氧化鋅奈米柱與二氧化鈦之混合結構在染料感光型太陽能電池光陽極之應用

黃思博(Szu-Po Huang)

指導教授 ： 吳振名

國立清華大學/工學院/材料科學工程學系/碩士(2010年)

https://doi.org/10.6843/NTHU.2010.00296

摘要

染料感光型太陽能電池的光陽極材料由n型的金屬氧化物搭配透明導電電極組成，常見的金屬氧化物有二氧化鈦以及氧化鋅，搭配氟摻雜二氧化錫透明導電電極。然而在上述典型的光陽極結構中，金屬氧化物通常與氟摻雜二氧化錫薄膜介面因為能帶位置的差異，會產生蕭特基能障，阻礙電子的傳輸；再者電子在光陽極中傳遞時，有一定機率與電解液、染料等系統產生電子-電洞再結合。因此若能避免蕭特基能障及電子-電洞再結合發生，光陽極就能更有效的收集電子，電池的效率也因此提升。
使用鋁摻雜氧化鋅透明電極可避免與光陽極間蕭特基能障的產生。藉著溶凝膠法的製程搭配三階段的退火處理，可做出具有高透光性以及電阻率約10-3 Ω．cm的鋁摻雜氧化鋅薄膜。金屬氧化物製作使用化學水熱法成長出高約1.33μm，寬約66.1nm的氧化鋅奈米柱，此種製程方式簡易且成本低，亦不需如化學氣相沉積法製程後，還須再經過後續的退火處理。為了抑制電子-電洞再結合的發生，在氧化鋅奈米柱的結構上再搭配二氧化鈦的薄膜或是奈米顆粒變化結構。二氧化鈦薄膜的製作是以溶凝膠法搭配浸泡式鍍製的方式，在熱處理後得到具銳鈦礦相的薄膜包覆柱體表面；由穿隧式電子顯微鏡分析可瞭解此氧化鋅-二氧化鈦的核-殼結構的包覆狀態。而將不同粒徑大小的二氧化鈦奈米顆粒以不同的分散程度分散在乙醇中，再藉自然沉降的方式堆疊上氧化鋅奈米柱結構。此兩種混合結構不僅能達到抑制再結合的效果：開路電壓由純氧化鋅奈米柱的0.5199V上升至0.6V，甚至0.7V以上，也藉由奈米顆粒增加了光陽極結構的表面積，提升對染料的吸附量：由1.37 x 10-9 mole最高提升至24.21 x 10-9 mole。
後續的分析以染料吸附量、太陽能電池效率以及電化學阻抗分析儀，探討電子在注入光陽極以及傳遞過程中，光陽極結構變化帶來的影響。也證實了加入二氧化鈦形成的混合光陽極結構，的確能以適當的搭配改善電池元件如開路電壓及染料吸附量的表現。

關鍵字

氧化鋅 ； 二氧化鈦 ； 染料感光型太陽能電池 ； 光陽極 ； 奈米柱 ； 奈米顆粒 ； 核-殼結構

並列摘要

無資料

並列關鍵字

ZnO ； TiO2 ； DSSC ； photoanode ； nanorod ； nanoparticle ； core-shell

參考文獻

(2)Mori, S.; Yanagida, S.; Tetsuo, S. In Nanostructured Materials for Solar Energy Conversion; Elsevier: Amsterdam, 2006, p 193-225.

(6)Zhang, Q. F.; Chou, T. P.; Russo, B.; Jenekhe, S. A.; Cao, G. Advanced Functional Materials 2008, 18, 1654-1660.

(12)Hamann, T. W.; Jensen, R. A.; Martinson, A. B. F.; Van Ryswyk, H.; Hupp, J. T. Energy & Environmental Science 2008, 1, 66-78.

(15)Ryan, M. Platinum Metals Review 2009, 53, 216-218.

(22)Baxter, J. B.; Aydil, E. S. Solar Energy Materials and Solar Cells 2006, 90, 607-622.