離子液體效應在二氧化鈦奈米粒子的製備及染料敏化太陽能電池應用

The Effect of Ionic Liquids on the Preparation of TiO2 Nanoparticles for Dye-sensitized Solar Cells

葉志富(Chih-Fu Yeh)

指導教授 ： 蘇昭瑾

國立臺北科技大學/工程學院/有機高分子研究所/碩士(2014年)

https://doi.org/10.6841/NTUT.2014.00314

摘要

本研究利用異丙醇鈦(TTIP)作為製備二氧化鈦前驅物，並在酸性條件下以水熱法製備具拉長的截斷四方雙錐體(ETTB)及片狀結構(NS)的二氧化鈦。在進行水熱反應前的二氧化鈦溶液中，加入不同陽離子的離子液體: 四丁基六氟磷酸胺 (TBAH)、1-乙基六氟磷酸吡啶 (EPH)、1-己基六氟磷酸吡啶 (HPH) 以調控二氧化鈦的結晶過程。在研究過程中，我們利用掃描式電子顯微鏡 (SEM)、X-ray 繞射儀 (XRD)、探討合成出的二氧化鈦奈米粒子的型態、結構、結晶相。研究結果發現，水熱完成後的二氧化鈦晶相為銳鈦礦相，而不同陽離子其立體阻礙與凡德瓦力的作用下與調控單一參數濃度對於二氧化鈦粒子的成形有明顯的影響，另外添加三氟乙酸(TFA)會降低(001)面之表面能與減少團聚的作用，進而使原先結構轉變成片狀結構的二氧化鈦及減少多晶聚合物產生。上述的片狀結構及拉長的截斷四方雙錐體之二氧化鈦也將製備成光陽極中的散射層，並應用於染料敏化太陽電池及展現顯著的光散射效果，本研究系統性的比較不同陽離子的作用力及組成參數濃度對於二氧化鈦型態的影響，並將製備而得的二氧化鈦應用於染料敏化太陽能電池及其對光電轉換效率的影響。

關鍵字

水熱法 ； 二氧化鈦 ； 四丁基六氟磷酸胺 ； 1-乙基六氟磷酸吡啶 ； 1-己基六氟磷酸吡啶 ； 片狀結構二氧化鈦 ； 散射層 ； 染料敏化太陽能電池

並列摘要

In this work, nanosheets (NS) and elongated slightly truncated tetragonal nanobipyramids (ETTB) shape TiO2 structures were synthesized via hydrolysis of titanium tetra-isopropoxide (TTIP) as a TiO2 precursor, followed by hydrothermal treatment under the acidic condition. Various kinds of TiO2 colloids were prepared by adding ionic liquids with different cations such as tetrabutylammonium hexafluorophosphate (TBAH), 1-ethylpyridinium hexafluorophosphate (EPH) and 1-hexylpyridinium hexafluorophosphate (HPH) before the hydrothermal reactions. The crystal phase, shape, and morphology of TiO2 NS and ETTB were studied by XRD, TEM, and SEM analysis. It was found that the morphology and aspect ratio of the anatase TiO2 NS and ETTB can be tuned by changing the composition parameters including the contents of ionic liquids, water, TTIP, trifluoroacetic acid (TFA) and acetic acid (HOAc) in the reaction solution. TFA was used as a stabilizing agent to reduce the surface energy of anatase TiO2, especially (001) facets. On the other hand, F atoms decreased the aggregation of titania nuclei due to its low bonding energy and restricting the formation of polycrystalline agglomerates. The above TiO2 NS and ETTB were applied as the scattering layer in DSSCs. A systematic comparison of different morphologies, concentration of the composition parameters and its effect on the photo-conversion efficiency of DSSCs is discussed in this work.

並列關鍵字

Hydrothermal ； TiO2 ； Tetrabutylammonium hexafluorophosphate ； 1-Ethylpyridinium hexafluorophosphate ； 1-Hexylpyridiniumhexafluoro-phosphate ； sheet like structure ； scattering layer ； Dye-sensitized solar cells

參考文獻

[41] 楊采穎，碩士論文，“二氧化鈦奈米棒的製備與應用：從光催化反應到染料敏化太陽能電池效率之相關性探討”，國立台北科技大學有機高分子所， (2008) 台灣。

[42] 鄭傑中，碩士論文，“二氧化鈦奈米管陣列的製備與分析及染料敏化太陽能電池的應用”，國立台北科技大學有機高分子所， (2009) 台灣。

[47] 許淨雯，碩士論文，“二氧化鈦奈米管陣列開孔方向對於染料敏化太陽能電池之影響”，國立台北科技大學有機高分子所， (2012) 台灣。

[2] S. H. Chung, Y. Wang, L. Persi, F. Croce, S. G. Greenbaum, B. Scrosati, E. Plichta, “Enhancement of ion transport in polymer electrolytes by addition of nanoscale inorganic oxides”, J. Power Sources 97 (2001) 644.

[3] B. O'Regan, M. Gratzel, “Low-cost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films”, Nature 353 (1991) 737.