太陽能電池

1. 太陽能電池 班級:四奈米四甲 姓名:郭怡彣 學號:49514061 指導老師:王文峰老師

2. 前言 • 傳統太陽能電池屬於非晶矽薄膜太陽能電池，工作電極主要採用半導體材料，且工作電極同時需要負擔吸收光能和產生、傳導光電子兩個功能。 • 因此存在著工作電極易於被腐蝕或損失大量可見光的弱點，所以轉換效率較低（<1%），且穩定性問題也比較不易解決。

3. 前言 • 為了降低成本、節約昂貴的半導體太陽能電池結構材料、提高轉換效率，所以改進工程、尋找新材料。 • 目前利用的奈米尺寸半導體材料有TiO2、ZnO、SnO2…等。 • 因為TiO2光電極穩定、便宜、製造簡單、且無毒所以是所有材料中使用最普遍的。

4. 染料敏化太陽能電池 • 在1991年，瑞士聯邦科學院Gratzel提出一種概念全新的液體太陽能薄膜電池，其光電轉換效率超過7%。 • 其特色是載流子的產生與收集在空間上是分離的。 • 與傳統的太陽能電池不同，此種奈米晶太陽能電池採用的是有機和無機的複合體系，其工作電極是奈米晶半導體多孔薄膜。

5. 結構

6. 結構分析 導電玻璃 • 用來沉積TiO2奈米粒薄膜的基板必須同時兼具透明與導電之特性，因而導電玻璃，即鍍上透明導電氧化物之玻璃，常被用來當作光電極之基板。 • 在染料敏化太陽能電池中，使用熱穩定性較佳的FTO玻璃做為基板。

7. 結構分析 TiO2奈米粒薄膜 • TiO2奈米粒薄膜光電極常利用油墨刮刀法或網版印刷法來製備，首先將TiO2漿糊塗佈於FTO基板上，再以450-500℃的溫度熱處理30-60分鐘，將原本漿糊內的碳氫化合物去除，並使TiO2奈米粒燒結在一起。 • TiO2奈米粒薄膜光電極之厚度與孔隙度，會影響可吸附染料面積之大小與電解液滲透之難易，進而影響到最後電池之效率。

8. 最佳厚度與孔隙度約為13-14μm與60-70%，此可使TiO2奈米粒薄膜之粗糙因子超過1000 以上，即面積為1c㎡之薄膜，其實際總表面積高達1000c㎡以上，因而可大幅增加染料之吸附量。

9. 結構分析 釕類染料 • N3染料可以吸收波長為400-800 nm 的可見光，而black染料更可吸收至近紅外光範圍的光(400-900nm)，因而利用這些染料可大幅增加太陽光之利用率。 • 而N3、N719或black染料含有NCS配位基，此配位基屬於推電子基，可當作電解液中氧化還原對傳輸電子之受體，因而染料之再生效率可以較高。

10. 結構分析 氧化還原對電解液 • 氧化還原對為最常使用之電解質，為電子於對電極與TiO2光電極間傳輸之媒介。 • 電解液之配方會影響電解液的導電度與TiO2導帶最低能階位置，進而也會影響電池之效率。

11. 結構分析 對電極 • 為使 於對電極再度還原為 ，對電極必須擁有高的電化學活性。通常利用濺鍍一層Pt金屬的導電玻璃來當作對電極，Pt厚度約為200nm左右。 • 取決於濺鍍Pt之電化學活性高低，對電極還原 之交換電流密度約0.01-0.2A/c㎡ ，此會直接影響電池之填充因子。

12. 工作原理

13. 傳統的p-n接面太陽能電池，電荷分離之驅動力，主要是p-n接面之內建電位。而在染料敏化太陽能電池中電荷之分離，則是藉由半導體/染料界面間非對等之電子傳輸動力，造成電子與電洞分別累積於TiO2與染料中，進而產生擴散分離，此電子傳輸動力與染料的LUMO與HOMO能階、TiO2導帶最低能階以及 氧化還原對能階之相對大小有關。

14. 為確保電池能夠運作，染料的LUMO能階必須較TiO2導帶最低能階更負，HOMO能階必須較氧化還原對能階更正，ΔE1與ΔE2必須大於200mV，這樣電子傳輸的驅動力才夠大。為確保電池能夠運作，染料的LUMO能階必須較TiO2導帶最低能階更負，HOMO能階必須較氧化還原對能階更正，ΔE1與ΔE2必須大於200mV，這樣電子傳輸的驅動力才夠大。 • 在光電化學電池裡，輸出電壓是由半導體費米能階與氧化還原對能階間之差異所貢獻的，而此差異與電解液內電解質組成及濃度有關。

15. TiO2其他應用 • 微機電材料 • 光催化劑 • 微生物的光分解作用 • 防霧材料 • 自潔性塗料 • 光柵

16. 結論 • 染料敏化太陽能電池的製作工藝簡單，成本低廉，是解決目前能源緊張問題的一條非常有效的途徑。 • 因此研究如何利用奈米晶材料的特殊性能，合理地選擇敏化染料即電極構造，可進一步提高效率和長期穩定性。

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