第四章 結果與討論
4.2 化合物物性之探討
4.2.4 太陽能電池之性質
元件首先製作二氧化鈦作為電池電極。以玻璃棒塗佈二氧化鈦於導電 玻璃(FTO) 基材上，加熱至 500 °C 燒結 30 分鐘後冷卻至室溫，有效面積控 制在 0.5 0.5 cm2，二氧化鈦厚度約為 15 μm。之後在暗處將二氧化鈦浸泡 於含染料的 THF 溶液(濃度 310-4 M)中約 24 小時，然後將已浸泡染料的二
氧化鈦電極，先使用 THF 清洗掉四周未吸附的染料，乾燥後使用針筒注入 電解質溶液(於 acetonitrile 溶液中含 0.05 M I2 / 0.5 M LiI / 0.5 M 4-tert-butyl- pyridine)，並平整放上對電極(Pt)後，以文件夾子小心夾住，最後於兩側電 極面貼上銅導電膠，即完成簡易的三明治(sandwich)型電池組裝，其結構示
意為 FTO/TiO2/dye/電解質/Pt/FTO。而對電極在此，乃使用電極濺鍍
(sputtering)的方式將厚度 100 nm 的白金(Pt)鍍於導電玻璃(FTO) 上。光源部 份，乃使用以 Oriel 91192A 氙(Xe)燈，並調整透鏡焦距使光線平行均勻射 出，並經由 IR cut-off 將紅外線過濾避免電池過熱，最後在 AM1.5 濾片的條 件下利用光強度偵測器(power meter)，調整待測量位置所照射到的能量為 100 mW cm-2 (1 sun)的均勻強度，即為模擬之自然太陽光。並藉以單光儀 (monochromator)調變所頇照射光波長，在短路的狀態下進行入射光子-電流 轉換效率(IPCE)的量測。根據上述操作方式製作元件，以模擬太陽光源進行 量測後，所取得染料敏化太陽能電池中分別幾個重要參數：短路電流 (Jsc)、
開環電壓(Voc)、入射光子-電流轉換效率(IPCE)、轉換效率(η)、填充因子 (FF)。分別整理於圖 4-11、4-12 和表 4-5。
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
Current density (mA/cm2 )
Voltage (V)
400 500 600 700 800
0
表4-5 化合物元件量測數據 500nm 間，可達 60%，而最大值是在 480nm(63.7%)，由數據可知太陽能電 池的轉換效率：化合物 16>化合物 22>化合物 11，主要在於電流密度的不同 而導致效率有所不同，化合物 16 擁有較高的電流密度(9.98 mA/cm2)，Jsc愈 高表示電子從染料的激發態注入 TiO2傳導帶的電子數目愈多，因此在光電 轉換上更具優勢。
4.3 結論
本實驗成功的合成出將常運用於液晶分子上的片段結構 tris-dodecyl oxyphenyl-來做為此論文中染料分子的電子予體部分，藉由修飾共軛架橋 (Spacer)，合成出三個染料分子，進一步探討其光物理性質、電化學性質以 及光轉換效率等。
當改變不同長度的共軛系統，會直接影響到吸收光譜的範圍，延長共 軛系統時，會使吸收光譜較為寬廣，則有助於光轉換效率的提升。利用引
入兩個 thiophene 到共軛系統中，不僅增寬了吸收光譜，更在光化學性質的 探討上，瞭解到藉由引入兩個 thiophene 以及 bithiazole 來延長共軛系統，能 夠使還原電位下降，有助於被激發的染料分子有足夠的驅動力(driving force) 將電子注入到二氧化鈦的導電帶上，進而增高了光轉換效率。
引入的兩個 thiophene，使得化合物 16 具有連續的硬段結構，在 DSC、
POM 及 XRD 的資料數據，可推得化合物 16 具有層列 C(SmC)相，然而化 合物 22 的轉換效率低於化合物 16 的最主要原因在於所引入的 bithiazole 含 有軟鏈段，不僅降低了共平面度，使得染料分子較容易於二氧化鈦的表面 上聚集，導致電子的傳遞受到影響。
化合物 16 的光轉換效率為 3.72%，在相同條件下，已可達 N719 效率 (7.04%)的 53%，雖然效率不及以往文獻 triarylamine 為電子予體的效率，但 成功的開發出新一系列不同於以往的電子予體染料分子，未來可在分子的 設計上，對於電子予體上做取代基的轉換，以利於光轉換效率的提升。
參考文獻
4. G. P. Smestad, Solar Energy Mater. Solar Cells. 2004, 82, 227.
5. 黄建昇，「結晶矽太陽能電池發展近況」，工業材料雜誌，150，2003。
6. (a)D. E. Carlson, C. R. Wronski, Appl. Phys. Lett. 1976, 28, 671. (b) Robert Kuba, Thin Film Schott Solar, a-Si technology. (c) Michael Powalla, ZSW Stuttgart, CIS and CdTe technology.
7. 陳志平，「高分子有機太陽能電池技術發展概況」， 工業材料雜誌， 262
11. 葉素敏， 「太陽電池之有機材料簡介(上)」，工業材料雜誌， 248期，
162， 民國96年。
12. (a) Nazeeruddin, M. K.; De Angelis, F.; Fantacci, S.; Selloni, A.;Viscardi, G.; Liska, P.; Ito, S.; Takeru, B.; Grätzel, M. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 16835. (b) Grätzel, M. J. Photochem. Photobiol. C 2003, 4, 145. (c) Grätzel, M. Prog. PhotoVoltaics. 2006, 14, 429. (d) Chiba, Y.; Islam, A.; Watanabe, Y.; Komiya, R.; Koide, N.; Han,L. Jpn. J. Appl. Phys. Part 2 2006, 45, L638. (e) Gao, F.; Wang, Y.; Shi, D.; Zhang, J.; Wang, M.; Jing, X.;
Humphry-Baker, R.; Wang, P.; Zakeeruddin, S. M.; Grätzel, M. J. Am.
Chem. Soc. 2008, 130, 10720.
13. Ito, S.; Zakeeruddin, S. M.; Humphry-Baker, R.; Liska, P.; Charvet,R.;
Comte, P.; Nazeeruddin, M. K.; Pe´chy, P.; Takata, M.; Miura, H.; Uchida, S.; Grätzel, M. Adv. Mater. 2006, 18, 1202.
14. (a) Ferrere, S.; Zaban, A.; Gregg, B. A. J. Phys. Chem. B 1997, 101, 4490.
(b) Ferrere, S.; Gregg, B. A. New J. Chem. 2002, 26, 1155.
15. (a)Hara, K.; Sato, T.; Katoh, R.; Furube,A.; Ohga, Y.; Shinpo, A.; Suga, S.;
Sayama, K.; Sugihara, H.; Arakawa,H. J. Phys. Chem. B 2003, 107, 597.(b)Hara, K.; Kurashige, M.; Danoh, Y.; Kasada, C.; Shinpo, A.;Suga, S.; Sayama, K.; Arakawa, H. New J. Chem. 2003, 27, 783. (c) Hara,K.;
Danoh, Y.; Kasada, C.; Shinpo, A.; Suga, S.; Arakawa, H.; Sugihara, H. J.
Phys. Chem. B 2005, 109, 3907.
16. Hara, K.; Horiguchi, T.; Kinoshita, T.; Sayama, K.; Sugihara, H.; Arakawa, H. Chem. Lett. 2000, 29, 316.
17. (a) Khazraji, A. C.; Hotchandani, S.; Das, S.; Kamat, P. V. J. Phys.Chem. B 1999, 103, 4693. (b) Sayama, K.; Hara, K.; Mori, N.; Satsuki,M.; Suga, S.;
Sukagoshi, S.; Abe, Y.; Sugihara, H.; Arakawa, H. Chem. Commun. 2000, 13, 1173.
18. (a) Hara, K.; Sato, T.; Katoh, R.; Furube, A.; Ohga, Y.; Shinpo,A.; Suga, S.;
Sayama, K.; Sugihara, H.; Arakawa, H. J. Phys. Chem. B 2003, 107, 597. (b) Hara, K.; Tachibana, Y.; Ohga, Y.; Shinpo, A.; Suga,S.; Sayama, K.;
Sugihara, H.; Arakawa, H. Sol. Energy Mater. Sol. Cells 2003, 77, 89. (c) Hara, K.; Dan-oh, Y.; Kasada, C.; Ohga, Y.; Shinpo, A.;Suga, S.; Sayama, K.; Arakawa, H. Langmuir 2004, 20, 4205. (d) Hara,K.; Wang, Z.-S.; Sato, T.; Furube, A.; Katoh, R.; Sugihara, H.; Danoh, Y.; Kasada, C.; Shinpo, A.;
Suga, S. J. Phys. Chem. B 2005, 109, 15476.(e) Wang, Z.-S.; Cui, Y.;
Danoh, Y.; Kasada, C.; Shinpo, A.; Hara, K. J. Phys. Chem. C 2007, 111, 7224.
19. Horiuchi, T.; Miura, H.; Uchid, S. Chem. Commun. 2003, 24, 3036.
20. (a) Kitamura, T.; Ikeda, M.; Shigaki, K.; Inoue, T.; Anderson, N. A.; Ai, X.;
Lian, T. Q.; Yanagida, S. Chem. Mater. 2004, 16, 1806. (b) Velusamy, M.;
Thomas, K. R. J.; Lin, J. T.; Hsu, Y.; Ho, K. Org. Lett. 2005, 7, 1899. (c) Hagberg, D. P.; Edvinsson, T.; Marinado, T.; Boschloo, G.; Hagfeldt, A.;
Sun, L. Chem. Commun. 2006, 21, 2245.
21. (a) Kitamura, T.; Ikeda, M.; Shigaki, K.; Inoue, T.; Anderson, N. A.;Ai, X.;
Lian, T. Q.; Yanagida, S. Chem. Mater. 2004, 16, 1806. (b) Velusamy, M.;
Thomas, K. R. J.; Lin, J. T.; Hsu, Y.; Ho, K. Org. Lett. 2005, 7, 1899. (c) Justin Thomas, K. R.; Hsu, Y.-C.; Lin, J. T.; Lee, K.-M.; Ho, K.-C.; Lai, C.-H.; Cheng, Y.-M.; Chou, P.-T. Chem. Mater. 2008, 20, 1830. (d) Johansson, E. M. J.; Edvinsson, T.; Odelius, M.; Hagberg,D. P.; Sun, L.;
Hagfeldt, A.; Siegbahn, H.; Rensmo, H. J. Phys. Chem. C 2007, 111, 8580.
(e) Tsai, M.-S.; Hsu, Y.-C.; Lin, J. T.; Chen, H.-C.; Hsu, C.-P. J. Phys.
Chem. C 2007, 111, 18785.
22. 張仕欣， 「奈米粉體於染料敏化太陽能電池之應用」，工業材料雜誌，
第225期，91， 2005。
23. Wang, Z. S.; Hara, K.; Dan-oh, Y.; Kasada, C.; Shinpo, A.; Suga, S.;
Furube, A.; Sugihara, H. J. Phys. Chem. B 2005, 109, 3907.
24. Thavasia, V.; Renugopalakrishnan, V.; Josea, R.; Ramakrishna, S.
Materials Science and Engineering R632009, 81.
25. Chang, Y. J.; Chow, T. J. Tetrahedron 2009, 65,4726.
26. Spanggaard, H.; Krebs, F. C. Sol. Energy Mater. Sol. Cells 2004, 83, 125.
27. (a)Wang, L.; Chen, Q.; Pan, G. B.; Wan, L. J.; Zhang, S.; Zhan, X.;
Northrop, B. H.; Stang, P. J. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 13433. (b) Wojcik, M.; Lewandowski, W.; Matraszek, J.; Mieczkowski, J.; Borysiuk, J.; Pociecha, D.; Gorecka, E. Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 1.(c) Li, W.
S.; Yamamoto, Y.; Fukushima, T.; Saeki, A.; Seki, S.; Tagawa, S.;
Masunaga, H.; Sasaki, S.; Takata, M.; Aida, T. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 8886.
28. Qin, H.; Wenger, S.; Xu, M.; Gao, F.; Jing, X.; Wang, P.; Zakeeruddin, S.
M.; Grätzel, M. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 9202.
29. Koumura, N.; Wang, Z. S.; Mori, S.; Miyashita, M.; Suzuki, E.; Hara, K. J.
Am. Chem. Soc. 2006, 128, 14256.
30. (a) Mann, J. R.; Gannon, M. K.; Fitzgibbons, T. C.; Detty, M. R.;Watson, D.
F. J. Phys. Chem. C 2008, 112, 13057. (b) Bujda´k, J.; Iyi, N. J. Phys.
Chem. B 2005, 109, 4608.
31. Chen, K.F.; Hsu, Y.-C.; Wu, Q.; Yeh, M.-C. P.; Sun, S. S. Org. Lett., 2009, 11 , 377.
32. Baheti, A.; Tyagi, P.; Justin Thomas K. R.; Hsu, Y.-C.; Lin, J. T. J. Phys.
Chem. C 2009, 113, 8541.
33. Yousuke, O.; Akihiro, I.; Yusuke, K.; Ichiro, I.; Yutaka, H. New J. Chem.
2007, 31, 2076.
34. Tian, H.; Yang X.; Chen, R.; Zhang, R.; Hagfeldt, A.; Sun, L. J. Phys.
Chem. C 2008, 112, 11023.
35. Hara, K.; Sato, T.; Katoh, R.; Furube, A.; Yoshihara, T.; Murai,M.;
Kurashige, M.; Ito, S.; Shinpo, A.; Suga, S.; Arakawa, H. Adν. Funct.Mater.
2005, 15, 246.
附錄
附錄一 化合物 2 之碳譜
附錄二 化合物 4 之氫譜
附錄三 化合物 5 之氫譜
附錄四 化合物 8 之氫譜
附錄五 化合物 9 之氫譜
附錄六 化合物 10 之氫譜
附錄七 化合物 11 之氫譜
附錄八 化合物 13 之氫譜
附錄九 化合物 15 之氫譜
附錄十 化合物 16 之氫譜
附錄十一 化合物 19 之氫譜
附錄十二 化合物 21 之氫譜
附錄十三 化合物 22 之氫譜
附錄十四 化合物 11 之 MS-FAB
附錄十五 化合物 16 之 MS-FAB
附錄十六 化合物 22 之 MS-FAB
附錄十七 化合物 11 之元素分析
附錄十八 化合物 16 之元素分析
附錄十九 化合物 22 之元素分析