以不同濃縮比二氧化鈦溶膠製作染敏太陽電池之研究

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以不同濃縮比二氧化鈦溶膠製作染敏太陽電池之研究

林維恩

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_、姚品全

2* 1

_{大葉大學電機工程研究所(彰化縣大村鄉學府路 168 號)}

2*

_{大葉大學材料科學與工程學系(彰化縣大村鄉學府路 168 號)}

*

pcyao@mail.dyu.edu.tw

摘要本研究以溶膠-凝膠法（sol-gel method），調配不同濃縮比例之TiO2鍍膜液，其濃縮比為 1:3 (鍍膜液

A)、1:9 (鍍膜液B)與 1:10 (鍍膜液C)。以旋轉塗佈法，於氧化銦錫 (Indium Tin Oxide, ITO)透明導電玻璃上

成膜，經 450o_{C通空氣鍛燒後，做為染料敏化太陽電池(Dye-sensitized solar cell, DSSC)的工作電極。以高濃}

縮比鍍膜液成膜，可以減少多層塗佈所導致的製程失誤，有助於加速DSSC製作速度。本研究之目的在探討於相同的製程條件與工作電極厚度下，以不同的濃縮比例所製作的工作電極，對DSSC光伏特性之影響。在標準模擬光源(AM1.5)照射下，量測得到光電轉換效率，以鍍膜液A成膜元件: Jsc = 4.07 mA/cm2、Voc = 0.60 V、η = 1.32%；以鍍膜液B成膜元件 Jsc =3.54 mA/cm2、Voc =0.58 V、η = 1.12%，而以鍍膜液C成膜元件可以達到: Jsc =7.69 mA/cm2、Voc =0.60 V、η = 1.98%。由此可得知，以高濃縮比鍍膜液成膜所得DSSC 元件，其短路電流有明顯的增加，而光電轉換效率也有明顯提升，因此是一種簡易的工作電極製作方式，同時亦可提升DSSC元件光伏轉換效率。關鍵詞：溶膠-凝膠法（sol-gel method）、二氧化鈦(TiO2)、染料敏化太陽電池(DSSC) 前言染敏太陽能電池的研究中，工作電極扮演了非常重要的角色。而光電轉換效率除了取決於白金對電極、奈米二氧化鈦工作電極的結構、染料及電解質之外，工作電極的厚度是一個重要的因素，厚度對於工作電極內部的電子擴散及傳輸[1-3]有直接的影響，這影響將會反應在開路電壓、短路電流、填充因子及光電轉換效率上。目前大多的太陽能電池都是選用矽為原料，但是，矽製作的太陽能電池，製程複雜、成本昂貴，又兼具有生產與製造能力的廠商也不多，因此難以大規模普及。因此，應該往簡單製成的染料敏化太陽能電池去發展。染料敏化太陽能電池是以TiO2來當電極的太陽能電池，利用其高表面積特性來吸附染料，組成元件之後進行照光，光電轉換效率可以高達 10%~12%，這種光電轉換效率與非晶矽太陽能電池的轉換效率相近，藉此可知，染料敏化太陽能電池具有商業化的機會。

一般來說製備奈米二氧化鈦薄膜的方法有液相沈積法（Liquid Phase Deposition）[4-5]、物理氣相沈積法（Physical Vapor Deposition）[6]、化學氣相沈積法（Chemical Vapor Deposition）[7]、溶膠－凝膠法（Sol-Gel Method）[8-10]等。其中溶膠（Sol）的定義為粒徑在 1－100 nm 之間的膠體粒子，藉由凡得瓦爾力及電雙層作用下，產生布朗運動而均勻分散於液相中，而形成所謂的溶膠。1991 年Gratzel[11-12]是用溶膠凝膠法，以Ti(i-OC3H7)4 或Ti(OC4H9)4 水解後，在特定溫度下形成TiO2 奈米溶膠，經真空蒸發濃縮得到凝膠。加入分散劑後，在透明導電層上舖展、燒結。依需求得到相同的膜厚，其晶粒大小約奈米等級。此系統基本上是以兩片透明導電玻璃(ITO)所組合而成的。兩片ITO導電玻璃中夾有奈米二氧化鈦薄膜、染

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料、電解液以及白金等物質。而玻璃的製備，一片作為工作電極，主要是將二氧化鈦所製成的膠體溶液，以旋轉塗佈的方式，均勻塗抹於ITO導電玻璃上，經由高溫燒結，形成工作電極。再將工作電極泡入染料中 12 小時以上。另一片則利用真空濺鍍的方式，度上一層白金薄膜，當成對電極使用。最後整合兩片導電玻璃，利用毛細孔原理，再將電解液注入，使二氧化鈦薄膜，被含有氧化還原對的電解液所填滿，相對的白金的對電極玻璃也被包覆，作為氧化還原反應的催化劑。此為染料敏化太陽能電池的結構。本研究將針對已自行調配的TiO2溶凝膠法為主體，進行不同濃縮比例的濃縮。以旋轉塗佈於ITO導電玻璃上做為染料敏化太陽能電池的工作電極，並於相同厚度下，組成元件後探討光電性質的影響。

實驗方法

本次實驗將配製Sol-Gel TiO2 (溶膠-凝膠法二氧化鈦) 鍍膜液，將75ml(TTIP) Titanium (IV) i-propoxide + 4.5ml Nitric Acid 於450ml去離子水，以磁石攪拌加熱機將溫度控制於80℃並持續攪拌8小時，然後冷卻並進行過濾濃縮，將二氧化鈦溶液濃縮成1:3、1:9、1:10(接下來將以鍍膜液A、B、C來表示)，最後將4g Polyethylene glycol，PEG(MW=20,000)分別加入濃縮後的溶液中，平均攪拌6小時，即完成奈米二氧化鈦鍍膜液。再以2×2 cm2_{ITO導電玻璃作為基板，分別在基板上以旋轉塗佈法將二氧化鈦鍍膜液及Pt以濺鍍的方} 法，分別塗上0.5×0.5 cm2_{作為工作電極以及對電極，工作電極經450℃燒結退火，膜厚分析之後，浸泡染} 料，與對電極進行整合。再以HMT-SCE(標準光譜為AM1.5太陽光模擬器下，光源強度：100 mW/cm2)太陽能電池效能檢測軟體，進行光電轉換效率量測、電化學阻抗頻譜分析儀 (Electrochemical impedance spectroscopy，EIS)測試DSSC元件的內部阻抗、使用可見光譜儀(UV-Vis)作工作電極對染料吸附量的量測，

最後再利用冷場發射型掃描式電子顯微鏡(Field Emission-Scanning Electro Microscopy)觀察工作電極的表面

形貌及TiO2厚度。結果與討論本次實驗所探討的為二氧化鈦鍍膜液於不同濃縮比例下，Voc、Jsc(mA)、FF和η(%)的光電性質於相同厚度下會有哪些差異。首先先經由FE-SEM來觀察工作電極是否處於相同厚度(圖一)。經觀察之後，三種鍍膜液的厚度接近，約為 650nm ±5nm。因此在相同厚度的情況下，進行其它光伏效應量測。經由UV-vis(圖二)可以得知，鍍膜液C由於經過較長時間的反應，產成再結晶，導製TiO2顆粒較為大顆，造成比表面積的降低，所以染料吸附量較為鍍膜液A來的高[13]，再經由光散射於工作電極中，導致電流的提升，進而影響到光電轉換

效率。I-V Curve(圖三)可以發現鍍膜液C的JSC明顯高於鍍膜液A，由於吸附的染料較多，導致電子在工作

電極內的傳導及擴散速率較其它鍍膜液優異，因而產生較低的阻抗(圖四) ，與I-V Curve的結果相符合。結論經由本次實驗可以發現，鍍膜液越濃稠，可能因為反應時間較長，造成二氧化鈦顆粒大小的改變，導致表面積的改變因而染料吸附量的不同，影響電池元件的電流值，進而影響到其光電轉換效率。結果發現不同濃縮比例的染敏太陽電池元件其JSC從 4.07 mA/cm2提升至 7.69 mA/cm2，而光電轉換效率由 η=1.32%躍增為η=1.98%。 參考文獻

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圖一、(a) 鍍膜液 A、(b) 鍍膜液 B、(c) 鍍膜液 C

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圖三、不同濃縮比例之鍍膜液 A、B、C 之 I-Vcurve 比較圖表一、不同濃縮比例之鍍膜液 A、B、C 之 I-Vcurve 數據比較 Voc, V Jsc, mA/cm 2 FF%

η, %

鍍膜液 A 0.60 4.07 54.0 1.32 鍍膜液 B 0.57 3.54 55.1 1.13 鍍膜液 C 0.31 7.69 42.6 1.98

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圖五、不同濃縮比例之鍍膜液 A、B、C 之 EIS 阻抗分析比較圖表二、不同濃縮比例之鍍膜液 A、B、C 之 EIS 阻抗分析數據比較 R1 R2 R3 鍍膜液 A 37.01 171.4 171.6 鍍膜液 B 23.26 154.8 153.1 鍍膜液 C 11.83 171.9 171.1