綠色科學之教學活動設計--自製染料敏化太陽能電池

屏東教大科學教育 2007 年，25，73-84

綠色科學之教學活動設計

-自製染料敏化太陽能電池

胡焯淳、林自奮

國 立台 東 大 學 自然 科 學 教 育學 系 助 理 教授

李璿、張凱萍

國 立台 東 大 學 自然 科 學 教 育學 系 學 生

壹、前言

近 幾 年 來 ，隨 著 人 口 的增 長 及 工 業的 發 展 ， 地球 上 可 供 利用 的 能 源 逐漸 短 缺。除了 要 呼 籲人 們 節 省 能源 外，開 發其 他 可 再 生能 源 是 刻 不容 緩 的 事 情。可 再 生 能源 中，以 太陽 能 源 應 用於 生 活 中 最為 常 見，市 面上 太 陽 能車、太 陽 能熱 水 器 的 出現 ， 證 實 了太 陽 能 源 的利 用 已 被 高度 的 重 視 與廣 泛 的 開 發， Gratzel 等 人在 1991 年 發 表 光電 轉 換 率 達 8％ 的 低 值染 料 敏 化 太陽 能 電 池 (Dye Sensitized Solar Cells；DSSC) （Graztzel & O＇Regan， 1991）， 於 1997 年 其光 電 轉 換 率更 提 高 到 10～11％，此 一發 展 更 是 奠定 了 染 料 敏化 太 陽 能 電池 未 來 具 有相 當 大 的 發展 潛 力 （ 張仕 欣，民 94）。以 二 氧化 鈦 為 原 料，與 矽 晶 圓相 比，可 大幅 降 低 成 本，耐 熱 的 穩定 性 及 產 品透 明 度 也 更適 用 於 遮 陽車 窗 及 玻 璃鏡 面 （ 曾 玠郡 ， 2006）。 本 教 學 活 動所 設 計 的 染料 敏 化 太 陽能 電 池，目 的 在 於 教 導學 生 如 何 將太 陽 能 轉 換為 電 能，利 用 目前 耳 熟能 詳 的 奈 米級 銳 鈦 礦 型二 氧 化 鈦，也 就是 光 觸媒 之 一 (呂宗 昕，民 92)，結 合 生活 中 容 易 取得 之 材 料，製 作 出 太 陽能 電 池，亦 打 破 以 往 傳 統太 陽 能 電 池過 於 繁 複 的製 作 過 程 。

綠色科學之教學活動設計—自製染料敏化太陽能電池

貳、教學活動設計

一、學習領域：自然與生活科技 二、教學主題：太陽能電力公司 三、設計理念：

我 們 由 Wisconsin-Madison 大 學 Nanostructured Material Interdisciplinary Education Group 網 站 得 知本 實 驗 的 製作 過 程 ， 此實 驗 原 是 由

Smestad 所研發出

來的(http://www.solideas.com/solrcell/cellkit.html)，

Wisconsin-Madison 大 學 科 教 網 站加 以 改 進，其 實驗 結 果電 壓 值 在 照光 前 後 反 應相 當 明 顯，此 現象 可 供學 生 觀 察 並引 發 學 生 高度 的 好 奇 心， 藉 此 培 養學 生 觀 察 及獨 立 思 考 的能 力 。 根 據 網 站 上 製 作 太 陽 能 染 料 敏 化 電 池 的 原 製 備 過 程 先 將 二 氧 化 鈦 加 入 稀 釋 的 醋酸，以 及 介面 活 性 劑 (Triton X-100)後使 用 瑪 瑙研 缽 磨 至 光滑 膏 狀 即 可，利 用 三 用電 表 測 出 導電 玻 璃 的 導電 面，使 用膠 帶 將 導 電 玻 璃 三 側 黏 貼 固 定 於 桌 面 上 ， 將 磨製 好 的 二 氧化 鈦 用 玻 棒塗 抹 於 導 電面 上，完 成後 將 膠 帶 移除 後，把 二氧 化 鈦 面 朝下 放 到 加 熱器 (約 350o C) 10-20 分 鐘，顏 色 會 逐漸 變 成 咖 啡色，烤 到 一段 時 間 後 二氧 化 鈦 顏 色會 變 回 綠 色或 白 色，讓 其 在室 溫 下逐 漸 冷 卻，之 後泡 在 染劑 中 一 段 時間，使 用 水以 及 丙 酮 潤洗，將 另 一片 導 電 玻 璃的 導 電 面 在蠟 燭 的 火 焰上 燒 烤 至 整面 呈 現 黑 色即 為 碳 電 極，二 氧 化 鈦電 極 與 碳 電極 錯 合 側 邊加 入 電 解 液三 碘 化 鉀 溶液 ， 製 備 時使 用 0.5 M 碘 化 鉀 和 0.05 M 碘 在 無 水 的乙 二 醇 中 )， 電 解 液 會 因 毛細 現 象 擴 散， 太 陽 能 敏化 電 池 就 製作 完 成 。 因 為製 造 材 料 不易 取 得 且 製作 過 程 過 於繁 複，經 過數 次 實 驗 後加 以 簡 化，在 本 研究 中 利 用 一般 容 易 獲 得的 材 料 取 代複 雜 的 化 學藥 品，將 染料 太 陽 能 電池 的 製 作 方法 簡 化 ， 並提 供 先 製 備好 半 成 品 供學 生 使 用 以節 省 時 間 並簡 化 流 程 。 本 研究 中 以 藥 用的 碘 液 代 替原 本 的 電 解液，以 地 瓜葉 萃 取 出 的葉 綠 素 取 代 原 本 的藍 莓 染 劑，以 市售 清 潔劑 替 代 介 面活 性 劑，最 後 用家 用 食用 醋 酸 取 代冰 醋 酸 以 達到 有 效 分 散二 氧 化 鈦 的目 的。將 複雜 的 原 理 簡化 成 學 生 易懂 的 概 念，將 電 子 的 移動 以 深 入 淺出 的 方 式 向學 生 說 明 ：染 劑 吸 收 太陽 光 以 後 ，從 基 態 跳 到激 發

綠色科學之教學活動設計—自製染料敏化太陽能電池 態，釋出 一 個 電子，電 解 液馬 上 補 充 染劑 一 個 電 子；二 氧 化 鈦照 光 後 產 生電 子 跟 電 洞，染 劑 的 電子 跑 到 電 洞中，二 氧 化鈦 釋 出 一 個電 子，經 過外 迴 電 路 到了 電 解 液，染劑 接 受 電解 液 的 電 子後 恢 復 到 穩定 的 狀 態，染劑 又 開 始吸 收 光 能，不斷 的 循 環著，將 光 能轉 換 為 電 能（ 張 仕 欣，民 94）。使用 學 習 單 的輔 助，藉 此了 解 學 生 多元 的 想 法。搭 配 學 習 單，了 解 學 生對 染 料 敏 化太 陽 能 電 池的 認 知 及 吸收 程 度。 四、單元目標： 1、 學 生 能 體 會到 開 發 可 再生 能 源 的 重要 性 。 2、 學 生 能 利 用方 法 判 別 是否 能 導 電 。 3、 學 生 能 夠 列出 二 氧 化 鈦在 日 常 生 活中 的 應 用 。 4、 學 生 能 觀 察出 電 壓 改 變的 變 因 與 光線 有 關 。 5、 學 生 能 從 本實 驗 中 體 會到 太 陽 能 是可 被 利 用 的能 源 。 6、 能 藉 由 此 一實 驗 ， 喚 醒學 生 愛 惜 地球 上 能 源 的意 識 。 五、教材分析： 1、 太 陽 能 為 可 再 生 能 源 中 最 易 取 得 的 能 源 ， 再 加 上 課 程 中 教 師 雖 有 提 起 但 未 深 入 探 討 其 原 理 及 種 類 ， 藉 由 此 教 學 活 動 了 解 染 料 敏 化 太 陽 能 電 池 的 原 理 與 簡 易 製作 過 程 。 2、 教 學 過 程 中 採 小 組 活 動 進 行 分 組 實 驗 ， 開 放 更 多 問 題 讓 學 生 親 自 實 驗 、 自 行 思 考、 觀 察 並 紀錄 實 驗 過 程。 3、 讓 學 生 由 舊 經 驗 來 連 結 新 概 念 。 例 如 ： 學 生 利 用 之 前 所 學 「 通 路 」 之 觀 念 ， 來 判別 導 電 玻 璃的 導 電 面 。 4、 本 單 元 活 動設 計 較 適 合國 小 高 年 級學 童 。 六、九年一貫學習能力指標： 1-3-1-1 能 依 規畫 的 實 驗 步驟 來 執 行 操作 。 1-3-4-4 由 實 驗的 結 果 ， 獲得 研 判 的 論點 。

綠色科學之教學活動設計—自製染料敏化太陽能電池 1-3-5-4 願 意 與同 儕 相 互 溝通 ， 共 享 活動 的 樂 趣 。 5-3-1-3 相 信 現象 的 變 化 有其 原 因 ， 要獲 得 什 麼 結果 ， 需 營 造什 麼 變 因 。 4-2-4 能 運 用 簡單 的 科 技 以及 蒐 集 、 運用 資 訊 來 探討 、 了 解 環境 及 相 關 的議 題 。 七、教學時間：共 80 分鐘(兩節) 八、教學流程 教 學 活 動 ： 太 陽 能 電 力 公 司 能 力 指 標 1-3-1-1、 1-3-4-4、 1-3-5-4、 5-3-1-3、 4-2-4 教 學 時 間 80 分 鐘 教 學 目 標 1-1 學 生 能 說 出 目 前 使 用 的 其 中 三 種 能 源 。 1-2 學 生 能 比 較 再 生 能 源 與 非 再 生 能 源 的 差 別 。 1-3 學 生 能 體 會 資 源 有 限 ， 開 發 再 生 能 源 重 要 性 。 2-1 學 生 可 以 利 用 迴 路 判 別 物 質 是 否 可 導 電 。 2-2 學 生 可 以 利 用 三 用 電 表 判 別 物 質 是 否 可 導 電 。 3-1 學 生 能 說 出 二 氧 化 鈦 在 日 常 生 活 中 的 其 中 一 種 應 用 。 4-1 學 生 能 從 照 光 變 因 的 改 變 ， 觀 察 出 電 壓 值 的 不 同 。 4-2 學 生 能 從 三 用 電 表 的 電 壓 值 變 化 ， 推 導 出 影 響 電 壓 改 變 的 因 素 。 4-3 學 生 能 改 變 其 他 照 光 變 因 ， 比 較 實 驗 結 果 的 差 異 。 5-1 學 生 能 從 實 驗 中 體 會 到 太 陽 能 電 池 需 要 光 。 5-2 學 生 能 體 會 到 太 陽 能 是 可 被 利 用 的 能 源 。 6-1 學 生 能 了 解 綠 色 能 源 為 不 會 造 成 污 染 的 能 源 。 6-2 學 生 能 提 出 一 種 節 約 能 源 的 方 法 。 教 具 使 用 1、 染 料 敏 化 太 陽 能 電 池 教 學 相 關 投 影 片 。 2、 學 習 單 。 3、 非 再 生 、 可 再 生 能 源 相 關 比 較 。 4、 三 用 電 表 、 小 燈 泡 座 、 省 電 燈 管 檯 燈 。 實 驗 材 料 1、 導 電 玻 璃 2、 二 氧 化 鈦 (7nm， 銳 鈦 礦 型 ， anatase) 3、 染 劑 (用 酒 精 萃 取 地 瓜 葉 的 葉 綠 素 ) 4、 藥 用 碘 液 5、 碳 電 極 (用 蠟 燭 燒 )

綠色科學之教學活動設計—自製染料敏化太陽能電池 教 學 步 驟 教 學 資 源 教 學 評 量 一 、 準 備 活 動 1、以「 太 陽 能 電 力 公 司 」為 主 題，讓 學 生 發 表 自 己 曾 經 聽 過 或 看 過 的 太 陽 能 產 品 。 2、引 導 學 生 回 答 出 除 了 太 陽 能 外，還 有 哪 些 能 源 ？ 進 而 讓 學 生 自 行 將 提 出 的 能 源 分 類 成 可 再 生 能 源 及 非 再 生 能 源 ， 並 比 較 其 不 同 。 3、 讓 學 生 知 道 非 再 生 資 源 還 可 使 用 的 年 限 剩 下 多 少，喚 醒 學 生 愛 護 資 源，進 而 開 發 再 生 資 源 的 危 機 意 識 。 4、太 陽 能 為 可 再 利 用 能 源，而 我 們 今 天 就 是 要 學 習 一 種 利 用 太 陽 能 的 方 式 ， 製 作 太 陽 能 電 池 。 二 、 發 展 活 動 1、 介 紹 主 要 材 料 (導 電 玻 璃、二 氧 化 鈦、正 負 電 極 ) 2、 測 試 導 電 玻 璃 的 導 電 面 ： 方 法 一 ： (1) 讓 學 生 觀 察 是 否 可 使 用 肉 眼 看 出 導 電 玻 璃 兩 面 的 不 同 。 (2) 先 組 裝 一 個 燈 泡 的 迴 路 ， 測 試 燈 泡 是 否 會 亮 。 (3) 確 定 通 路 形 成 後，將 導 電 玻 璃 加 入 迴 路 中，再 次 檢 測 燈 泡 是 否 會 亮 。《 圖 三 》 (4) 將 導 電 玻 璃 換 面，第 二 次 檢 測 燈 泡 是 否 會 亮，並 且 將 能 使 迴 路 導 電 的 導 電 面 朝 上 。 (5) 結 論 ： 導 電 玻 璃 只 有 其 中 一 面 具 有 導 電 性 。 非 再 生 、 可 再 生 能 源 相 關 比 較 導 電 玻 璃 、 二 氧 化 鈦 燈 泡 、 電 池 、 電 池 座 、 導 電 玻 璃 學 生 能 發 表 自 己 的 想 法 學 生 能 自 行 組 裝 一 個 迴 路 學 生 能 從 實 驗 中 得 知 導 電 玻 璃 的 導 電 面

綠色科學之教學活動設計—自製染料敏化太陽能電池 《 圖 三 》 利 用 燈 泡 迴 路 測 量 導 電 玻 璃 能 否 導 電 3、 介 紹 二 氧 化 鈦 。 舉 出 生 活 中 含 有 二 氧 化 鈦 的 物 質：白 色 油 漆、立 可 白、立 可 帶，說 明 其 用 途 (何 鎮 揚 、 陳 雅 玲 、 廖 家 榮 ， 2004)。 用 來 做 染 料 敏 化 太 陽 能 電 池 的 二 氧 化 鈦 顆 粒 非 常 的 細 小，對 光 會 非 常 敏 感，光 照 後 會 產 生 電 子 跟 電 洞，電 子 帶 負 電 ， 電 洞 帶 正 電 ， 所 以 可 以 吸 收 太 陽 光 的 能 量 ， 將 光 能 轉 換 成 電 能 。《 圖 四 》 《 圖 四 》 光 觸 媒 二 氧 化 鈦 示 意 圖 4、 製 作 染 料 敏 化 太 陽 能 電 池 。《 圖 五 》 《 圖 五 》 染 料 敏 化 太 陽 能 電 池 示 意 圖 (1) 步 驟 一 ： 製 作 碳 電 極 。 先 測 試 導 電 玻 璃 的 導 電 二 氧 化 鈦 (7nm ， 銳 鈦 礦 型 ， anatase) 二 氧 化 鈦 碳

綠色科學之教學活動設計—自製染料敏化太陽能電池 面 ， 將 導 電 面 朝 向 蠟 燭 ， 在 燭 火 中 迅 速 晃 動 ， 使 碳 均 勻 附 著 在 導 電 面 上 。 (2) 步 驟 二：放 映 投 影 片，觀 賞 負 電 極 的 製 作 過 程 。 (因 為 時 間 及 設 備 限 制 ， 無 法 讓 學 生 在 課 堂 上 實 際 演 練 ) (3) 步 驟 三：將 正 負 電 極 錯 合，在 其 中 滴 入 碘 液 (電 解 液 )， 用 膠 帶 纏 緊 。 (4) 步 驟 四：用 三 用 電 表 測 量 電 壓，將 三 用 電 表 調 至 2000 毫 伏 特 ， 觀 察 其 電 壓 值 。 (5) 步 驟 五：將 染 料 敏 化 太 陽 能 電 池 置 入 省 電 燈 管 檯 燈 下 ， 讓 學 生 觀 察 檯 燈 開 關 間 其 電 壓 值 變 化 。 三 、 綜 合 活 動 1、 將 染 料 敏 化 太 陽 能 電 池 置 於 檯 燈 下，碳 電 極 面 朝 上 ， 觀 察 其 電 壓 值 變 化 ， 填 寫 於 學 習 單 中 。 2、 將 染 料 敏 化 太 陽 能 電 池 置 於 檯 燈 下，調 整 太 陽 能 電 池 與 檯 燈 燈 管 間 的 距 離，觀 察 其 電 壓 值 變 化 ， 填 寫 於 學 習 單 中 。 3、 將 太 陽 能 電 池 置 於 檯 燈 下，以 檯 燈 模 擬 太 陽 光 ， 分 別 改 變 太 陽 能 電 池 的 傾 斜 角 度 (左 傾 45 度、水 平 放 置、右 傾 45 度 的 照 光 )，注 意 太 陽 能 電 池 與 檯 燈 間 的 距 離 不 可 改 變（ 15 公 分 ），觀 察 其 電 壓 值 變 化 ， 填 寫 於 學 習 單 中 。 4、 將 太 陽 能 電 池 放 在 太 陽 下，讓 學 生 觀 察 其 電 壓 值 變 化 將 測 量 出 的 電 壓 值 填 寫 於 學 習 單 上 5、 讓 學 生 自 由 改 變 照 光 變 因，觀 察 其 電 壓 值 變 化 ， 將 測 量 出 的 電 壓 值 填 寫 於 學 習 單 上，並 說 明 改 變 電 壓 值 的 原 因 為 光 的 強 弱、光 的 多 寡、太 陽 能 電 池 與 檯 燈 的 位 置 (遠 近、角 度 )，小 組 討 論 後 上 台 發 表 。 蠟 蠋 、 鎳 子 製 作 負 電 極 的 投 影 片 碘 液 、 膠 帶 三 用 電 表 檯 燈 學 習 單 學 習 單 學 習 單 學 習 單 學 習 單 學 生 能 合 作 ， 製 作 出 光 敏 化 太 陽 能 電 池 學 生 能 比 較 各 種 照 光 情 形 下 的 電 壓 差 異 ， 及 填 寫 出 學 習 單 上 相 關 問 題

綠色科學之教學活動設計—自製染料敏化太陽能電池 四 、 結 論 1、 所 以 我 們 可 以 得 知 ： 影 響 太 陽 能 電 池 的 主 因 是 光，光 的 強 弱、多 寡 會 造 成 電 壓 值 的 改 變。光 照 強 時 ， 電 壓 值 較 高 ； 光 照 弱 時 ， 電 壓 值 較 弱 。 2、 講 述 染 料 敏 化 太 陽 能 電 池 的 原 理。染 劑 吸 收 太 陽 光 以 後，從 基 態 跳 到 激 發 態，釋 出 一 個 電 子，電 解 液 馬 上 補 充 染 劑 一 個 電 子；二 氧 化 鈦 照 光 後 產 生 電 子 跟 電 洞，染 劑 的 電 子 跑 到 電 洞 中，二 氧 化 鈦 釋 出 一 個 電 子，經 過 外 迴 電 路 到 了 電 解 液，染 劑 接 受 電 解 液 的 電 子 後 恢 復 到 穩 定 的 狀 態，染 劑 又 開 始 吸 收 光 能，不 斷 的 循 環 著，將 光 能 轉 換 為 電 能 。 《 圖 六 》 染 料 敏 化 太 陽 能 電 池 電 流 示 意 圖 3、綠 色 能 源 是 指 能 源 消 耗 之 後 可 以 恢 復 補 充，很 少 產 生 污 染，也 就 是 我 們 之 前 提 到 的 可 再 生 能 源 ， 例 如：水 能、生 物 能、太 陽 能、風 能、地 熱 能 和 海 洋 能 等 。 4、學 會 太 陽 能 電 池 之 後，讓 學 生 知 道 太 陽 能 是 可 以 被 我 們 所 利 用 的，我 們 學 會 了 一 種 利 用 能 源 的 方 法，但 是 節 約 能 源 也 是 相 當 重 要 的，由 學 生 發 表 如 何 節 約 能 源 。 染 料 敏 化 太 陽 能 電 池 原 理 投 影 片 讓 學 生 發 表 平 日 如 何 節 省 能 源

綠色科學之教學活動設計—自製染料敏化太陽能電池 九、教學評量 1、 形 成 性 評 量 ： 教 師 經 由 組 間 巡 視 理 解 學 生 的 討 論 狀 況 、 參 與 情 形 ， 給 予 口 頭 上 的指 導 。 2、 藉 由 活 動 學習 單 的 輔 助， 確 實 掌 握學 生 的 學 習狀 況 與 紀 錄。 3、 總 結 性 評 量 ： 經 由 後 測 的 結 果 ， 了 解 學 生 課 後 對 染 料 敏 化 太 陽 能 電 池 的 迷 思 概 念是 否 解 除 。 十、教學準備 教 師： 1、 參閱 Wisconsin-Madison 大 學 的科 教 網站 ， 了 解 其實 驗 原 理 、步 驟 、 結 果 ，再 加 以 簡 化， 以 深 入 淺入 的 方 式 教導 學 生 。 2、 準 備 實 驗 所 需 材料 。 3、 事 先 製 備 負 電 極。 4、 設 計 學 習 單 。 5、 將 無 法 實 際 演 練的 步 驟 ， 製作 成 投 影 片， 以 利 學 生了 解 。

参、教學建議

1、 建 議 教 師 勿 將 教 學 重 點 全 盤 放 在 染 料 化 太 陽 能 電 池 的 製 作 上 ， 應 加 強 節 約 能 源 的概 念 ， 並 對綠 色 能 源 有更 進 一 步 的認 識 。 2、 學 生 會 將 二 氧 化 鈦 聽 成 二 氧 化 碳 ， 因 為 發 音 太 為 相 似 ， 再 加 上 學 生 對 二 氧 化 碳 較 為 熟 悉 ， 教 師 可 將 二 氧 化 鈦 寫 在 黑 板 上 ， 並 建 議 在 課 堂 上 展 示 二 氧 化 鈦 粉 末， 加 深 學 生印 象 。 3、 由 於 學 生 無 法 實 際 製 作 負 電 極 ， 部 分 學 生 認 為 導 電 玻 璃 上 的 二 氧 化 鈦 是 膠 帶 黏 上 去 的 ， 所 以 教 學 上 建 議 教 師 使 用 投 影 片 輔 助 教 學 ， 讓 學 生 明 白 負 電 極 的 製 作過 程 。 或 者讓 學 生 實 際觀 察 二 氧 化鈦 粉 末 以 幫助 了 解 。

綠色科學之教學活動設計—自製染料敏化太陽能電池 4、 部 分 學 生 認 為 黑 色 的 碳 電 極 即 為 太 陽 能 板 。 因 為 在 學 生 的 認 知 觀 念 中 認 為 ： 太 陽 能 相 關 產 品 一 定 都 需 要 太 陽 能 板 ， 而 且 深 入 為 主 的 觀 念 認 為 太 陽 能 板 一 定 都 是 黑 色 的 。 所 以 教 師 在 教 授 此 一 概 念 時 ， 可 以 拿 碳 電 極 跟 乾 電 池 裡 的 碳 電 極 作 比 較 ， 向 他 們 說 明 碳 電 極 只 是 輔 助 用 的 電 極 ， 真 正 與 陽 光 進 行 反 應 的 是 二 氧 化 鈦 。 也 可 以 比 較 將 二 氧 化 鈦 面 朝 向 光 源 跟 碳 電 極 朝 向 光 源 時 電 壓 值 有 何 差 異 。 實 驗 結 果 可 以 明 顯 發 現 當 將 碳 電 極 朝 向 光 源 時 ， 電 壓 不 會 明 顯 上 升，利 用 此 一 結果 向 學 生 說明，真 正 吸收 光 能 的 不是 碳 電 極，而 是 二 氧 化 鈦 。 5、 在 進 行 正 負 電 極 交 錯 組 合 時 ， 由 於 教 具 太 小 ， 導 致 學 生 觀 察 不 易 ， 建 議 教 師 可 使 用 投 影 片 ， 講 授 交 錯 組 合 的 用 途 與 目 的 ； 或 是 請 學 生 分 組 到 教 室 前 面 來 了 解 如 何 操 作 交 錯 組 合 電 池 。 因 為 此 步 驟 為 染 料 敏 化 太 陽 能 電 池 的 最 後 關 鍵 ，教 師 務 必 確保 學 生 都 已正 確 完 成 ，才 能 進 行 測量 電 壓 的 部份 。 6、 染 料 太 陽 能 電 池 產 生 電 子 流 動 的 原 理 過 於 繁 雜 ， 且 高 年 級 學 生 無 法 理 解 電 子 流 動 後 在 外 迴 電 路 接 上 電 器 後 即 可 被 我 們 所 利 用 ， 建 議 教 師 在 外 迴 電 路 中 裝 上 燈泡 ， 以 發 亮的 燈 泡 輔 助原 理 的 講 解。 7、 三 用 電 表 的 測 量 方 法 不 夠 生 活 化 ， 在 講 解 時 可 多 利 用 時 間 說 明 ， 使 學 生 可 以 推 論電 壓 上 升 是因 為 照 射 太陽 光 的 關 係。 8、 三 用 電 表 轉 盤 標 示 不 夠 明 確 ， 導 致 學 生 無 法 轉 至 正 確 位 置 ， 建 議 教 師 可 在 三 用 電表 的 電 壓 測定 值 的 位 置畫 上 記 號 ，以 利 學 生 使用 。 9、 教 學 過 程 中 ， 學 生 提 出 溫 度 上 升 ， 會 導 致 電 壓 值 升 高 。 經 實 驗 證 明 後 ， 溫 度 上 升 電 壓 值 下 降 。 可 以 將 染 料 敏 化 太 陽 能 電 池 置 入 冰 桶 中 降 溫 後 ， 放 在 檯 燈 下 使溫 度 慢 慢 回升 ， 可 以 觀察 出 電 壓 值逐 漸 下 降 。 10、 本 實 驗 中 所 使 用 的 地 瓜 葉 色 素 在 酸 性 中 會 呈 現 黃 色 ， 在 鹼 性 中 則 呈 現 墨 綠 色 ， 亦 可 作 為 酸 鹼 指 示 劑 ， 課 程 的 設 計 亦 可 將 『 自 製 天 然 酸 鹼 指 示 劑 』 與本 課 程結 合 ， 作 為兩 星 期 的 活動 。

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肆、補充資料

1. 二 氧化 鈦 俗 稱 鈦白 粉，一 共有 三 種 結 晶型 態：金 紅石（rutile）、銳 鈦 礦（ anatase） 與 板鈦 礦（ brookite），以 前兩 者 含 量 最多，應 用 也最 廣，目 前市 面 上 所 使用 的 光 觸媒 是 銳 鈦 礦的 型 態，而 一 般 的 白 色漆 或 立 可 白中 所 含 的 二氧 化 鈦 為 金紅 石 的 晶態 ， 不 具 光觸 媒 的 性 質。（ 呂 宗 昕， 民 92）。

2. 導 電玻 璃 為 將 透明 的 導 電 物質 如 銦 銻 氧化 物

(indium tin oxide，ITO)

塗 佈在 玻 璃 上， 使 其 變 為可 以 導 電 的玻 璃 ， 廣 泛運 用 於 光 電產 業 。 3. 負 電極 的 製 備 過程 ： 步 驟 1、將 數 滴已 稀 釋 的 家用 醋 酸 及 2 滴 市 售 清 潔劑 加 入 一 匙的 二 氧 化 鈦中， 並 用 瑪瑙 研 缽 研 磨。 步 驟 2、 用 三 用電 表 測 量 導電 玻 璃 的 電阻 值 ， 確 認導 電 玻 璃 的導 電 面 。 步 驟 3、 在 導 電玻 璃 的 非 導電 面 上 切 割。 步 驟 4、 將 玻 璃用 膠 帶 在 三側 固 定 。 步 驟 5、 在 導 電面 塗 上 二 氧化 鈦 ， 最 後用 玻 棒 將 其推 均 勻 。 步 驟 6、 放 在 加熱 板 上 烤 30 分 鐘 。 步 驟 7、 製 作 染料 。 將 地 瓜葉 溶 在 酒 精中 隔 水 加 熱萃 取 。 步 驟 8、 從 高 溫爐 取 出 後 ，放 入 染 劑 中浸 泡 一 天 。 4. 染 料敏 化 太 陽 能電 池 的 工 作原 理 ： 染 料 分 子 吸 收 太 陽 光 能 後 將 之 基 態 (Ground State) 的 電 子 躍 遷 到 激 發 態 (Excited State)，但 激 發 態 的電 子 很 不 穩定，因 此 激發 態 的 電 子快 速 注 入 到緊 鄰 的 TiO2傳 導帶，染 料 失 去 的 電子 則 很 快 從電 解 質 中 得到 補 償，進 入 傳 導 帶 TiO2中 的 電 子最 終 進 入 ITO 導 電 層 ，然 後 通 過 外迴 路 產 生 光電 流 （ 張 仕欣 ， 民 94）。

綠色科學之教學活動設計—自製染料敏化太陽能電池 註 ：學 習 單 請 參考 電 子 全 文版 http://www.npue.edu.tw/academic/grad-ms/science/magazine/contents/magazine25.htm

參考文獻

呂 宗昕 (2003)。 圖 解 奈 米 科 技 與 光 觸 媒 。 台北 ： 商周 。 何 鎮揚、陳 雅 玲、廖 家 榮 (2004)。奈 米 科 技 交 響 曲 化 學篇。台 北：台 大出 版 中 心 。 張 仕欣 （ 2005）。 奈 米 粉 體於 染 料 敏 化太 陽 能 電 池之 應 用 。工 業 材 料 雜 誌 ，225， 91-94。 曾 玠郡 （ 譯 ）（2006）， D. M. Kammen 著 。 擁 抱 再生 能 源 。 科 學 人 ， 56，96-97。

Titanium Dioxide Raspberry Solar Cell.（ 2005, November 28） .

Wisconsin:Nanostructured Material Interdisciplinary Education Group. Retrieved March 8, 2006, from the World Wide Web:

http://mrsec.wisc.edu/Edetc/nanolab/index.html

Gratzel, M ＆ O’Regan, B（ 1991） . A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films. Nature, 353, 737-739.