第三章 結果與討論
3.2. 染料吸附量的影響
我們選取製程為固定電壓 60 V 成長 1 小時後轉成固定電流密度 5.6 mA cm-2 成長 2 小時的 ATO，ATO 厚度經由-step 測量的實際厚度分別為(2A)34、(2B)36、(2C)35 與 (2D)34 m，故其帄均厚度為 35±1 m，如圖 3. 9 所示。
將 ATO 試片浸入 2.5 毫升濃度分別為(2A)1.6×10-4 M、(2B)1.2×10-4 M、(2C)0.8×10-4 M、(2D)0.4×10-4 M 的 N719 溶液中，在 40 ℃的水浴中靜置 1 小時，取出試片後以乙醇 沖洗烘乾。再將吸附染料的奈米管試片浸泡於 1 毫升 0.1 M NaOH(aq)來脫附染料，使用 0.2 公分的石英樣品槽來測量吸收光譜圖，如圖 3. 10。在波長為 500 nm 時的吸收度分別 為(2A)0.0642、(2B)0.0463、(2C)0.0368 和(2D)0.0268，經過式(2. 3)換算後，染料吸附量 分別為 188、135、107 與 78 nmol cm-2。
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-10 0 10 20 30 40
2A 2B 2C 2D
ATO Thickness / m
Scan Distance Ti Substrate
ATO Thickness
圖 3. 9 不同染料吸附量的奈米管的實際厚度圖。
400 500 600 700 800
0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07
2A 2B 2C 2D
Abs
Wavelength / nm
圖 3. 10 以 0.1M NaOH(aq)脫附不同染料吸附量的 ATO 的吸收光譜圖。
35±1 m ATO 試片、37 m 熱縮膜與鉑對電極所組成的 DSSC，在 AM1.5G 的模擬 太陽光源下測量可得到的 I-V 特性曲線如圖 3. 11 所示。DSSC 的開路電壓(Voc)、短路電 流密度(Jsc)，填充率(ff)以及效率對染料吸附量的關係如圖 3. 12 所示。其相對應的數據 以表 3. 2 顯示。
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Current Density / mA cm-2
Voltage / V
Dyeloading / nmol cm-2
圖 3. 12 不同染料吸附量的 DSSC 的開路電壓、短路 電流、填充率與效率對染料吸附量的關係圖
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表 3. 2 對於改變染料吸附量的 ATO-DSSC 的實驗結果，N719 的吸附密度與 其相關 I-V 特性係數。
ATO 厚度 (m)
Dyeloading (nmol cm-2)
Voc (mV)
Jsc
(mA cm-2)
ff
% 2A 34 188 741 10.53 0.57 4.36 2B 36 135 721 11.56 0.60 4.79 2C 35 107 711 9.51 0.59 3.97 2D 34 78 682 8.97 0.63 3.84
從表 3. 2 可以得知，隨著染料吸附量上升，開路電壓從 682 mV 上升至 741 mV，這 是因為染料吸附量的增加，使得注入 TiO2傳導帶(CB)的電子數目增多，而在開路電路 下電子無法傳出的情況下，較多的電子累積在 TiO2傳導帶而使其費米能階的位置升高，
使得開路電壓上升。但從短路電流可發現，DSSC 的短路電流並沒有隨著染料吸附量的 提高而增加，而是當染料吸附量過量時，短路電流反而下降。雖然大量的染料會注入更 多電子到 TiO2傳導帶，但並非所有電子都能流出到外電路上，部分電子可能會與氧化 鈦的的染料分子重新結合而回到基態，造成 Jsc變小。
以 150 W 氙燈為光源以章節 2.6.2 的實驗方法得到 DSSC 在每個波長下的 IPCE，如 圖 3. 13 所示。從圖 3. 13 可得知 IPCE 的趨勢與 I-V 特性曲線所得的短路電流趨勢相同。
同時從 DSSC-1B、1C 和 1D 可看出染料吸附量的增加，對較長波長區段的 IPCE 的提升 較為明顯。
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400 500 600 700 800
0
Wavelength / nm
圖 3. 13 不同染料吸附量的 DSSC 在不同波長下的光電轉換效率(IPCE)圖。
Charge Flux / 1016 cm-2 s-1
Photo Flux / 1016 cm-2 s-1 IPCE @ 532nm
圖 3. 14 不同染料吸附量的 DSSC 在 532 nm 下的電子流量與光通量的關係圖。
將數據以直線方程式 y=ax 進行擬合，可得到判定係數(r-squared)為 99.9 %的直線，
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直線的斜率為 DSSC 在波長 532 nm 的雷射下的光電轉換效率，其數值略大於從圖 3. 13 得到的 IPCE 值，因為不同光強 532 nm 的雷射下得到的 IPCE 為準確的 IPCE 數值，但 以圖 3. 13 得到的 530~540 nm 為帄均 10 nm 的 IPCE 數值，也就是此 IPCE 數值為 530 nm
±5nm 內的 IPCE( )。但趨勢與圖 3. 13 的 IPCE 值以及短路電流 的趨勢相符合。擬合曲線是判定係數為 99.9 %的直線，表示背光源在波長與強度上的選 擇適當，沒有產生在高光強度時電流飽和或在低光強度時光強不足以完全穿過工作電極 的現象。
圖 3. 15 為不同染料吸附量的 DSSC 在不同強度的 532 nm 雷射下的擴散係數與短路 電流關係圖。在短路的條件下，從瞬態光電流的量測中，我們發現擴散係數與 Jsc呈現 指數函數關係，因此我們以 來擬合。擬合結果發現 a 值相似的 ATO-DSSC 如 2A、2C 和 2D，其在波長 532 nm 的 IPCE 也是相似的，這表示在不同的 N719 吸附量 下，其二氧化鈦的導帶狀態分布是相似的。其電子在導帶中的擴散速率並不受到染料吸 附量的影響。而 2B 的 IPCE 相對之下比較高，是因為 2B 的 ATO 中的化學電容比較少，
造成了 2B 的擴散相對比較快。
1 2 3 4 5 6 7 8
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
2A 3.66 2B 3.15 2C 3.41 2D 3.63
Diffusion Coefficient / 10-4 cm2 s-1
Current Density / mA cm-2
圖 3. 15 不同染料吸附量的 DSSC 在不同強度的 532 nm 雷射下 的擴散係數與短路電流關係圖。
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圖 3. 16 為不同染料吸附量的 DSSC 在開路電路時，在不同強度的 532 nm 雷射下的 電子生命期與開路電壓關係圖。當厚度相似的 ATO 的染料吸附量越高時，開路電路下 的電子生命期越長，這表示 ATO 上的電子與電解液中的氧化物再結合的速率越慢，這 有利於電子在短路電路時的順向傳遞。染料吸附量越多表示染料在 ATO 表面的覆蓋率 越高，使得電解液直接與 ATO 接觸的機會越少，ATO 上的電子不容易因為直接與電解 液中的氧化物接觸而被攔截，而使得電子無法順利傳遞到外電路。從圖 3. 16 我們也可 以發現隨著染料吸附量越高，斜率越小，這表示當染料在 ATO 表面的覆蓋率越高時，
開路電壓的變化對電子生命期的影響就越少。
0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
2A -1.37 2B -5.78 2C -8.06 2D -13.5
Electron Lifetime / ms
VOC / V
Slope
圖 3. 16 不同染料吸附量的 DSSC 在開路電路時，在不同強度 的 532 nm 雷射下的電子生命期與開路電壓關係圖。