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染料敏化太陽能電池

染料敏化太陽能電池. 葉綠素 a. 葉綠素 b. 胡蘿蔔素. 光合作用. 染料可以吸收太陽光 不同色的染料可吸收不同波段太陽光. 染料 敏化 太陽電池優勢. 製作簡易，價格低廉，成本只有 Si 太陽電池 1/5-1/10. 適合量產 。 可導入大尺寸之製程，能製成可饒式外型，應用多元化。 材料 無毒性，不會造成環境污染 。. 染料敏化太陽電池的結構. 染料敏化太陽電池是一種電化學電池 铅酸蓄电池 ： 正極板為 二氧化鉛 板 (PbO2) ，負極板為鉛板 (Pb) ， 电解液 （稀 硫酸 溶液 ). 染料敏化太陽電池的原理. 染料敏化太陽電池的結構.

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染料敏化太陽能電池

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Presentation Transcript

  1. 染料敏化太陽能電池

  2. 葉綠素a 葉綠素b 胡蘿蔔素

  3. 光合作用

  4. 染料可以吸收太陽光 • 不同色的染料可吸收不同波段太陽光

  5. 染料敏化太陽電池優勢 • 製作簡易，價格低廉，成本只有Si太陽電池1/5-1/10. • 適合量產。 • 可導入大尺寸之製程，能製成可饒式外型，應用多元化。 • 材料無毒性，不會造成環境污染。

  6. 染料敏化太陽電池的結構

  7. 染料敏化太陽電池是一種電化學電池 • 铅酸蓄电池：正極板為二氧化鉛板(PbO2)，負極板為鉛板(Pb) ，电解液（稀硫酸溶液)

  8. 染料敏化太陽電池的原理

  9. 染料敏化太陽電池的結構 特點: 用奈米顆粒、增加吸收表面積

  10. 染料敏化太陽電池的反應步驟 • 照光後，染料分子由基態﹙S﹚變為激 發態﹙S*﹚ • S ＋ hν → S* • 激發態的電子由染料注入TiO2 顆粒中，而染料分子自身被氧化 • S* → S+ ＋ e- (<100 femtosecond) • 氧化態S+與電解液還原反應，變回基態，還原劑則被氧化 • 2S+ ＋3I- → 2S ＋ I3- • 被氧化的還原劑又被對電極上的電子再次還原 • I3- ＋ 2e- → 3I-

  11. TiO2 奈米顆粒的目的在增加表面積,以吸收更多太陽光.

  12. Si solar cell

  13. DSSC 組成要件 導電玻璃基板(transparent conducting oxide-TCO) 光電極(正極)-photoanode 金屬對電極(負極)-counterelectrode 電解液(electrolyte)

  14. TCO導電玻璃: 銦錫氧化物 ( indium-doped tin oxide-ITO ) ，其穿透率為85 %左右，面電阻為~10 Ω/cm2；另一種為參雜氟的銦錫氧化物(fluorine-doped tin oxide- FTO) • Photoelectrode 奈米二氧化鈦光電極- TiO2奈米粒子製成之奈米多孔性薄膜，厚度10 μm。粒子直徑約20nm，晶相為anatase。

  15. SEMimage of TiO2 nanoparticles TiO2 奈米多孔性大幅增加表面積及吸附染料量

  16. 對電極( TCO )，在TCO玻璃上，鍍上鉑 ( Pt )薄膜(30nm)。 • 對電極金屬需具備以下條件 • 電荷移轉的阻力小。 • 具高度電子催化活性，以利於還原碘離子 • 不怕電解液腐蝕。

  17. 電解液 成分 • 電解質的主要成分有鋰化碘 ( LiI )、鉀化碘( KI )、碘 (Iodide)、 • 1-Propyl-2,3-dimethylimidazolium Iodide、tertabutylammonium iodide等。 • 電解質的氧化還原反應 ( redox couple )，必須在光電極與對電極之間提供電荷，還原染料。 當染料在吸收光線而釋放電子至正電極之後，電解質必須能夠儘速的提供電子，將處於氧化態的染料還原至中性態。

  18. N3 Dye

  19. N719 dye

  20. 常見半導體之CB,VB能階位置

  21. DSSC I-V 效率圖

  22. 染料敏化太陽電池的反應步驟 1)照光後，染料分子由基態﹙S﹚變為激 發態﹙S*﹚ S ＋ hυ → S* 2) 激發態的電子由染料注入TiO2顆粒中，而染料分子自 身被氧化 S* → S+＋ e-(<100 fs femtosecond transient absorption spectroscopy ) 3) 氧化態S+與還原劑反應，變回基態，還原劑則被氧化 2S+＋3I- → 2S ＋ I3- 4) 被氧化的還原劑又被對電極上的電子再次還原 I3-＋ 2e- → 3I-

  23. 奈米顆粒染料敏化太陽能電池製作過程 退火 成功燒結 塗抹奈米顆粒 清洗基板(FTO) 封裝前處理 滴上固態電解液 並封裝成電池 浸泡染料N719

  24. DSSC之DIY實做流程 Step 1. • 用微量天枰秤數克的奈米級 TiO2 結晶型粉末。 • 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0.2mL 的冰醋酸緩緩加入50 mL的 去離子水中。 (若無稀醋酸可用DI純水替代)

  25. Step 4. • 將TiO2稀態膠體，以載玻片均勻的平鋪在導電玻璃的導電面上。 (膠帶的用途為控制薄膜的厚度，而預留的三個邊，可作為封裝電池與延伸電極之用) Step 5. • 塗佈完成後小心的把膠帶移除，避免過於乾燥才撕去膠帶，以免破壞薄膜。

  26. Step 6. • 用平板加熱器將塗有TiO2薄膜之導電面朝上以150度加熱烘烤10~20分鐘。 （加熱過程中，薄膜會因為介面活性劑被燒掉，而呈淺棕色） Step 7. • 將天然果實浸泡於乙醇中，再置入磁石以攪拌器控制其緩緩攪拌。 • 將翠取好的染料以濾紙過濾以除去多餘殘渣。 （天然果實以深紫紅色系較優）

  27. Step 8. • 將烘烤完成之TiO2電極，浸泡於翠取完成且濾淨過之染料色素中。 (浸泡時間至少需數小時，TiO2薄膜會因吸附染料而改變其顏色) 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，即可鍍上一層碳膜(Carbon)。

  28. DSSC實驗室樣品 TCPP Black rice N3 η~ 4%

  29. 奈米顆粒之FE-SEM圖

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