天然染料敏化奈米晶格太阳电池NaturalDye-清华大学物理系.PPT

染料敏化奈米晶格太陽電池Dye-Sensitized Nanocrystalline Solar Cell (DSSC) 謝志先 吳鳳技術學院 電子工程系 內 容 大 綱 一、 DSSC工作原理與結構 二、 DSSC之優缺點 三、 DSSC製程 四、 電性測試及應用展示 五、 實驗結果與討論 DSSC之 工作原理 DSSC之 反應流程 DSSC結構 TiO2物理及化學性質穩定，且兼具無毒特性、親水性，廣泛的應用於抑菌、殺菌、脫臭、自淨、防霉等方面。 TiO2的應用範疇 1. TiO2材料的物理、化學性質穩定，且無毒性、 相較其他材料或矽基太陽電池比較無環境污染之虞。 2. 相較矽太陽電池，原料成本低廉，製程簡易，製作成本低許多。 3. 可製成可饒式電池模組 4. 具大尺寸、量產製程潛力。 DSSC 缺點 1. 轉換效率比矽基太陽電池低。 2. 染料激發態壽命不夠長，光電轉換效率目前尚低。 DSSC 製程(以下所有照片均攝於本校實驗室) Step 1. 用天枰秤約1g的奈米TiO2結晶粉末。 放入研缽中，加入數滴稀醋酸溶液，反覆研磨。 加入些許的介面活性劑，直到獲得近似膏狀之均勻膠體懸浮即可。 註：稀醋酸製備方式為將0.1mL的冰醋 酸緩緩加入50 mL的去離子水中。 Step 2. 用三用電表量測導電玻璃之電阻。 導電面阻值≒20~30Ω。 （準確值應用四線量測法） Step 3. 把導電玻璃的導電面朝上，用一般膠帶將其中三個邊貼著。 再用沾有乙醇的棉花棒輕輕拭去表面指紋或是油污。 Step 4. 將研磨完成之TiO2膏狀膠體懸浮液，以玻璃棒均勻的平鋪在導電玻璃的導電面上。 膠帶的作用為控制薄膜的厚度。 Step 5. 塗抹完成後小心的把膠帶移除。 避免過於乾燥後才撕去膠帶，以免破壞薄膜。 Step 6. 用數位加熱攪拌器，將塗有TiO2薄膜之導電玻璃朝上以150度高溫加熱烘烤10~20分鐘。 加熱過程中會因為有機溶劑與介面活性劑被燒掉而呈淺棕色。 Step 7. 加熱完成後將含有花青素之果汁，如藍莓、櫻桃、覆盆子等果汁，浸泡約半小時。 TiO2薄膜會因吸附染料而改變其顏色。 Step 8. 用水輕輕洗去TiO2薄膜表面殘留的果汁。 再用乙醇緩緩的沖洗，以去除水分，此即本太陽電池之工作電極。 Step 9. 另取一片等面積的導電玻璃。 將導電面用蠟燭燃燒的火焰來回移動鍍上一層碳膜。 Step 10. 用棉花棒拭去其中三個邊的碳膜，此即本電池之對電極。 Step 11. 把兩電極鍍膜面相對組裝起來，沒有鍍膜的邊緣需交錯開。 以微量滴管沿兩電極間之邊緣，加入少許之電解液。 電解液會因毛細作用而擴散製兩電極間。 註：KI3電解液由0.5 M KI 和0.05M I2 用乙二醇調製而成。 Step 12. 將兩電極接至三用電表，負端接TiO2工作電極，正端接鍍有碳膜之對電極。 將塗有TiO2薄膜面，置於日光下測試即完成製作。 電性測試 應用展示 串連6片染料敏化太陽電池，量測可得最大電壓趨近2V，可以驅動普通小型計算機。 實驗結果與討論 在DSSC研製過程中，染料光敏化劑的光譜吸收特性和穩定性是很重要的因素，若能尋求具有更寬吸收範圍的染料光敏化劑，有助於提高光電能量轉換率。 TiO2因奈米化之後表面積增加數個數量級，這對於電極與染料界面的接觸面積大幅增加，有助於提高染料敏化太陽電池的光電轉換效率。 TiO2易使染料光解，進而導致接觸不良。因此，尋找低成本、而性能良好的染料成為當前研究的一個重要課題。 實驗證實，染料的多層吸附是不可取的，因為只有非常靠近二氧化鈦表面的敏化劑分子，才能把激發態的電子順利地注入到TiO2導帶中去，多層敏化劑反而會阻礙電子的輸送，導致光電能量轉換率下降。 由於染料的激發態壽命不夠長，致使染料敏化太陽電池的電荷傳輸效率較低。 總 結 染料敏化太陽電池未來的研究方向，仍應著重於低成本高效能之染料開發。 研究及改善染料分子結構，提高電荷使用及分離效率。 二氧化鈦光電極之結構改善，提高二氧化鈦與染料分子之接觸面積。 參考文獻 [1] 閔庭輝，奈米TiO2粒子應用於染料敏化太陽能電池之研究，國立虎尾科技大學電子工程系。 [2] Bailey, M., Park, J., Dhirani, A. Department of Chemistry, University of Toronto 。 [3] 羅幼旭實驗室，TiO2奈米多孔性薄膜於染料敏化太陽能電池(DSSC)之應用，東華大學化學系。 [4] 洪長春，能源應用材料-奈米二氧化鈦專利介紹，國研院科技政策研究與資訊中心副研究員。 [5] 呂宗昕、吳偉宏，奈米科技與二氧化鈦光觸媒，科學發展376期。