電子注入速率與電子注入量子效率

考慮染料敏化電池中電流產生的過程，首先光子由染料捕獲產生電子（light harvesting），再經由染料與二氧化鈦之間的界面電子轉移注入二氧化鈦導帶，最 後電子在二氧化鈦導帶中擴散進入導電玻璃形成迴路，因此光電轉換效率(IPCE) 可定義如式(4-5) 。

( ) ( )

_{inj coll}

IPCE λ = LHE λ ×Φ × η

(4-5)

LHE 為光捕獲效率，

Φ

_inj為電子注入量子效率，η_coll為電子收集效率

上式中光電轉換效率(IPCE)以及光捕獲效率(LHE)的值皆與波長相依，其中

IPCE 值可藉由光電轉換效率量測套件測得，LHE 值也可利用吸收光譜換算得 到，換算公式見式（4-6）。

( ) 1 10

^Abs( )

LHE λ = −

^{− λ}

(4-6)

IPCE 定義中兩項與波長無關的因子，並無法直接在光電轉換效率光譜與吸 收光譜中得到。前面兩節當中我們量測YD 系列分子在二氧化鈦與氧化鋁薄膜上 的螢光瞬態螢光光譜，並計算出YD 系列分子在奈米晶薄膜上的衰減速率常數，

其主要目的就是為了要得到電子注入量子效率的值。

由公式(4-1)與公式(4-3)中我們可以知道二氧化鈦薄膜上的衰減速率常數為 電子注入速率常數與聚集體間能量轉移速率常數之和，氧化鋁薄膜的衰減速率常 數大略為聚集體間的能量轉移速率常數。若我們假設染料在二氧化鈦及氧化鋁薄 膜上聚集程度類似，那兩者相減，我們就可以計算出電子由染料的激發態注入二 氧化鈦導帶的速率常數，見式(4-7)。

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k

^inj

= k

^TiO2

− k

^{Al O2 3}

（4-7）

而電子注入之量子效率定義為電子注入速率與染料在二氧化鈦薄膜上衰減 速率之比值，公式(4-8)。

²

inj inj

inj

inj ET r nr TiO

k k

k k k k k

Φ = =

+ + +

（4-8）

利用公式(4-7)及(4-8)，我們就可以計算出電子注入速率以及電子注入之量子 效率，計算之結果整理於表4-3。

表4-3 YD 系列分子與不同比例 CDCA 共吸附之電子注入速率及量子效率

從表 4-3 的計算結果可以看出這一系列分子在電子注入速率上的不同，在 CDCA 比例為 1 : 0 時，此系列分子電子注入速率依序排列為 3.18、5.40 及 4.90 × 10¹¹ s^-1 。因此我們就可以看出在分子結構上有無推電子基對電子注入速率上的 影響，具推電子基的YD-1 和 YD-2 其電子注入速率比 YD-0 來的快，所以這可 能是影響此一系列分子作為敏化染料效率表現的因素之一。若比較同一分子在不 同比例CDCA 下的電子注入速率，以 YD-0 為例其電子注入速率依序為 3.18 、 1.78 及 1.26× 10¹¹ s^-1，可以看到電子注入速率竟隨聚集程度變小而變慢，此一系

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列分子都呈現同樣的趨勢。我們推測紫質染料的聚集，不僅加速聚集體間的能量 轉移，亦會加速介面電子轉移過程。上一節中看到，此系列染料在二氧化鈦薄膜 上隨CDCA 比例提高其衰減速率變慢，這是因為加入 CDCA 後使染料的聚集程 度降低，造成聚集體間能量轉移和介面電子轉移同時下降，總合的結果就是染料 激發態在二氧化鈦薄膜上衰減速率變慢。

比較單一分子在不同比例 CDCA 下的電子注入量子效率，可發現 YD-0 及 YD-1 兩分子其量子效率隨 CDCA 濃度而增加，這代表電子經由聚集體間能量傳 遞而浪費掉的比例減少，所以儘管加入CDCA 使電子注入速度變慢，但對 YD-0 和YD-1 而言其整體效益還是正向的；不過對 YD-2 來說加入了 CDCA 使得注入 速率及量子效率都下降，所以加入CDCA 作為共吸附劑對 YD-2 是沒有效益存在 的。

總結我們螢光瞬態光譜的實驗結果，結論是在紫質當中加入強推電子基可以 增加電子注入速率，而染料分子的聚集也會使電子注入速率加速。紫質染料聚集 時雖有較快的電子注入速率，但伴隨的是更有效的聚集體間能量轉移。對YD-0 和YD-1 來說加入 CDCA 後，電子注入速率及聚集體間能量轉移速率同時下降，

但電子注入量子效率將會提高，因此加入CDCA 作為共吸附劑是可行的方案；

但對YD-2 而言，加入 CDCA 後其電子注入速率下降的幅度比聚集體間能量轉移 速率來的大， 電子注入量子效率隨之下降，因此以 CDCA 作為 YD-2 共吸附劑 並無幫助。基於以上結論，我們將CDC A 影響此系列染料分子介面電子轉移和 聚集體間能量轉移的示意圖繪於圖4-19 及圖 4-20。

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圖4-19 CDCA 影響 YD-0 及 YD-1 電子注入和聚集體能量轉移之示意圖。

CDCA 的共吸附會使得 YD-0 及 YD-1 電子注入量子效率上升。

圖4-20 CDCA 影響 YD-2 電子注入和聚集體能量轉移之示意圖。

CDCA 的共吸附會使得 YD-2 電子注入量子效率下降。

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4.4 CDCA 與 YD 系列分子共吸附之效率量測及光電轉換光譜

在文檔中 利用飛秒螢光光譜法研究紫質分子在TiO2與Al2O3奈米薄膜上的介面電子轉移與分子間能量轉換動力學 (頁 93-97)