第三章 結果與討論
3.3. 電解液厚度的影響
我們選取以定電壓法在固定電壓 60 V 成長 11.5 小時的 ATO，ATO 厚度經由-step 測量為 23 m，如圖 3. 17 所示。
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0 10 20 30
Scan Distance
3A 3B 3C 3D
ATO Thickness / m
Ti Substrate ATO Thickness
圖 3. 17 不同電解液厚度的 DSSC 奈米管的實際厚度圖
ATO 試片置於 2×10-4 M 的 N719 溶液，在 40 ℃的水浴中浸泡 1 小時，取出試片後 以乙醇沖洗烘乾。再將吸附染料的 ATO 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. 18。在波長為 500 nm 時的吸收 度分別為(3A)0.0402、(3B)0.0459、(3C)0.0433 和(3D)0.0456，經過式(2. 3)換算後，染料 吸附量分別為 118、134、127 與 133 nmol cm-2。
400 500 600 700 800
0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05
3A 3B 3C 3D
Abs
Wavelength / nm
圖 3. 18 以 0.1M NaOH(aq)脫附不同電解液厚度的 DSSC 的奈米管的吸收光譜圖。
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23 m ATO 試片分別和(3A)25、(3B)31、(3C)40 和(3D)57 m 的熱縮膜，與鉑對電 極所組成 DSSC，在 AM1.5G 的模擬太陽光源下測量可得到的 I-V 特性曲線圖，如圖 3. 19
Current Density / mA cm-2
Voltage / V
60
0.76 0.78 0.80 0.82
0 10 20 30 40
9.0 9.5 10.0 10.5
0.63 0.64 0.65 0.66
0 10 20 30 40
4.6 4.8 5.0 5.2
Voc / VJsc / mA cm-2 FF / %
Electrolyte / m
圖 3. 20 不同電解液厚度的 DSSC 的開路電壓、短 路電流、填充率與效率對電解液厚度的關係圖
我們使用螺旋側微儀取得熱縮膜的厚度，電解液厚度即為熱縮膜厚度減去奈米管薄 膜厚度。從圖 3. 20 我們可以發現，隨著電解液厚度的增加，開路電壓呈現上升的趨勢，
短路電流整體而言呈現下降的趨勢，因為以奈米管為半導體的的 DSSC 是背照式，因此 光在通過電解液時會先被吸收掉一部分，電解液越厚表示光被吸收的量越多。這個論點 我們可以從圖 3. 21 得到證明。
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400 450 500 550 600
0.0
Wavelength / nm
500 510 520 530 540 550 0.000
0.005 0.010
Abs
Wavelength / nm
表 3. 4 電解液厚度與 2 mm
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350 400 450 500 550 600 650 700 750 800
0 10 20 30 40 50 60 70 80
3A 3B 3C 3D
IPCE / %
Wavelength / nm
圖 3. 22 不同電解液厚度的 DSSC 在不同波長下的光電轉換效率(IPCE)圖
以章節 2.6.3 的實驗方法進行 DSSC 的瞬態光電流和光電壓測量，所使用的光路設 計為圖 2. 7，光閘開關的間距為 0.22 秒。
在不同強度的背光源下的光強度與 DSSC 的短路電流，經過式(2. 9)與式(2. 10)轉換 成光通量與電子流量後，得到的關係圖如圖 3. 23。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，直線的斜率為 DSSC 在 532 nm 下的 IPCE，
其數值與從圖 3. 22 得到的數值接近。趨勢與 DSSC 在 AM1.5G 下測得的短路電流趨勢 相同，因為在電解液厚度為 49 m 時，三碘離子對於 532 nm 的光吸收值小於 0.005，故 我們可忽略電解液對於 532 nm 的光吸收效應，所以圖 3. 23 中顯示在不同的電解液的厚 度下，其在 532 nm 的光電轉換效率是相似的。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。
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0 1 2 3 4 5 6 7 8
0 1 2 3 4 5 6
3A 77.5%
3B 79.1%
3C 73.7%
3D 74.1%
Charge Flux / 1016 cm-2 s-1
Photon Flux / 1016 cm-2 s-1 IPCE @ 532nm
圖 3. 23 不同電解液厚度的 DSSC 在 532 nm 下的電子流量與光通量的關係圖。
0.8 1 2 4 6 8 10
1 2 3 4
3A 2.41 3B 2.56 3C 2.47 3D 2.53
Diffusion Coefficient / 10-4 cm2 s-1
Current Density / mA cm-2
圖 3. 24 不同電解液厚度的 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。
圖 3. 24 為不同電解液厚度的 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。擴散係數與 Jsc呈現指數函數關係，因此我們以 來擬合，擬 合的帄均值約為 2.49±0.066，標準偏差(只有 2.6%，結果顯示在不同的電解液厚度之
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下，其擴散速率並不隨之而變。因此我們認為當電解液厚度不同時，二氧化鈦的局限能 態(或稱之為表面態，suface state, SS)是相似的，光電子在局限與去局限的過程中或電子 在導帶上的擴散過程與電解質的厚度無關。這是因為當 N719 覆蓋在 TiO2奈米管表面上 的分子密度相同時，其表面的正離子的離子強度是相似的，造成電子與表面的正離子之 間的交互作用力不隨著電解液的厚度而改變，所以其局限能態的分布和導體之間的能隙 是沒有改變。
0.66 0.68 0.70 0.72 0.74 0.76 0.78 0.80 0.82 1
2 3 4 5 6 7 8 9 10
3A 18.5 3B 19.0 3C 16.3 3D 16.3
Capacitance / mF
VOC / V Slope
圖 3. 25 不同電解液厚度的 DSSC 電容與開路電壓的關係圖。
圖 3. 25 為使用章節 2.6.4 的方法得到的電容與開路電壓的關係圖。將結果以式(2. 16) 擬合，擬合得結果顯示了 3A 和 3B 的最低能態(edge state)電壓比 3C 和 3D 的最低能態 電壓往下位移了 0.02 V，而且當電解液厚度較薄時如 3A 和 3B，其 DOS 的分布是較廣 的；但對於電解液厚液較厚時如 3C 和 3D 而言，其 DOS 的分布反而較狹窄，因此在相 同的總光電子密度下，3C 和 3D 的開路電壓會比 3A 和 3B 高。
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0.70 0.72 0.74 0.76 0.78 0.80 0.82
0.06 0.08 0.1 0.2 0.4 0.6
3A 3B 3C 3D
Electron Lifetime / s
Voc / V
圖 3. 26 不同電解液厚度的 DSSC 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。
根據圖 3. 25 的結果，因為 3A 和 3B 的最低能態電壓往下位移了 0.02 V，因此若將 3A 和 3B 往上調整 0.02 V，使得四者的最低能態電壓相似，我們可由圖 3. 26 中發現四 者的電子生命期與調整過的開路電壓之間的關係並不隨著電解液厚度而變。理論上即使 電解液厚度越厚，電解液內的三碘離子(I3-)的濃度依然是相同的，加上 ATO 的染料吸附 量相似，表面覆蓋率相似的條件下，電子與三碘離子的反應速率並不隨著電解液厚度而 改變。
假若我們的論點是正確的話，電子的生命期應與在表面態上的電子密度有關，也就 是電子的生命期是與表面態上的 DOS 有相關的。又因為化學電容與 DOS 是呈正比，所 以電子生命期會與表面態的化學電容呈現指數函數的關係。圖 3. 27 為在不同的電解液 厚度下化學電容與電子生命期之間的關係圖，四者呈現出指數函數關係，而且非常類 似。
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1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
0.04 0.06 0.08 0.1 0.2 0.4 0.6
3A 3B 3C 3D
Electron Lifetime / s
Capacitance / mF
圖 3. 27 不同電解液厚度的 DSSC 電子生命期與電容的關係圖。
總之，我們發現在相同管長之下，電解液的厚度不會影響到電子的擴散速率和電子 的生命期變化，但是會影響到最低的表面態的電壓，造成開路電壓的改變。