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第三章 結果與討論

3.1 氧化鈦奈米管 Tnt

3.1.4 染料敏化太陽能電池測試結果

我們將以氧化鈦Tnt 在不同溫度下經過氧化氫處理製得樣品作為染料 敏化太陽能電池光陽極並進行測試。其中Tnt-2H2O2-130 及 Tnt-2H2O2-150 皆為純銳鈦礦晶型,而 Tnt-2H2O2-40、Tnt-2H2O2-80 及 Tnt-2H2O2-100 則 仍含有部分的奈米管結構。各光陽極的膜厚約11-12 µm,測試結果如圖 3-16 所示,各樣品的光伏特表現則整理於表3-2。

結果顯示當太陽能電池使用氧化鈦Tnt 經過氧化氫處理後所製得的樣 品作為光陽極後,其光電轉換效率皆大幅提升,顯示過氧化氫處理有明顯 的成效。Tnt-2H2O2-100、Tnt-2H2O2-130 及 Tnt-2H2O2-150 的光電轉換效率 分別為6.24%、7.15%及 8.25%,皆優於起始物 P25 的 5.95%。而直接影響 光電轉換效率的因素為光電流密度貢獻,雖然氧化鈦 Tnt 經氧化氫處理 後,其開環電壓及充填因子皆下降,但光電流密度從5.96 mA/cm2分別大 幅上升至13.8 mA/cm2、14.3 mA/cm2以及16.7 mA/cm2

再對照經不同溫度相轉換處理後的三個樣品之晶型以及表面積後可 發現隨著處理溫度愈高所製得的樣品不但表面積愈低,更直接使得 N719 染料的吸附量下降。各樣品中以 Tnt-2H2O2-40 的表面積最大(363 m2/g),

染料的吸附量也最多,但光電流密度並非三者中最大,顯示除表面積外的 因素,晶型對電池光電流密度的影響十分顯著。而 Tnt-2H2O2-150 的光電 轉換效率及光電流密度皆高於Tnt-2H2O2-130,或許和前者有較好的銳鈦礦 結晶有關。

圖3-16 以氧化鈦奈米管 Tnt 及 Tnt 在不同溫度下經過氧化氫處理製得樣品 作為染料敏化太陽能電池光陽極之電壓電流圖。

表3-2 氧化鈦奈米管 Tnt 及 Tnt 在不同溫度下經過氧化氫處理製得樣品的物理化 學性質及其作為染料敏化太陽能電池光陽極光伏特表現。

Phase S.A.

(m2/g)

N719ads (µmol/cm2)

Roughness (-)

VOC (mV)

JSC (mA/cm2)

FF (-)

η (%) Tnt-2H2O2-150 A 108 0.057 549 780 16.7 0.63 8.25 Tnt-2H2O2-130 A 164 0.064 616 800 14.3 0.63 7.15 Tnt-2H2O2-100 A + T 202 0.072 693 760 13.8 0.59 6.24 Tnt-2H2O2-80 A + T 272 0.075 722 740 8.8 0.71 4.67 Tnt-2H2O2-40 A + T 363 0.083 799 785 8.3 0.70 4.60

Tnt T 355 0.086 828 830 6.0 0.76 3.74 P25 A + R ~50 0.033 318 790 11.4 0.66 5.95

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Tnt Tnt-2H

2O

2-40 Tnt-2H2O2-80

P25

Tnt-2H2O2-100 Tnt-2H2O2-130 Tnt-2H

2O

2-150

Photocurrent density (mA/cm2 )

Voltage (mV)

我們將Tnt 經硝酸相轉換後樣品製備成染料敏化太陽能電池的光陽極 並進行測試。各光陽極的膜厚約 12-13 µm,測試結果如圖 3-17 所示,各 樣品的光伏特表現則整理於表3-3。

測試結果以 Tnt-0.05HNO3-80 的光電轉換效率為最佳達 8.01%,另外 兩者Tnt-0.5HNO3-80 及 Tnt-2.5HNO3-80 分別為 6.50%及 5.17%。其中最明 顯 就 是 短 路 電 流 密 度 的 差 異 ,Tnt-0.05HNO3-80 、 Tnt-0.5HNO3-80 及 Tnt-2.5HNO3-80 的短路電流密度分別為 17.4 mA/cm2 、13.3 mA/cm2與10.2 mA/cm2,影響短路電流密度值大小的可能因素有兩個,分別為表面積與樣 品的晶型組成。三個樣品中以Tnt-0.05HNO3-80 的比表面積最高 186 m2/g;

Tnt-0.5HNO3-80 次之,為 125 m2/g;Tnt-2.5HNO3-80 次之,為 75 m2/g。對 照染料吸附量,Tnt-0.05HNO3-80 也是三者中最高,隨著表面積下降,染 料的吸附量亦相對減少,同時使得短路電流密度下降,造成整體的光電轉 換效率隨之降低。

另一個影響光電流密度大小的因素推測與樣品的晶型組成有關,隨著 三 個 樣 品 中 銳 鈦 礦 的 比 例 降 低(Tnt-0.05HNO3-80, 100% 銳 鈦 礦 ) 、 (Tnt-0.5HNO3-80, 50 %銳鈦礦 & 50 %金紅石型)及(Tnt-2.5HNO3-80, 100%

金紅石型),短路電流密度與光電轉換效率亦同時下降,所以推測單一晶型 的銳鈦礦晶型傳導電子的能力較混合晶型或金紅石晶型佳 [58] 。

圖3-17 以 Tnt 及 Tnt 在不同硝酸濃度下處理製得樣品作為染料敏化太陽能電池光 陽極之電壓電流圖。

表3-3 Tnt 及 Tnt 在不同硝酸濃度下處理製得樣品的物理化學性質及其作為染料敏 化太陽能電池光陽極光伏特表現。

CA/CR

(wt%)

S.A.

(m2/g)

N719ads

(µmol/cm2)

Roughness (-)

VOC

(mV)

JSC

(mA/cm2) FF (-)

η (%) Tnt-0.05HNO3-80 100/0 186 0.096 925 760 17.4 0.61 8.01 Tnt-0.5HNO3-80 50/50 125 0.045 433 750 13.3 0.65 6.50 Tnt-2.5HNO3-80 0/100 75 0.026 250 785 10.2 0.65 5.17

Tnt - 355 0.086 828 830 5.96 0.76 3.74 P25 80/20 ~50 0.033 318 790 11.4 0.66 5.95

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

P25

Tnt

Tnt-2.5HNO

3-80 Tnt-0.5HNO

3-80 Tnt-0.05HNO3-80

Photocurrent density (mA/cm2 )

Voltage (mV)

我們分別將Tnt經過氧化氫與硝酸相轉換後光電轉換效率最佳的兩個 樣品Tnt-2H2O2-150及Tnt-0.05HNO3-80做不同膜厚測試,探討膜厚對光電 轉換效率的影響。Tnt-2H2O2-150與Tnt-0.05HNO3-80測試結果如圖3-18及 3-19所示,光伏特表現則分別整理於表3-4及3-5。

結果顯示,隨著工作電極膜厚增加,N719染料的吸附量也隨之增加,

主要原因是單位面積上,較大的膜厚相對有更多的二氧化鈦奈米顆粒可以 提供作為染料分子吸附之用。另外隨著膜厚增加短路電流密度呈現先增加 到ㄧ個最大值後再下降,顯示染料吸附量與短路電流的生成並非為線性關 俙。以Tnt-2H2O2-150樣品為例,當膜厚為11 µm 時其染料吸附量為0.057 µmol/cm2 ,並非為各樣品中最佳,但卻可以產生最大的短路電流密度16.7 mA/cm2,進而得到最佳的光電轉換效率 8.25%。推測其原因,當工作電極 厚度增加使得透光性變差,當進行照光反應時,入射光並不能有效穿透到 工作電極的最底層使所有的染料分子受激發由基態躍遷至激發態,使得光 電子產生受到限制,而無法得到更高的短路電流。在光電轉換效率方面,

與膜厚關聯趨勢與短路電流密度相似,顯示影響電池效率的優劣與短路電 流密度大小有著相當密切的關聯。其他像開環電壓(Voc)及充填因子(FF),

在改變不同膜厚時變化並不大,顯示膜厚變因對其影響並不像短路電流及 光電轉換效率明顯。Tnt-0.05HNO3-80樣品實驗結果,各項數據與膜厚的關 係與Tnt-2H2O2-150樣品相似,當工作電極厚度為12 µm 時,為其最佳膜 厚,所產生的光電流為17.4 mA/cm2,光電轉換效率為 8.01%。

上述結果中,過氧化氫相轉換樣品(Tnt-2H2O2-150),無論短路電流密 度或染料的吸附量皆不如硝酸相轉換樣品(Tnt-0.05HNO3-80),但兩者間光 電轉換效率卻以Tnt-2H2O2-150較佳,推測原因是Tnt-2H2O2-150樣品製成光 陽極後的開環電壓較高,而使得光電轉換效率較佳。

圖3-18 Tnt-2H2O2-150 不同膜厚轉換效率測試電壓電流圗。

表3-4 Tnt-2H2O2-150 樣品不同膜厚作為染料敏化太陽能電池光陽極光伏 特表現。

Film thickness (µm)

N719ads

(µmol/cm2)

Roughness (-)

VOC

(mV)

JSC

(mA/cm2)

FF (-)

η (%) 8 0.035 337 795 13.9 0.55 6.17 9 0.037 356 810 12.3 0.67 6.76

11 0.057 549 775 16.7 0.63 8.25 12 0.079 761 780 15.0 0.69 8.02 14 0.085 819 775 14.7 0.63 7.18 18 0.114 1098 750 15.9 0.62 7.40

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

8 µm 9 µm 11 µm 12 µm 14 µm 18 µm

Photocurrent density (mA/cm2 )

Voltage (mV)

圖3-19 Tnt-0.05HNO3-80 不同膜厚轉換效率測試電壓電流圗。

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Photocurrent density (mA/cm2 )

Voltage (mV)

0.4 µm 2.5 µm 4 µm 9 µm 11 µm

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

12 µm 13 µm 15 µm 16 µm 18 µm

Photocurrent density (mA/cm2 )

Voltage (mV)

表3-5 Tnt-0.05HNO3-80樣品不同膜厚作為染料敏化太陽能電池光陽極光 伏特表現。

Film thickness (µm)

N719ads

(µmol/cm2)

Roughness (-)

VOC

(mV)

JSC

(mA/cm2)

FF (-)

η (%)

0.4 0.014 135 740 3.6 0.60 1.60 2.5 0.036 347 810 7.8 0.63 4.06 4 0.041 395 800 8.1 0.69 4.54 9 0.076 732 765 14.8 0.63 7.45 11 0.084 809 765 16.0 0.58 7.19 12 0.096 925 755 17.4 0.61 8.01 13 0.101 973 755 16.2 0.63 7.81 15 0.106 1021 715 14.8 0.66 7.19 16 0.120 1156 770 15.0 0.61 7.14 18 0.145 1397 705 15.4 0.62 6.92

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