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TiO2/ZnO 奈米柱陣列對染料敏化太陽能電池之影響

TiO2/ZnO 奈米柱陣列對染料敏化太陽能電池之影響. 老師 : 陳龍泉 學生 : 陳冠富 日期 : 一百年一月八號. 崑山科技大學高分子材料系. 一、 摘 要. 1. 本 實驗討論各個製程中，不同變數下，對其光電轉換效率的影 響。 2. 以 SEM 對其樣品進行表面形態分析， XRD 對其結晶性以及結晶 型態分析。 3. 以 EDS 分析其原子組成，以 PL 分析其電子與電洞再結合的螢光 效應。 4. 本實驗在刀刮四次氧化鋅晶種、成長三次氧化鋅奈米柱及塗佈 一層二氧化鈦時，有最好的光電轉化率。. 二、前 言.

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  1. TiO2/ZnO 奈米柱陣列對染料敏化太陽能電池之影響 老師:陳龍泉 學生:陳冠富 日期:一百年一月八號 崑山科技大學高分子材料系

  2. 一、摘 要 1.本實驗討論各個製程中，不同變數下，對其光電轉換效率的影 響。 2.以SEM對其樣品進行表面形態分析，XRD對其結晶性以及結晶 型態分析。 3.以EDS分析其原子組成，以PL分析其電子與電洞再結合的螢光 效應。 4.本實驗在刀刮四次氧化鋅晶種、成長三次氧化鋅奈米柱及塗佈 一層二氧化鈦時，有最好的光電轉化率。

  3. 二、前 言 1.染敏的優勢為價格便宜，且具有弱光性。 2.本實驗因為TiO2比ZnO光電轉換率高，但是一維陣列式二氧化鈦不易製備，因此先合成陣列式氧化鋅奈米柱再鍍上TiO2 ，製備TiO2 /ZnO奈米柱。 3.本實驗將TiO2製備成一維有序奈米柱結構，是為了降低電子傳導到工作電極時的損失。

  4. 三、實驗步驟及實驗藥品 3-1 實驗藥品 1. 無水乙醇 (Ethanol) 2. 異丙醇鈦 (Titanium (IV) isopropoxide，TTIP) 3. 鹽酸 (Hydrochloric acid，HCL) 4. 醋酸鋅含水結晶 (zinc acetate dehydrate) 5. 六甲基四胺 (Hexamethykenetetramine，HMT) 6. 釨金屬錯化合物染料 (uthenium535-bisTBA，RuL2 (NCS) 2 : 2TBA， C58H86O8N8S2Ru，N-719) 7. 碘 (Iodine，I2) 8. 碘化鋰 (Lithium Iodide，LiI) 9. 4-叔丁基吡啶(4-tert-butylpridine，TBP) 10. 甲氧基丙晴(Methoxypropanenitrile，MPN) 11. 鍍銦錫氧化物玻璃基板（Indium Tin Oxide，ITO）

  5. 3-2 實驗步驟 導電玻璃清洗乾淨後以隔熱膠帶貼出0.5*0.5mm的工作電極 將製備完成的樣品加入電解液進行電化學檢測 以旋轉塗佈方式鍍上TiO2溶液乾操後放入煅燒爐 將完成的樣品泡入染料中浸泡24小時 將製備好的樣品進行物性分析 以化學浴沉積法生成氧化鋅奈米柱重複三次以達到所需之柱長 利用旋轉塗佈法將TiO2塗佈於氧化鋅奈米柱上控制其層數以及轉速變化 以刀刮法鍍上氧化鋅晶種層重複三次乾操後放入煅燒爐

  6. 四、結 果 與 討 論 以下討論:S 為氧化鋅晶種刀刮次數 Z 為化學浴沉積氧化鋅次數 T 為旋轉塗佈TiO2層數 以S4Z3T1為基礎條件探討變數

  7. (a) (b) 圖1.氧化鋅晶種刀刮不同次數的FE-SEM圖(A)S2俯視圖(B)S4俯視圖(C)S2 側視圖(D)S4俯視圖 (c) (d)

  8. (a) (b) 圖2.轉塗佈二氧化鈦不同次數的FE-SEM側視圖(A)氧化鋅奈米柱(B)一層(C)　三層(D)五層 (c) (d)

  9. 表1.氧化鋅奈米柱旋轉塗佈二氧化鈦不同層數的柱長表1.氧化鋅奈米柱旋轉塗佈二氧化鈦不同層數的柱長

  10. 圖3.為ＳＥＭ側視圖(A)純氧化鋅奈米柱(B)塗佈一層二氧化鈦奈米柱圖3.為ＳＥＭ側視圖(A)純氧化鋅奈米柱(B)塗佈一層二氧化鈦奈米柱 (a) (b)

  11. 表2.二氧化鈦/氧化鋅奈米柱EDS元素分析

  12. 圖4.氧化鋅奈米柱塗佈不同二氧化鈦層數未經蝕刻製程的XRD 圖譜。(A)氧化鋅奈米柱、(B)旋轉塗佈二氧化鈦2層、(C) 4 層、(D) 6層

  13. 圖5.氧化鋅奈米柱塗佈不同二氧化鈦層數的UV-VIS 吸收圖譜。(A)未塗佈(B)一層(C)二層(D)三層(E)四層(F)五層(G)六層

  14. 圖6. 二氧化鈦塗佈不同層數的PL光譜(A)一層(B)三層(C)五層

  15. 圖7.氧化鋅晶種刀刮不同次數的I-V曲線效率圖(A)一次(B)兩次(C)三次(D)四 次(E)五次

  16. 圖8.氧化鋅晶種刀刮不同次數的暗電流效應(a)一次(b)兩次(c) 三次(d)四次(e)五次

  17. 表3.氧化鋅晶種刀刮不同次數對效率的影響

  18. 圖9.氧化鋅成長次數的I-V曲線效率圖(a)一次(b)兩次(c)三次圖9.氧化鋅成長次數的I-V曲線效率圖(a)一次(b)兩次(c)三次

  19. 圖10.氧化鋅成長次數的暗電流效應(a)一次(b)兩次(c)三次圖10.氧化鋅成長次數的暗電流效應(a)一次(b)兩次(c)三次

  20. 表4.氧化鋅成長次數的光電轉化效率

  21. 圖11.二氧化鈦/氧化鋅奈米柱塗佈次數的I-V曲線效率(A)未塗佈(B)一層(C)三層(D)五層圖11.二氧化鈦/氧化鋅奈米柱塗佈次數的I-V曲線效率(A)未塗佈(B)一層(C)三層(D)五層

  22. 圖12.二氧化鈦/氧化鋅奈米柱塗佈次數的暗電流效應(A)未塗佈(B)一層 (C)三層(D)五層

  23. 表5.旋轉塗佈二氧化鈦不同次數的光電轉化效率表5.旋轉塗佈二氧化鈦不同次數的光電轉化效率

  24. 四、結 論 1.氧化鋅晶種層數增加到第四層時，因為表面緻密比較沒有缺陷，有助於其光電轉化率的提升。 2.增加二氧化鈦塗佈層數並不會增加光電轉化率 3.由PL光譜可以得知塗佈一層二氧化鈦的樣品，有最低的電子與電洞再結合機率。 4.在化學浴沉積氧化鋅時，隨著反應次數增加至3次，增加面積使染料吸附量提升，對光電流的提升有很明顯的效果。

  25. 伍、參考文獻 [1] B. O’Regan, M. Gratzel, A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films, Nature, Vol 353,pp737-740(1991.10.24). [2] W. Shockley, H. J. Queisser, J, Detailed Balance Limit of Efficiency of P-N Junction Solar Cells, Appl. Phys, Vol 32,pp510-519(1961). [3] Y. Wang, Y. Sun, K. Li, Dye-sensitized solar cells based on oriented ZnO nanowire-covered TiO2 nanoparticle composite film electrodes, Materials Lett,Vol 63,pp1102-1104 (2009.05.15). [4] T. P. Chou, Q. F. Zhang, G. E. Fryxell, G. Z. Cao,Hierarchically Structured ZnO Film for Dye-Sensitized Solar Cells with Enhanced Energy Conversion Efficiency, Adv. Mater., Vol 19,pp2588-2592(2007). [5] M. Law, L. E. Greene, J. C. Johnson et al., Nanowire dye-sensitized solar cells,Nat Mater., Vol 4,pp455-459(2005.05.15). [6] 蔡忠憲, 以二氧化鈦奈米管為前驅物製作染料敏化太陽能電池之陽極電極, 碩士論文, 國立成功大學, 2004。 [7] 賴致遠, 化學浴沉積法合成氧化鋅奈米線及其特性分析, 碩士論文, 國立成功大學, 2006。 [8] 孔凡太、戴松元、王孔嘉, ”染料敏化奈米薄膜太陽電池中的染料敏化劑”,化學通報, Vol 5,pp338(2005)。

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