 5.5 %) due to pure anatase structure. Cell with smaller particles have an efficiency of 6.0 %. We also try four different solvent in electrolyte. Acetonitrile has the lowest viscosity, and can give the best cell performance. Mixing TiO2 Rod in nanoparticle film can enhance the electron transport. The cell with a TiO2 mixture of 20 wt% rod and 80 wt% particles in a size of 18 nm can give the best efficiency of 7.6 %.

    中文摘要………………………………………………………………….I 英文摘要………………………………………………………………...II 致謝……………………………………………………………………..III 目錄……………………………………………………………………..IV 圖目錄…………………………………………………………………..VI 表目錄……………………………………………………………….......X 第一章 緒論………………………………………………………………1 第二章 文獻回顧………………………………………………………...5 2.1太陽能電池簡介……………………………………………………..5 2.2染料敏化太陽能電池………………………………………………...7 2.3染料敏化太陽能電池的發電機制…………………………………..9 2.4染料敏化太陽能電池中的染料…………………………………….12 2.5二氧化鈦多孔性薄膜電極………………………………………….17 2.6染料敏化太陽電池的電解質……………………………………….21 2.7白金對電極…………………………………………………………22 2.8照光下太陽能電池的表現…………………………………………22 第三章 實驗方法……………………………………………………….24 3.1實驗流程……………………………………………………………24 3.2 實驗藥品…………………………………………………………..28 3.3 儀器設備…………………………………………………………..29 第四章 結果與討論…………………………………………………….30 4.1以二氧化鈦顆粒沉積多孔性薄膜製備太陽能電池………………30 4.1.1 Degussa P25®顆粒製備二氧化鈦多孔性薄膜…………….......31 4.1.2溶膠凝膠伴隨燒結合成二氧化鈦顆粒製備多孔性薄膜………34 4.1.3溶膠凝膠法伴隨水熱法製備二氧化鈦顆粒沉積多孔性薄膜…37 4.2二氧化鈦顆粒構成多孔性薄膜膜厚度對太陽能電池表現的影響.39 4.3電解液溶劑的影響…………………………………………………44 4.4棒狀二氧化鈦的鑑定………………………………………………45 4.5棒狀二氧化鈦與Degussa P25®混摻構成多孔性薄膜……………48 4.6棒狀二氧化鈦與P25®顆粒混摻製備為太陽能電池之表現……...50 4.7棒狀二氧化鈦與不同顆粒混摻之太陽能電池表………………….54 4.8 A35顆粒與棒狀二氧化鈦混摻構成太陽能電池之表現…………57 第五章 結論……………………………………………………………..62 參考文獻………………………………………………………………..63 圖目錄 圖1.1:(a)全球表面平均溫度 (b)全球平均海平面 (c)北半球冰覆蓋量 (d) 過去兩千年大氣中溫室氣體濃度 (e) 1970~2004年全球年度人為溫室氣體排放。……………………………………...1 圖1.2:(a)2004年全球人為溫室氣體排放組成 (b)世界主要能源消耗燃料。…………………………………………………………..3 圖2.1:染料敏化太陽能電池結構圖…………………………………..8 圖2.2:常見寬禁帶半導體能帶位置…………………………………..9 圖2.3:染料敏化太陽能電池原理示意圖…………………………….11 圖2.4:常用光敏染料的結構式……………………………………….12 圖2.5:N3與Black dye的單波長光子電子轉換效率(IPCE)圖……..14 圖2.6:N3染料與二氧化鈦表面鍵結…………………………………15 圖2.7:控制染料均勻吸附在二氧化鈦表面的幾種不同方法……….16 圖2.8:n-hexadecylmalonic acid與deoxycholic acid結構式………….17 圖2.9:二氧化鈦的八面體結構單元連接圖………………………….17 圖2.10:Grätzel等人以水熱法製備二氧化鈦顆粒的SEM圖……….20 圖3.1:30~40nm二氧化鈦奈米顆粒製作流程圖…………………….25 圖4.1:以Degussa P25二氧化鈦顆粒製備多孔性薄膜SEM圖……32 圖4.2:以Degussa P25製備的二氧化鈦多孔性薄膜SEM圖。(a)放大倍率50k (b)放大倍率10k (c)截面放大倍率3k……………..32 圖4.3:P25二氧化鈦X光繞射分析………………………………….34 圖4.4:以20~40nm二氧化鈦奈米顆粒製備二氧化鈦薄膜SEM圖 (a)放大倍率100k (b)放大倍率50k (c)放大倍率10k…………..35 圖4.5:溶膠凝膠法伴隨燒結合成出奈米二氧化鈦顆粒之XRD繞射圖………………………………………………………………35 圖4.6:以溶膠凝膠法伴隨水熱法製備奈米顆粒二氧化鈦薄膜SEM圖(a)放大倍率200k(b)放大倍率100k(c)放大倍率10k………….38 圖4.7:溶膠凝膠法伴隨水熱法合成出二氧化鈦顆粒的X光繞射分析………………………………………………………………38 圖4.8:顆粒構成多孔性二氧化鈦薄膜厚度對電池效率的影響…….39 圖4.9:顆粒構成二氧化鈦多孔性薄膜厚度對短路電流的影響…….40 圖4.10:顆粒構成多孔性二氧化鈦薄膜厚度對開環電壓的影響……42 圖4.11:顆粒構成二氧化鈦多孔性薄膜厚度對填充因子影響………43 圖4.12:以二氧化鈦顆粒製成太陽能電池光照下的安伏曲線……..43 圖4.13:水熱法合成二氧化鈦SEM圖………………………………45 圖4.14:水熱法合成出棒狀二氧化鈦 (a)以超音波分散光學顯微鏡放大倍率500倍(b)以超音波分散製成糊膠燒結在導電玻璃上SEM放大倍率5k…………………………………………..46 圖4.15:水熱法合成棒狀二氧化鈦X光繞射分析…………………..47 圖4.16:棒狀二氧化鈦與P25以不同比例混摻製成糊膠,沉積在導電玻璃後燒結之剖面SEM圖,放大倍率皆為50k (a)棒狀二氧化鈦 (b)P25/R=5/5 (c)P25/R=8/2 (d)P25/R=9/1………….48 圖4.17:P25®與棒狀二氧化鈦混摻薄膜厚度與薄膜重量關係圖…..49 圖4.18:棒狀二氧化鈦與P25顆粒混摻薄膜之厚度與發電效率關係……………………………………………………………..51 圖4.19:棒狀二氧化鈦與P25顆粒混摻薄膜之厚度與短路電流關係……………………………………………………………..52 圖4.20:棒狀二氧化鈦與P25顆粒混摻薄膜之厚度與開環電壓關係……………………………………………………………..53 圖4.21:棒狀二氧化鈦與P25顆粒混摻薄膜之厚度與填充因子關係……………………………………………………………..53 圖4.22:三種顆粒與棒狀二氧化鈦以8:2重量比混摻薄膜之太陽能電池發電效率與厚度關係…………………………………..54 圖4.23:三種顆粒與棒狀二氧化鈦以8:2重量比混摻薄膜之太陽能電池短路電流與厚度關係…………………………………..55 圖4.24:三種顆粒與棒狀二氧化鈦以8:2重量比混摻構成薄膜之太陽能電池開環電壓與厚度關係……………………………..56 圖4.25:三種顆粒與棒狀二氧化鈦以8:2重量比混摻構成薄膜之太陽能電池填充因子與厚度關係……………………………..56 圖4.26:A18顆粒與棒狀二氧化鈦混摻薄膜重量與薄膜厚度關係….57 圖4.27:A18顆粒混摻棒狀二氧化鈦薄膜之厚度對光穿透度關係….58 圖4.28:A18顆粒混摻棒狀二氧化鈦太陽能電池之發電效率對厚度關係……………………………………………………………..60 圖4.29:A18顆粒混摻棒狀二氧化鈦太陽能電池之發電效率對厚度關係……………………………………………………………..60 圖4.30:A18顆粒混摻棒狀二氧化鈦太陽能電池之發電效率對厚度關係……………………………………………………………..61 圖4.31:A18顆粒混摻棒狀二氧化鈦太陽能電池之發電效率對厚度關係……………………………………………………………..61 表目錄 表2.1:太陽能電池的種類與特性……………………………………….5 表2.2:不同晶相二氧化鈦奈米顆粒薄膜內的電子擴散常數………...18 表4.1:溶劑的黏度與製成電池之發電效率………………………….44 表4.2:棒狀與顆粒二氧化鈦混摻構成薄膜之密度與填充率………50 表4.3:A18顆粒與棒狀二氧化鈦混摻薄膜之密度與填充率………58

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    下載圖示 校內:2013-08-04公開
    校外:2013-08-04公開
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