影響 DSSC 光電轉化效率的因素及其最佳化條件

2.1.2 章節已介紹電子在 DSSC 元件中的理想傳遞途徑，並且提出可以增函光電流的 工作機制以及減少光電流的損耗機制。要有效地提升 DSSC 元件光電轉換效率，就必頇 提高工作機制的效能，並且盡可能減少損耗機制。而目前常用於探討 DSSC 元件效能的 量測技術有：電壓電流特性曲線(photovoltaic current-voltage；I-V)、入射光子-光電流轉 換效率(incident photon to conversion efficiency；IPCE)。

(A) I-V： 光電轉換效率公式為： ^{SC OC}

in

J V FF

  ^ P ^ (1.6)

J_SC：當電路處於短路(即電阻為零)時所偵測到單位面積下的電流。

VOC：當電路處於電阻為無窮大時(電流為零)時所偵測到的電壓。

FF：填充因子，是測量元件的理想度，定義為電池的最大輸出凾率與 I_SC及 V_OC乘 積的比值。FF 公式為： ^{max mp mp}

in SC OC

I V

FF P

P I V

  

 (1.7)

Imp和 Vmp分別表示 I-V 曲線中最大凾率點處的電流及電壓；Pmax為輸出的最大凾 率；P_in為入射光凾率。

DSSC 各組成結構都可能影響 JSC、 VOC及 FF，而有效地增函 JSC、 VOC及 FF，是 提升 DSSC 元件的光電轉換效率的關鍵。

Ⅰ. 影響 JSC的因素：

(1) TiO₂上染料的吸附量。 (2) 染料分子結構。⁴³(3) TiO₂薄膜的結構及散射效果，是否 利於電子傳遞與否。⁴⁴ (3) 染料、TiO2及電解質三者能階的匹配性。

Ⅱ. 影響 V_OC的因素：

(1) 若發生 charge recombination 或 interception 反應，則 VOC降低。(2) 染料吸收模式⁴⁵ (3) 電解質內離子成分會影響 TiO₂ conduction band edge 的位置，進而影響 V_OC。

Ⅲ. 影響 FF 的因素：

(1) 電池中通常具有分流電阻(shunt resistance)來防止 charge recombination 或 interception 反應發生，若分流電阻太小，則 FF 會降低。(2) 電池外部電路接面上串聯電阻(series resistance)若太大，亦會降低 FF。

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(B) IPCE：為外電路中產生的電子數(Ne)與總入射單色光子數(Np)之比。其公式為

2

2

1 2 4 0 ( / )

( ) ( / )

e S C

p in

N I A cm

IPCE N  nm P W cm

  

 (1.8)

λ為入射單色光的波長，P_in為入射單色光的凾率。

而 IPCE 又可定義為⁴⁶：IPCE( ) LHE( )  _inj_CC (1.9)

LHE( ) 為光捕獲效率，_inj為電子注入的量子效率，_CC為注入 TiO2 電子被 TCO 電極收集的效率。從材料觀點而論，下列原因會降低 IPCE 值。⁴⁷

Ⅰ. 低LHE( ) 原因：

(1) 染料消光係數太小。 (2) 染料濃度過低。 (3) TiO2薄膜太薄，無法吸附足夠的染料。

(4) TiO₂薄膜的散射效果不佳。 (5) 光被 TiO₂或電解液吸收。 (6) 染料發生降解反應。

Ⅱ. 低_inj的原因：

(1) 染料脫附。 (2) 染料聚集。(3) 染料的激發態能階(LUMO)低於 TiO2的導帶能階。

Ⅲ. 低_CC的原因：

(1) 注入 TiO2的電子在被收集前，就跟氧化態的染料離子發生電荷再結合(charge recombination)反應。 (2) 注入 TiO₂的電子在被收集前，先被氧化態的電解液攔截，發 生 interception 反應。 (3) 電子在 TiO2內的傳遞速率太慢，即電子擴散係數(Dn)太小。

換言之，欲改善 DSSC 元件的效率，可藉由提升LHE( ) 、_inj、_CC，即可有效地 增函產生的光電流。

最後，我們結合材料特性及光譜參數觀點來探討 DSSC 的電子傳遞途徑對於光電轉 換效率的增益機制及損耗機制，如圖 1.9 所示：

Ⅰ. 增益機制：

(1) 光激反應：

此步驟效能取決於染料的吸收係數及吸光波長範圍，通常會採用吸收係數高且吸光 範圍可延伸至近紅外光區域的染料，以提升光捕獲效率(LHE)。

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(2) 電子注入(kinj)：

電子注入的速率(k_inj)取決於染料激發態能階與 TiO₂導帶能階的匹配性、染料結構、

TiO2與染料之間鍵結強度、在 TiO2上染料的吸附量及聚集程度。

(3) 電子擴散(k_ed)：

電子在 TiO2中的傳遞速率(ked)，取決於電子的擴散係數(Dn)。Dn越大，則電子在 TiO2的傳遞速率越快，電子的收集效率(cc)越高。通常一維的陽極結構，有助於提 升電子的傳遞速率(D_n)，進而提升電子的收集效率(_cc)。

(4) 染料再生：

取決於 I^- / I3-電解液氧化還原電位與染料基態能階的匹配性。

Ⅱ. 損耗機制：

(1) 電子−電洞再結合(k_r)：

此步驟會和電子注入過程相互競爭，通常 kr必頇小於 kinj，才能利於電子的正向傳 遞。文獻指出，k_inj /k_r ~1000，表示激發態染料的電子能迅速傳至 TiO₂導帶，且不 易回到染料基態發生電子電洞再結合，故此步驟對於 DSSC 效能的影響不大。

(2) 電荷重組(k_rec.)：

此步驟會和染料再生過程相互競爭，電解液再生染料的過程若太慢，或是 TiO2的 缺陷、晶界太多導致電子傳遞速率太慢(D_n小)，則電荷重組發生的機率會變大，會 降低電子生命期(R)及電子的收集效率(cc)，光電轉換效率也隨之降低。

(3) 電解液攔截電子反應(k_et)：

此步驟會和電子擴散過程相互競爭，若 TiO2的缺陷、晶界太多而導致電子傳遞速 率太慢(D_n小)，或是 TiO₂的表面未被染料完全覆蓋而接觸到電解液，則電子就容易 發生 interception 反應，會降低電子生命期(R)及電子的收集效率(cc)，進而降低光 電轉換效率。

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圖 1.9 DSSC 之工作機制與損耗機制。