膠態電解質染料敏化太陽能電池之長效性研究

Development of long-term stability of gel electrolyte dye-sensitized solar cells

劉建宏(Chien-Hung Liu)

指導教授 ： 陳福榮 ； 蔡春鴻

國立清華大學/原子科學院/工程與系統科學系/碩士(2012年)

https://doi.org/10.6843/NTHU.2012.00320

摘要

近年來，染料敏化太陽能電池(Dye-sensitized Solar Cells)在元件壽命長效性的表現上遇到了許多瓶頸。其中，液態電解質的漏液問題一直為眾人所關注，為此科學家們研發出膠態以及固態電解質的染料敏化太陽能電池，期望藉由具有較低揮發性的電解質來改善此問題，但此二類電解質對於工作電極的滲透性不足之問題仍待解決。除此之外，紫外線對於染料敏化太陽能電池壽命長效性表現的影響也不容忽視，由於電池中的工作電極(TiO2)對於紫外線的吸收力強，易導致接觸在工作電極表面的染料與電解液氧化而影響了電池的壽命。本實驗將針對此兩項問題，提出一套新式的抗紫外線自發性膠化電解質的製程應用於染料敏化太陽能電池上，改善了電池的效率以及長效性的表現。
本實驗將固定比例的紫外線吸收劑(UV Absorber)摻入液態電解質當中，利用高分子薄膜在電池元件內部自發性溶解於液態電解液後，形成了抗紫外線膠態電解質元件，而這種自發性的電解質膠化過程改善了膠態電解質對於工作電極的滲透性。我們對其做掃描式電子顯微鏡分析(SEM)、電流-電壓輸出特性量測(I-V Curve)、電化學交流阻抗分析(EIS)以及電池元件長效性分析(Long-term Stability)。研究結果顯示，於液態電解質中添加紫外線吸收劑以及高分子，能夠減少電子再復合的機率而提升開路電壓(Voc)，另一方面則會增加電池的內部阻抗而降低了短路電流(Jsc)。整體效率而言，由於對工作電極有較佳滲透性，自發性膠化的“溶解式”膠態電解質元件在光電轉換效率的表現會優於一般製程的膠態電解質元件。此外，在摻入紫外線吸收劑後，減少了紫外線對於元件的傷害，明顯改善了電池元件長效性的表現。根據實驗結果證明，本實驗對於提升染料敏化太陽能電池之實用性的研究有所貢獻。
關鍵字: 染敏電池、自發性膠化、溶解式元件、高分子、紫外線吸收劑、效率長效性。

關鍵字

染敏電池 ； 自發性膠化 ； 溶解式元件 ； 高分子 ； 紫外線吸收劑 ； 效率長效性

並列摘要

There are some bottlenecks for long-term stability of the liquid electrolyte based Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC). Here we list two of the major problems leading poor long-term stability of devices : 1. The leakage of liquid electrolyte. 2. The damage of the device by ultraviolet irradiation.
In this study, a new fabrication process for in-situ gel electrolyte DSSC is achieved in order to solve both the leakage problem of liquid electrolyte and the penetrating problem of gel electrolyte at the same time. To fabricate UV-protection in-situ gel electrolyte DSSC, the UV-protection electrolyte was prepared by mixing the UV absorber in certain percentage with liquid electrolyte(GBL-based) first. Polyvinyl butyral(PVB) was placed in the device before the injection of the UV-protection electrolyte, and dissoved in the liquid electrolyte to form the gel electrolyte spontaneously. The conversion efficiency recorded for the GBL-based electrolyte with 10wt% PVB and 5wt% UV absorber is 4.27%, which is about 85% of the liquid-type one, with values of Voc, Jsc, and FF of 0.73 (V), 11.73 (mA/cm2) and 0.5, respectively. Most important of all, the UV- protection in-situ gel electrolyte DSSC exhibits a well long-term stability, surprising 95% of its originl efficiency after 1000 working hours. With the high durability, resulting in the DSSC outdoor application in the near future.

Key word: Dye-sensitized solar cell, gel-type electrolyte, long-term stability,
UV absorber, Polyvinyl butyral(PVB)

並列關鍵字

Dye-sensitized solar cell ； gel-type electrolyte ； long-term stability ； UV absorber ； Polyvinyl butyral(PVB)

參考文獻

J.Z.Zhang, J. Electroanal. Chem. 522, 40(2002).

N. Vlachopoulos; M. Gratzel, J. Am. Chem. Soc. 115, 6382(1993).

[8] C.W. Tang et al. App. Phys. Lett. 48, 183 (1986)

[9] M. Grätzel﹐Nature, 414, 338 (2001).

[10] M. Gratzel, J. Photochemistry& Photobiology, 164, 3(2004).