增添光散射顆粒對改進染料敏化太陽能電池效率之研究

Improving the Dye sensitized Solar Cell Efficiency by Incorporating Light Scattering Particles in the Anode

劉瑋倫(Wei-Lun Liu)

指導教授 ： 林滄浪

國立清華大學/原子科學院/工程與系統科學系/碩士(2011年)

https://doi.org/10.6843/NTHU.2011.00142

摘要

本論文首先研究不同厚度的二氧化鈦電極對染敏太陽能電池效率的影響，電極厚度依序為6.9 μm、10.3 μm、14.5 μm、 17.6 μm、25.8 μm及31.6 μm。當電極厚度增加時，開路電壓從電極厚度6.9 μm時的0.80 V，逐漸下降到電極厚度31.6 μm時的0.66 V，短路電流則先從電極厚度6.9 μm時的11.0 mA/cm2上升到電極厚度14.5 μm 時的13.7 mA/cm2，然後隨電極厚度增加而下降到電極厚度31.6 μm時的9.6 mA/cm2，其原因是因為厚度增加，可吸附更多染料及增加光吸收，但是在厚度超過15 μm之後，電子傳導及電解液的離子傳導都因厚度增加而降低，使得短路電流開始下降，同時開路電壓是隨電極厚度增加而下降。因此我們可以在厚度15 μm的時候得到最大的短路電流，並且有最好的電池效率。為進一步提昇染敏太陽能電池效率，我們進行研究以添加大顆粒二氧化鈦增加光散射方式提高光子捕獲效率。實驗使用的標準樣品為使用純P25顆粒製作，厚度10 μm的電極，實驗首先是添加一層散射層，散射層以大顆粒二氧化鈦 (平均粒徑170 nm) 混合不同比率的P25二氧化鈦顆粒，因為大顆粒二氧化鈦比P25二氧化鈦顆粒大許多，所以在光穿透射到此層的時候會產生很強的散射，使得穿透的入射光可以部分散射回到純P25電極層，增加光子被染料吸收機會，可提昇短路電流，並提高效率。當散射層中含大顆粒二氧化鈦摻雜的比率由10 %上升到了66 %時，短路電流由13.0 mA/cm2 提高到14.2 mA/cm2。但是填充因子由0.60下降到了0.46，似乎混合兩種不同尺度的顆粒使得電子/離子的傳導變差，反而拖低了電池效率，在摻雜比率為10 %的時候效率提高到5.60 %，為最大值。另外利用光散射增進光捕獲，也可在整個電極中均勻摻雜不同量的大顆粒二氧化鈦，研究時摻雜量從2 %、5 %、10 %、20 %、到30 %。在摻雜量5 %時候的光散射效益最大，短路電流達到最大，使得效率從4.60 % 提高到了5.89 %，此結果和模擬計算的預測相近，摻雜使用粒徑170 nm的顆粒時，最佳效率約在5%~10%。為了解摻雜比率漸增式的分層結構是否有更佳的效果，先將電極平分為兩層，接受入射光的第一層只用P25顆粒，使得光在入射的時候不會馬上就被散射顆粒散射出去，第二層的摻雜量由2 %一直提高到30 %。實驗結果顯東在10 %的時候短路電流從標準樣品的9.7 mA/cm2提高到了13.2 mA/cm2，效率也從4.44 %提高到6.04 %，而此10 %摻雜量的散射能力可以看成與均勻摻雜比率5 %有同樣的散射能力，只是將散射顆粒都集中在電極後半段，減少了前段光散射時候的損耗，使得效率從5.89%提高到了6.04 %。其次再比較分成三層的電極，同樣的在第一層電極用純P25顆粒。第二層摻雜比率2%時，第三層摻雜比率10%會比5%較好，但第二層只摻雜2%時，效果比不上第二層摻雜5%的結果。在第二層摻雜比率5%時，第三層摻雜比率為5%、10%及20%，研究顯示以10%時最好。研究顯示第二層的摻雜量亦是很重要。同量的第三層的摻雜量亦需有最佳摻雜比率，才能達到最佳效果。在最佳摻雜比率分配時，均勻摻雜，分兩層摻雜及分三層摻雜，對效率提昇都可以達到相近似的效果。

關鍵字

染料敏化太陽能電池 ； 散射層 ； 漸進式結構

並列摘要

For the dye-sensitized solar cells, there are several methods to improve the efficiency. (1) Increase the total interface area of the anode. (2) Decrease the electron loss in the anode. (3) Develop the dye that can absorb the light across visible and near-IR. (4) Increase the light path in the anode. in this thesis, first we investigate the effect of anode thickness on the solar cell efficiency. We found that the optimal anode thickness is about 15 μm, which has the highest current density 13.7 mA/cm2, and efficiency 6.14 %. We also investigated the effect of adding a backscattering layer, and found that 10 % doping of diameter 170 nm TiO2 nanoparticles has the highest efficiency 5.60 % as compared with standard anode (10 μm thichness), efficiency 5.19 %. For the uniform doping structure. 5 % doping has the highest current density and highest efficiency 5.89 %, as compared with standard anode (10 μm thichness), efficiency 4.60 %. This result is consistent with the simulation result by Jorg Ferber et al. For 10 % doping, it has only 4.71 % efficiency, which is lower than the prediction by simulation. For the multi-layer anode with two section structure, the highest efficiency 6.04 % occurs at 10 % doping in second section with 0 % doping of the first section. For three section structure, the optima doping is 0 %, 5 %, 10 %, respectively for the three sections. It has an efficiency 5.93 %, which is slightly better than the 0 %, 5%, 5 % case. It is concluded that at the optima doping conditions three section structure is slight by better than uniform doping case.

並列關鍵字

dye-sensitized solar cell ； scattering layer ； multi-layer

參考文獻

[20] 吳俊毅，利用奈米線及奈米粒子提升染料敏化太陽能電池效率研究，清華大學工程與系統科學研究所碩士論文，2010年。

[1] M. Gratzel, Nature, 2001,414, 338.

[5] G. Q. Liu, Z. G. Jin, X. X. Liu, T. Wang, Z. F. Liu, Journal of Sol-Gel Science and Technology, 2007, 41, 49.

[8] Abhishek Baheti, Prachi Singh, Chuan-Pei Lee, K. R. Justin Thomas, and Kuo-Chuan Ho, Journal of Organic Chemistry, 2011, 76, 4910.

[14] 賴柏宇，高反射對電極與四氯化鈦處理工作電極之染料敏化太陽電池效率提升研究，清華大學工程與系統科學研究所碩士論文，2010年。