奈米碳管/奈米複合材料於染料敏化太陽能電池之製備與性質研究

Preparation and Properties of Carbon Nanotubes/Nanocomposite for Dye-Sensitized Solar Cells (DSSCs)

顏銓佑(Chuan-Yu Yen)

指導教授 ： 馬振基

國立清華大學/工學院/化學工程學系/博士(2008年)

https://doi.org/10.6843/NTHU.2008.00310

摘要

本研究旨在探討奈米碳管 (MWCNTs)對於染料敏化太陽能電池 (DSSCs)組成元件之製備方法及該組成元件對於太陽能電池光轉換效率之影響與相關性質。本研究主要可分為三個部分。

第一部分探討不同MWCNTs/TiO2奈米複合材料之合成方式對於該半導體奈米複合材料之物理化學特性影響，並針對太陽能電池工作電極歸納出適當的合成製備方法。首先以一般文獻上主要製備複合材料型之二氧化鈦材料的方式(溶膠-凝膠法與水熱法)嘗試製備出具有高均勻度的MWCNTs/TiO2奈米複合材料，並探討此兩種製程下對於MWCNTs/TiO2奈米複合材料之微結構與照光活性的影響。研究結果顯示在溶膠-凝膠法的製程下TiO2奈米顆粒會呈現斑點狀均勻附著於奈米碳管的表面，因此導致該複合材料具有較高的均勻程度，實驗結果發現所合成之複合材料中，TiO2顆粒於奈米碳管表面的分散微結構為控制材料本身照光活性的主要參數，這是以溶膠-凝膠法製備之TiO2複合材料本身的物理、化學性質(如 比表面積、電子/電洞對再結合效率 等)改善程度較水熱法為高的主要原因。

材料之照光活性方面的測試則是以光降解NOx實驗進行偵測，實驗結果顯示隨著奈米碳管添加含量增高(0-8 wt%)時，利用溶膠-凝膠法製程之TiO2複合材料(NOx光降解效率由20.52提升至32.14 %)相較於水熱法(NOx光降解效率由22.58提升至26.51 %)確實具有較高之照光活性，且在該製程下隨著奈米碳管添加含量增高，其照光活性最高可有效的增加57 %。另外，實驗結果發現添加奈米碳管可以有效造成NO分子進行光降解實驗的完整性。這些整體結果說明了奈米碳管無論是對於環境或是太陽能電池領域應用是具有潛力的，且於太陽能電池工作電極之製備方式則以溶膠-凝膠法為主要合成方法。

本研究第二部分則是延續第一部份成果探討染料敏化太陽能電池之工作電極無機薄膜的製備方法與性質。實驗結果發現添加奈米碳管(0□0.3 wt%)可以有效提升二氧化鈦奈米材料薄膜本身比表面積與粗糙度 (由834提升至1267 cm2/cm2)，因而增加該電極對於染料分子吸附數量 (由8.66×10-8增加到1.32×10-7 mole/cm2)；然而對於添加較高含量的奈米碳管量 (0.5 wt%)，其表面粗糙度與薄膜比表面積卻有下降趨勢(由1267下降至1118 cm2/cm2)，此現象主要是歸因於過多碳管會相互聚集所造成之現象。

此外，由螢光光譜分析 (Photoluminescence; PL)實驗、光陽極電容與電池瞬時電流的測試，結果說明奈米碳管的添加將可於複合材料內形成較有效的電子匯聚通路，並可改善二氧化鈦複合材料薄膜之電子/電洞對再結合效率；再者，由太陽光誘導電子之驅動力檢測中也說明了，添加碳管有助於增進太陽能電池光誘導電子的傳輸，且該論述亦以IPCE之數據結果加以確認之。由以上結果可以訂定出該奈米複合材料工作電極的最佳碳管添加含量為0.3 wt%。另外，本研究亦將該研究所製備的工作電極與一般文獻上利用摻混方式製備的MWCNTs/複合材料工作電極進行比較，實驗結果顯示，利用本研究合成方式製備之工作電極，可使奈米碳管具有較良好的分散性，相較於其他文獻的結果，可有效提升光電轉化效率(增加~ 61 %)。

本研究第三部分旨在探討利用塊狀模造法(Bulk molding compounding; BMC)製備奈米複合材料導電板於電池相關之應用研究。本研究主要在固定奈米碳管添加含量 (1 phr)與不同的石墨添加量之複合材料導電板的相關性質測試，及其於燃料電池與太陽能電池之性能測試。實驗結果顯示，隨著石墨添加含量的增加，因為於複合材料中形成較有效率的導電通路，使該複合材料雙極板的體電阻值有下降的趨勢 (由6.7 mΩ cm降至1.7 mΩ cm)。雖然其機械之強度會因導電材料與樹脂間較弱的相互接著而導致降低的情形，然而，在最適化的石墨添加比例(80 wt%)下，其仍具有符合美國能源部(Dpartment of Eergy, USA; D.O.E.)標準的機械強度要求。再者，在成本/效能的探討方面，此類型之最適化的類石墨複合材料導電板不但具有與石墨板的燃料電池相似之效能，且相較於其他商業化複合材料導電板有較低的製備成本，此結果顯示了其於燃料電池領域之應用潛力。另外，針對染料敏化太陽能電池部分，實驗結果亦顯示，此類石墨複合材料導電板由於其優異的導電特質，應是良好的對電極導電基材替代品。研究結果說明相較於一般商業化導電玻璃基材，類石墨複合材料導電板同時具有較低的電池阻抗、較低的製作成本與良好的電池效能，這些數據結果皆指出，此種類石墨複合材料導電板具有可降低成本並提供較佳電池工作效能之特性，未來應用潛力亦極大。

綜合上述研究結果可知，奈米碳管的添加對於電池電極的性質影響相當明顯；且用於染料敏化太陽能電池之組成元件製備過程中，有效的分散奈米碳管將可使其在材料內部形成有效率的電子導通路徑，此性質的呈現將可有效的改善染料敏化太陽能電池組成元件的相關特性，而得以更進一步的提升該染料敏化太陽能電池之光電轉換效率。

關鍵字

奈米碳管 ； 二氧化鈦 ； 奈米複合材料 ； 工作電極 ； 染料敏化太陽能電池 ； 石墨

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無資料

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參考文獻

Chapter 1

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