電池效率量測

為探討其組裝之再現性與穩定性，本研究亦以相同條件多次組裝 電求證結果。圖3.47 為 TBT 系列雙層結構電池之電流-電壓圖，由表 中可得知，0-TBT/0-TBT 與 Eu0.03-TBT/0-TBT 平均效率分別為 2.60 % 與3.43 %，短路電流密度 (J_sc)為 5.65 mA/cm²與7.02 mA/cm²，開路 電壓為0.66 V 與 0.71 V，顯見第二層為 Eu 摻雜之二氧化鈦電極，效 率、短路電流、開路電壓皆增加。而P25 系列第二層若為 Eu 摻雜後 之電極，由表3.6 中可觀察出效率、短路電流、開路電壓皆增加。但 與 TBT 比較，同一結構，電池效率明顯較小，推測仍為粒徑較大，

造成染料吸附量較少。 圖 3.49 為 Eu0.03-TBT/0-TBT 雙層結構電極 材料與染料間能隙之相對位置，本研究亦藉此解釋效率提高之原因。

由短路電流增加之現象，可知光電子被利用之數量增加，即光電子從 染料之LUMO (lowest unoccupied molecular orbital)快速傳導至第二層 Eu0.03-TBT 再至第一層 0-TBT，由於電子於此傳遞過程中之速率與 兩因素相關：(1) 染料用以吸附於二氧化鈦之結構種類、強度；(2) 染 料 LUMO 與二氧化鈦工作電極之傳導帶(conduction band)之相對位 置。而透過本實驗結構設計之此階梯式位階排列，造成電子藉由驅動 力(driving force)快速傳遞至下一位階之現象，並且由於前一層之傳導 帶位階較高之故，形成類似一道屏障，光電子不易跳回原傳導帶，抑 或與電解液之I3- 離子進行還原，某一程度上減小電子再復和之機 率，增加外電路可使用之光電子數，因而增加光電流值。Kim 等人於 2008 年之研究中⁽¹²⁵⁾，利用二氧化鈦摻雜鉻(Cr)之材料，改變原二氧 化鈦之半導體屬性，作為屏蔽電極層，亦可減少電子再復合機率而提 高效率。

而對於開路電壓增加之現象，須先瞭解染料敏化太陽能電池運作

時之能階變化階原理，由Kubo ⁽⁵⁵⁾所建立，如圖3.50(a)所示，為一DSSC 於未照光之能階圖，亦即TiO₂/染料/電解介質面之間不存在電位差，

故其費米能階 (Fermai level, E_F)可視為自由電子所混成之平衡狀態。

當DSSC照光後，如圖3.50(b)所示，染料吸收光波產生激發之光電子 與電洞之分離，同時造成電位差，此電位差即為TiO₂之CB與染料之 LUMO (lowest unoccupied molecular orbital)混成能階(E_f,n)，相對染料 之HOMO (Highest occupied molecular orbital)與電解質氧化還原電位

(I^-/I₃^-之E_Redox)之混成能階(E_f,n)之電位差(ΔV)，而此電位差之最大直即

為光電壓之最大值，亦即開路電壓。本研究中由於雙層結構第二層 Eu0.03-TBT傳導帶上移，造成與染料之LUMO混成能階上移，因此與 染料之HOMO與電解質氧化還原電位(I⁻/ I₃⁻之E_Redox)之混成能階差異 變大，增大電位差，因此提高開路電壓值。

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

0-TBT/0-TBT 15 0.66 5.65 0.70 2.60(8)

Eu0.03-TBT/0-TBT 16 0.71 7.02 0.68 3.43(2)

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

0-P25/0-P25 15 0.66 4.20 0.69 1.94(5)

Eu0.1-P25/0-P25 14 0.70 4.73 0.70 2.37(2)

圖3.49 雙層工作電極結構電池效率改善之機制說明圖

圖3.50 DSSC 電子能階示意圖：(a)未照光 (b)光照之下之能階變化⁽⁵⁵⁾

3.3.2.2 雙層工作電極結構電池入射單色光子-電子轉化效率(IPCE)量 測

為驗證雙層工作電極結構之電池中效率提高原因之論點，本實驗 針對電池進行單色光子-電子轉化效率(IPCE)量測，透過自動單光濾 鏡控制光源照射電池之波長，藉以觀察電池於不同波長之入射光照射 下其外部量子效率展現。由圖 3.51.a 及 3.51.b 分別顯示 TBT 與 P25 系列電池所呈現之 IPCE 圖譜，譜線趨勢與參考文獻⁽⁷⁵⁾相近。其中 Eu0.03-TBT/0-TBT 電 池 於 可 見 光 區 之 外 部 量 子 效 率 明 顯 大 於 0-TBT/0-TBT 所呈現，P25 系列亦有相同趨勢結果。於橘紅光附近 (610-620 nm) 提升較明顯，是否為第二層結構 TiO₂ : Eu 於 612 nm 部 分放光為Black dye 所吸收而增加光利用之故，仍未確定。故本研究 透過工作電極之放射光譜印證。乃將製作完成之 Eu0.03-TBT/0-TBT 電池工作電極一部分未浸泡，另一部分浸泡染料black dye 溶液 24 小 時，並以無水乙腈沖洗後待至乾燥，進行光激發光譜分析(PL)。由圖 3.52 之結果可知未浸泡之工作電極(plain)經過染料浸泡後(black dye) 於612 nm 之激發光譜幾乎吻合，但是放射光強度略為減弱，因此可 知第二層工作電極放射之紅光部分中少量為染料所吸收，然而由於太 陽光中紫外光部分只佔5 %，因此 394 nm 之激發光轉換成紅光比例 相對極為少量，因此藉此增加電池效率效果有限。因此雙層結構電池 中第二層為Eu 摻雜之樣品效率提高之因，主要仍為 3.2.2.2 節中所解 釋，由於階梯狀能階設計，減少電子再復合機率以增加光電子之可使 用量，此論點將於下節電化學交流阻抗分析中再次討論。