雙層工作電極結構電池電化學阻抗(EIS)量測

3.3.2.3 雙層工作電極結構電池電化學阻抗(EIS)量測

進一步驗證 3.3.2.1 中雙層工作電極電池不同結構中效率相異之 原因，本研究將一系列電池進行電化學阻抗測試，測試結果如圖3.53 所示。經Z-view 軟體 fitting 之後，並參考 Adachi 等人⁽⁷⁹⁾所發展之模 式，獲得如表 3.8 所列參數，藉各參數間之比較，可瞭解電池於照光 工作時，激發光電子於電池中傳遞之情形。

由圖 3.53 阻抗圖譜中，Yoshida 等人⁽⁷⁷⁾界定位於中頻區之圖譜意 義為光電子於二氧化鈦層中之傳輸阻抗以及電子於二氧化鈦與電解 質液介面(TiO₂/Electrolyte)之間之傳輸阻抗，因此本研究發現 TBT 系 列中，0-TBT/0-TBT 中頻區之半圓半徑明顯大於 Eu0.03-TBT/0-TBT 之結果，可得知透過雙層結構之設計(圖 3.49)，第二層為 Eu0.03-TBT

之電池，其相對能階形成階梯型，驅動力之增加，明顯降低工作電極 層與層間之傳輸電阻；再者，亦可證明第二層形成一傳遞屏障，降低 傳遞電子與電解液中 I₃^-再復合之還原作用。而 0-P25/0-P25 以及 Eu0.1-P25/0-P25 之間亦具此現象。圖 3.53 中亦可比較 TBT 與 P25 兩 系列，明顯其工作電極內電阻之因素，亦反應於電池效率結果上。

將圖 3.53 所得電交流阻抗結果透過 Z-view 軟體 fitting 後，得到表 3.8 所列參數。先觀察 TBT 系列兩電池，可知第二層為 Eu0.03-TBT

之電池其 k_eff (電子再結合速率常數)由 31.5 下降至 24.7 s^-1，因此電

子生命週期提升，可知驅動力之增加提升電子傳導之動力學參數

(126)，加速電子傳遞以減少電子於電極中之停留機率，此點可由 R_w (電

子於 TiO₂中之傳導電阻)之降低得證。再者，由 R_k (電子再結合之電 荷傳導電阻)，亦為暗反應電阻，此值對於電池效率越大越佳，

Eu0.03-TBT/0-TBT 電池較 0-TBT/0-TBT 由 16.03 增加至 19.34，顯示 第二層為 Eu0.03-TBT 之電池，由於能階結構之設計，降低其電子再 復和之機率，此論點與交流阻抗圖譜之結果吻合。

由於本雙層結構電池之研究，皆控制塗佈步驟中之參數，以確立 各電池之膜厚皆相近，始可討論 Deff (有效電子擴散係數)與 Ln(電子擴 散長度)對於電子傳遞機制之優劣影響(參考式 2.14、2.15)。相較於 0-TBT/0-TBT ， Eu0.03-TBT/0-TBT 電池之 Deff有效從 2.57 x 10^-4提 升至3.36 x 10^-4 cm²/s，佐證 Eu0.03-TBT/0-TBT 電池具效延長電子壽 命之現象。由表 3.8 中結果得知，各雙層結構電池精算後之 L_n長度皆 大於工作電極膜厚，確立各系列電池之傳導電子，有效為 FTO 導電 玻璃收集而傳遞至外電路使用。而 Eu0.03-TBT/0-TBT 之 L_n 值較 0-TBT/0-TBT 所得之 L_n值大，以上結果皆顯示第二層為Eu0.03-TBT 之電池，可有效減少電子因粉體之氧空缺被捕捉而停滯之機率，增加

之驅動力促使電子可於工作電極中有效而快速地傳遞，進而提高光電 轉 換 效 率 。 而 關 於 P25 系 列 之 討 論 ， 顯 示 0-P25/0-P25 與 Eu0.1-P25/0-P25 之各參數比較與效率結果皆吻合，現象解釋與 TBT 系列相同。

關於TBT 系列與 P25 系列之 D_eff之比較，顯示TBT 系列之 D_eff 普 遍皆大於 P25 系列，亦具相關文獻⁽¹²⁷⁾指出，由於晶相之含量差異亦 會影響此值。由於 Anatase 晶相與 Rutile 晶相均為正立方晶系 (Tetragonal system)結構，其晶相皆是以 TiO

6之八面體存在，不同處 為於 Anatase 晶相中，其不論 a、b、c 軸方向，其八面體間之鍵結均 是以 edge-sharing 之方式存在，而於 Rutile 晶相中則為於 a、b 軸以 corner-sharing 之方式存在，於 c 軸方向以 edge-sharing 之方式鍵結，

此結構之差異造成Anatase 傳導電子之能力較佳，此結果於已有之光 觸媒研究已確立。因此相較於 P25 系列，TBT 系列擁有較純之 Anatase 晶相，因此Deff較大，而光電轉換效率亦較高。

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