第三章 結果與討論
3.1. ATO 製程誤差的影響
我們選取製程為固定電壓 60 V 成長 1 小時後轉成固定電流密度 5.6 mA cm-2 成長 1 小時的 ATO，ATO 厚度經由-step 測量為 21 m，如圖 3. 1 所示。ATO 試片裁切成大小 為 1 公分×1.5 公分(~2 公分)，保留 0.4 公分×0.4 公分的工作面積，其餘部分磨除奈米管 的部分而露出金屬層，再將試片置於高溫爐以 460 ℃對金屬裸露部分進行氧化層的成長，
以增加電阻值，避免與電解液接觸時產生漏電的情形。
0 10 20 30
Scan Distance
1A 1B 1C
ATO Thickness / m
Ti Substrate
ATO Thickness
圖 3. 1 不同次奈米管製程的奈米管的實際厚度圖。
ATO 試片置於 3 毫升 2×10-4 M 的 N719 溶液(ACN:t-BuOH=1:1)，在 40 ℃的水浴中 浸泡 1 小時，取出後以乙醇沖洗烘乾。再將吸附染料的奈米管試片浸泡於 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. 2。在波長 為 500 nm 時的吸收度分別為(1A)0.040、(1B)0.039 和(1C)0.038，經過式(2. 3)換算後，染 料吸附量分別為 117、114 與 111 nmol cm-2。
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500 600 700 800
0.00 0.01 0.02 0.03
0.04 1A
1B 1C
Abs
Wavelength / nm
圖 3. 2 以 0.1M NaOH(aq)脫附不同次奈米管製程的 ATO 的吸收光譜圖。
21 m ATO 試片、25 m 熱縮膜與鉑對電極所組成的 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. 3 所示。其相對應的數據以表 3. 1 顯示。
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
0 2 4 6 8
10 1A
1B 1C
Current Density / mA cm-2
Voltage / V
圖 3. 3 不同次奈米管製程的 DSSC 的 I-V 特性曲線圖。
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表 3. 1 對於不同次 ATO 製程的 ATO-DSSC 的實驗結果，N719 的吸附 密度與其相關 I-V 特性係數。
奈米管 厚度(m)
Dyeloading (nmol cm-2)
Voc (mV)
Jsc
(mA cm-2)
ff
% 1A 21 117 756 10.43 0.61 4.83 1B 21 114 769 10.24 0.60 4.69 1C 21 111 778 9.83 0.61 4.65
從表 3. 1 這 3 個不同次奈米管製程的 DSSC 在 AM1.5G 的模擬太陽光源下的表現十 分相似：開路電壓約在 768±9 mV，短路電流約在 10.17±0.25 mA cm-2，趨勢與染料吸附 量相同，效率值約在 4.72±0.08 %。我們也可以發現 DSSC 若有較高的開路電壓，則短 路電流值則會較低，因此造成三個元件的效率表現相似，其中效率的趨勢與短路電流相 同，表示短路電流較開路電壓更會明顯影顯 DSSC 的效率。
400 500 600 700 800
0 20 40 60 80
1A 1B 1C
IPCE / %
Wavelength / nm
圖 3. 4 不同次奈米管製程的的 DSSC 在不同波長下的 IPCE 圖。
以 150 W 氙燈(Xe)為光源，以章節 2.6.2 的實驗方法得到 DSSC 在每個波長下的 IPCE，
如圖 3. 4 所示。從圖中可看出三個 DSSC 的轉換效率也是十分相似的，趨勢與 DSSC 的 染料吸附量、I-V 特性曲線得到的短路電流，以及效率相同。
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
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計為圖 2. 6。
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. 5。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 下的光電轉 換效率，雖然趨勢與圖 3. 4 不完全符合，但 DSSC-1B 和 1C 在 532 nm 的雷射下的 IPCE 的誤差僅在 2 %以下，因此可看作是測量上的誤差。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。
0 1 2 3 4 5 6 7 8
0 1 2 3 4 5
1A 59.8%
1B 54.6%
1C 55.6%
Charge Flux / 1016 cm-1 s-1
Photon Flux / 1016 cm-1 s-1 IPCE @ 532 nm
圖 3. 5 不同次奈米管製程的的 DSSC 在 532 nm 下的電子流量與光通量的關係圖。
圖 3. 6 為 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。我們 知道擴散係數與短路電流呈現 power-law 的關係，因此以 來進行擬合，
得到的值的帄均約為 3.38，誤差約在 0.36(10%)。這表示在最後｢不同 ATO 厚度｣的實 驗中，若要證明擴散係數的差異是因為 ATO 厚度度引起的，而不是因為陽極處理製程 間所導致的誤差，則得到的帄均值的誤差要大於 10 %。
因為三個 DSSC 的電流值扔有些許差異，不容易從圖 3. 6 直接比較電子在奈米管上 的擴散係數的值的差異，因此我們把擴散係數與光通量的關係整理如圖 3. 7，將三個
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Diffusion Coefficient / 10-4 cm2 s-1
Current Density / mA cm-2
Diffusion Coefficint (10-4 cm2 s-1 )
Photon Flux (1014 s-1)
圖 3. 7 不同次奈米管製程的的 DSSC 在不同強度的 532 nm 雷 射下的擴散係數與光通量關係圖。
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從圖 3. 8 可以看出這 3 個不同次奈米管製程所組成的 DSSC，在 ATO 上的電子生命 期是相似的，因為 3 個不同次奈米管製程所得到的奈米管厚度相似，吸附的染料量也相 似，這表示這三個 DSSC 表面覆蓋率是相似，也就是奈米管上電子與電解液中的氧化物 接觸的機率相似，因此再結合的反應速率常數相似的。
0.62 0.64 0.66 0.68 0.70 0.72 0.74 0.76 0.78
0.1 0.2 0.3 0.4
0.5 1A
1B 1C
Electron Lifetime / s
VOC / V
圖 3. 8 不同次奈米管製程的的 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。