TWI481041B - A method of manufacturing a photoelectrode having a high photoelectric conversion rate, and a dye-sensitized solar cell using the photoelectrode - Google Patents

A method of manufacturing a photoelectrode having a high photoelectric conversion rate, and a dye-sensitized solar cell using the photoelectrode Download PDF

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Description

製造高光電轉換率之光電極的方法以及使用該光電極的染料敏化太陽電池
本發明涉及高光電轉換率之光電極的製造方法，更詳而言之，係添加碳化矽奈米粒子於光電極，以提昇光電轉換效率的方法。
太陽能電池的基本原理，是利用某些物質被光照射時，其電子運動加劇，引導這些電子流經一電路中的電位而得到電能。所謂的染料敏化太陽能電池(下以DSSC稱之)是利用奈米尺寸的半導體顆粒，以化學方式吸附染料分子之後，塗佈於電池電路的陽極上做為感光層，在感光層和陰極之間添加電解液形成通路使電子得以流通。感光層的運作方式大致來說是染料吸收入射光能量，染料分子由基態躍遷為激發態，激發態的電子注入半導體奈米顆粒的傳導帶，而染料分子自身被氧化，氧化態染料分子與電解液中的碘離子反應，變回基態，碘離子則被氧化，氧化的碘離子則被從外部電路傳遞到對電極上的電子還原。電子注入半導體奈米顆粒中就可以與電極接觸而流通至電路中產生電能。
在DSSC領域中，提昇光電轉換效率的方法大致包括：
(一)增加光電極的表面積
以透過提高光電極的表面粗糙度來增加表面積，使更多的染料可以被奈米半導體顆粒所吸附。而提高其表面粗糙度的方法之一，係針對奈米半導體顆粒的表面結構及表面形貌進行改變使其表面積增加；方法之二，係透過分散劑使奈米半導體顆粒分散得更加均勻，產生更多的孔隙，藉此增加其表面積，吸附更多染料，提高光電轉換效率。
(二)提升電子在光電極中的傳遞速度
染料激發所產生電子，會通過奈米半導體顆粒傳到導電基材上，再經由外部迴路傳達到對電極。但在通過半導體顆粒的過程中如果電子因為傳遞速度慢則很有可能發生電子和染料或電解液產生再結合的情形，導致轉換效率降低。所以透過在光電極中加入半導體或具有良好導電性質的物質，不僅能降低光電極的電阻也能改善因電子傳遞速度慢所造成再結合的現象。此外，加入導帶(conduction band)比染料低且接近的物質在光電極中，使染料經太陽光照射所激發出的電子能先傳遞到所選用的材料再傳遞到半導體顆粒，能讓電子傳遞的速度更快，減少再結合現象的發生。
(三)提升光子的被使用率
透過覆蓋一層散射層能使較多的光子被保留在光電極中，讓光子能被充分的利用，使染料能藉此激發出更多的電子，增加電流密度提高光電轉換效率。
中華民國發明專利公開第200810167號文獻中所提到的DSSC，是以延伸及增加奈米金屬氧化物顆粒與染料接觸之表面積(類似於上述方法一)，提升DSSC光電極的光電轉換效率。其主要手段是在導電基板上設置一奈米線，並使奈米金屬氧化物顆粒接觸附著於該奈米線的表面。
中華民國發明專利公開第201121063號文獻中提到摻雜鋅的二氧化鈦電極，可以減少空的電子捕抓陷阱數目，形成較連續的電子傳遞路徑(類似於上述方法二)，在低光源時仍能具有高電流輸出。
中華民國發明專利公開第201039482號文獻中提到的DSSC，是以添加奈米碳材的方式分散半導體顆粒，以提高染料吸附量(類似於上述方法一)， 從而提昇光電轉換效率。
中華民國發明專利公開第201126730號文獻中提到的DSSC，係在光電極中增設包含散射珠粒的散射層，透過散射珠粒的緣故，入射的太陽光射線在內部進行全散射，從而導入的太陽光射線之傳播路徑增加，提昇光電轉換效率。(類似於上述方法三)
本發明之目的是要以提昇染料之激發態電子在光電極中的傳遞速度的方式來提昇光電極的光電轉換效率。
本發明實施例提出一種製造高光電轉換率之光電極的方法，包括：步驟一，將碳化矽奈米粒子分散於一液態媒體中，該液態媒體為去離子水；分散手段為超音波震盪1小時；步驟二，將二氧化鈦奈米顆粒分散於步驟一所獲得的分散液；分散手段為超音波震盪1小時。
步驟三，將聚乙二醇混合於步驟二所得的分散液中，從而獲得碳化矽/二氧化鈦(SiC/TiO2 )膠態溶液；步驟四，將該碳化矽/二氧化鈦(SiC/TiO2 )膠態溶液塗佈於導電基材；該導電基材包含但不限於撓性基材、導電玻璃。
步驟五，經由一燒結步驟(10℃/min的升溫速率加熱至450℃，並在450℃維持鍛燒30分鐘)，待自然冷卻至室溫，使該碳化矽/二氧化鈦(SiC/TiO2 )膠態溶液成為固著於該導電基材的碳化矽/二氧化鈦(SiC/TiO2 )複 合薄膜；為達到更佳化的複合薄膜，可在步驟四和步驟五之間實施一自然風乾步驟，時間約1小時；步驟六，經由一浸泡或滴加光敏染料溶液的步驟，使步驟五所獲得之導電基材的碳化矽/二氧化鈦(SiC/TiO2 )複合薄膜吸收光敏染料；光敏染料可選用已知的任何一種，在本發明中不做特別限定。本發明實施例是採用0.5 mM N719染料/乙醇溶液，並以浸泡手段使複合薄膜吸收光敏染料。
步驟七，透過一清洗步驟，將未吸附上的染料從導電基材上清洗掉從而獲得一可應用於染料敏化太陽能電池的光電極。
更進一步的，透過以下所述的後續步驟，製得一染料敏化太陽能電池。
步驟八，透過一熱封膜將步驟七所獲得的光電極與一對電極貼合，該吸附光敏染料的碳化矽/二氧化鈦(SiC/TiO2 )複合薄膜位於光電極與對電極之間；步驟九，將I- /I3 - 電解液填充於於光電極與對電極之間，且電解液充份接觸吸附光敏染料的碳化矽/二氧化鈦(SiC/TiO2 )複合薄膜。
本發明最佳化方案，該碳化矽/二氧化鈦(SiC/TiO2 )膠態溶液中，碳化矽的含量為0.01~0.04 wt%，二氧化鈦的含量為5 wt%。
本發明最佳化方案中，該碳化矽奈米粒子為立方晶系結構的3C-SiC(β phase)。
本發明最佳化方案中，3C-SiC的含量為0.04 wt%。
本發明最佳化方案中，碳化矽/二氧化鈦(SiC/TiO2 )複合薄膜的厚度為4.0~12.9 μm。
本發明是透過加入導帶比染料低且接近的物質-碳化矽至二氧化鈦光電極之中，可降低電阻值，有效幫助電子從染料激發態傳遞到3C-SiC導帶再傳遞到TiO2 導帶，使電子傳遞的速度變快，減少激發態電子與二氧化鈦再結合之現象發生，使光電轉換效率提昇。
接著量測不同3C-SiC含量之3C-SiC/TiO2 複合薄膜光電極染料敏化太陽能電池光電轉換效率表現，由光電轉換效率量測結果可得知在3C-SiC含量為0.04 wt%時有最佳的光電轉換效率7.19%。
藉由電化學交流阻抗分析3C-SiC/TiO2 奈米複合薄膜光電極的內部電阻，發現3C-SiC(0.04 wt%)/TiO2 奈米複合薄膜光電極有最低的內部電阻，使電子傳遞速度獲得提升，減少再結合現象的發生。
接著改變3C-SiC(0.04 wt%)/TiO2 複合薄膜的厚度並量測其光電轉換效率，發現在薄膜厚度為12.9 μm時有最佳的光電轉換效率7.30%，與TiO2 奈米薄膜光電極光電轉換效率3.39%相比，3C-SiC(0.04 wt%)/TiO2 複合薄膜光電極在光電轉換效率表現上能提升將近115%。
 <<配置不同重量百分比濃度碳化矽之二氧化鈦水溶液>>
首先，將碳化矽奈米顆粒溶於去離子水中，濃度為1 mg/mL，並使用超音波震盪約1小時使之均勻分散。再秤取二氧化鈦0.1克、聚乙二醇0.03克、分別吸取分散均勻之碳化矽水溶液10μL、20μL、40μL、80μL、160μL(分別為0.01 wt%、0.02 wt%、0.04 wt%、0.08 wt%、0.16 wt% SiC/TiO2 )加至樣 本瓶內後，加水至2克配製成5 wt%的二氧化鈦水溶液，並使用超音波震盪約1小時使之均勻分散。
<<關於碳化矽奈米粒子之選用>>
本發明分別選用六角晶系結構的6H-SiC(α phase)及立方晶系結構的3C-SiC(β phase)配製成6H-SiC/TiO2 及3C-SiC/TiO2 兩種膠態溶液，利用刮刀法將其塗佈在FTO導電玻璃上製作成染料敏化太陽能電池薄膜光電極，量測其光電轉換效率，再分別與TiO2 奈米結構光電極比對。
˙6H-SiC/TiO2 與3C-SiC/TiO2 奈米複合薄膜光電極表面形態探討
為了瞭解6H-SiC/TiO2 與3C-SiC/TiO2 奈米複合薄膜之特性，我們利用場發射式掃描式電子顯微鏡(field emission scanning electron microscopy,FESEM)觀察其表面形貌。圖1-(a)為TiO2 奈米薄膜表面形貌SEM圖，圖1-(b)為3C-SiC/TiO2 奈米複合薄膜表面形貌SEM圖，圖1-(c)為6H-SiC/TiO2 奈米複合薄膜表面形貌SEM圖，由SEM圖能觀察出此三種薄膜表面形貌沒有明顯差異，推測其表面形貌不會因為SiC奈米顆粒的加入而造成改變或使其比表面積產生變化。
˙6H-SiC/TiO2 與3C-SiC/TiO2 奈米複合薄膜光電極染料吸附量之量測
為了更詳細驗證SiC奈米顆粒的添加不會造成比表面積的改變，而吸附更多的染料分子，我們將進行染料脫附實驗的分析。當光電極比表面積越大即呈現多孔狀的結構時，其能吸附更多的染料分子，激發出更多的電子，產生更高的光電流，使光電轉換效率獲得提升。我們利用紫外光/可見 光分光光譜儀進行染料脫附實驗量測光電極所吸附的染料分子含量。
由結果表1可發現三者所吸附的染料分子含量相當接近，證實SiC奈米顆粒的添加不會使比表面積產生明顯的變化，此結果與SEM所觀察到的結果相吻合。
˙6H-SiC/TiO2 與3C-SiC/TiO2 奈米複合薄膜光電極光電轉換效率之量測
我們將6H-SiC/TiO2 與3C-SiC/TiO2 奈米複合薄膜光電極組裝成染料敏化太陽能電池量測其光電轉換效率。圖2為TiO2 奈米結構與6H-SiC/TiO2 與3C-SiC/TiO2 奈米複合薄膜光電極組裝成染料敏化太陽能電池量測所得到之J-V 特性曲線。由圖2結果可得知3C-SiC/TiO2 奈米複合薄膜光電極所組裝而成的染料敏化太陽能電池有最佳的光電轉換效率，與TiO2 奈米結構光電極相比，透過添加3C-SiC奈米粒子可確實提升其光電轉換效率，而添加6H-SiC奈米粒子則無法確實提升其光電轉換效率，反而會造成衰退，推測影響光電轉換效率表現的原因為3C-SiC與6H-SiC的能隙與導帶位置不同所造成的。如圖3所示，由於6H-SiC的導帶比染料激發態所位於的能階還高，所以電子傳遞的過程中會因為6H-SiC奈米粒子無法有效地幫助電子順利地通過而產生阻礙，造成光電轉換效率的降低，而3C-SiC的導帶介於染料激發態能階與TiO2 導帶之間，能有效幫助電子從染料激發態傳遞到 3C-SiC導帶再傳遞到TiO2 導帶，減少再結合現象的發生，所以能有效提升染料敏化太陽能電池之光電轉換效率。
據上述實驗結果，3C-SiC/TiO2 奈米複合薄膜光電極有較高的光電轉換效率表現。
因此後續的實驗將以3C-SiC/TiO2 奈米複合薄膜進行測試。
<<3C-SiC/TiO 2 奈米複合薄膜光電極光電轉換效率之探討>> ˙不同3C-SiC含量之3C-SiC/TiO2 奈米複合薄膜光電極表面形貌之探討
我們利用場發射式掃描式電子顯微鏡(field emission scanning electron microscopy,FESEM)分別觀察3C-SiC(0.01 wt%)/TiO2 、3C-SiC(0.02 wt%)/TiO2 、3C-SiC(0.04 wt%)/TiO2 、3C-SiC(0.08 wt%)/TiO2 及3C-SiC(0.16 wt%)/TiO2 奈米複合薄膜光電極表面形貌差異。圖4分別為3C-SiC(0.01 wt%)/TiO2 、3C-SiC(0.02 wt%)/TiO2 、3C-SiC(0.04 wt%)/TiO2 、3C-SiC(0.08 wt%)/TiO2 及3C-SiC(0.16 wt%)/TiO2 奈米複合薄膜光電極表面形貌之SEM圖。可觀察出3C-SiC/TiO2 奈米複合薄膜光電極的表面形貌不會因為3C-SiC的含量增加而有明顯的改變。
˙不同含量3C-SiC/TiO2 奈米複合薄膜光電極光電轉換效率測試
我們分別將3C-SiC(0.01 wt%)/TiO2 、3C-SiC(0.02 wt%)/TiO2 、3C-SiC(0.04 wt%)/TiO2 、3C-SiC(0.08 wt%)/TiO2 及3C-SiC(0.16 wt%)/TiO2 奈米複合薄膜光電極組裝成染料敏化太陽能電池元件量測其光電轉換效 率。圖5為TiO2 單層結構、3C-SiC(0.01 wt%)/TiO2 、3C-SiC(0.02 wt%)/TiO2 、3C-SiC(0.04 wt%)/TiO2 、3C-SiC(0.08 wt%)/TiO2 及3C-SiC(0.16 wt%)/TiO2 奈米複合薄膜光電極組裝成染料敏化太陽能電池元件量測所得到之J-V 特性曲線。表2為圖5J-V 特性曲線所對應輸出的特性數值。由圖5與表2結果可得知3C-SiC(0.04 wt%)/TiO2 奈米複合薄膜光電極所組裝而成的染料敏化太陽能電池有最佳的光電轉換效率7.19%。在3C-SiC奈米粒子含量為0.01 wt%~0.04 wt%時，隨著3C-SiC的含量增加其光電轉換效率也會隨之增加，而在3C-SiC奈米粒子含量為0.08 wt%~0.16 wt%時則會隨著3C-SiC奈米粒子含量增加而光電轉換效率又降低的趨勢，代表添加過多的3C-SiC是無法有效提升光電轉換效率。
˙不同含量3C-SiC/TiO2 奈米複合薄膜光電極交流阻抗分析
接著我們進一步利用電化學交流阻抗分析TiO2 奈米結構、3C-SiC(0.01 wt%)/TiO2 、3C-SiC(0.02 wt%)/TiO2 、3C-SiC(0.04 wt%)/TiO2 、3C-SiC(0.08 wt%)/TiO2 及3C-SiC(0.16 wt%)/TiO2 奈米複合薄膜光電極的交流還原阻抗。
我們分別在模擬太陽光源照射下及暗室下分析TiO2 奈米結構、 3C-SiC(0.01 wt%)/TiO2 、3C-SiC(0.02 wt%)/TiO2 、3C-SiC(0.04 wt%)/TiO2 、3C-SiC(0.08 wt%)/TiO2 及3C-SiC(0.16 wt%)/TiO2 奈米複合薄膜光電極的交流阻抗，分別給予-0.75 V作為交流阻抗分析之操作電壓。圖6及圖7分別為在模擬太陽光源照射下及在暗室下TiO2 單層結構與3C-SiC/TiO2 奈米複合薄膜光電極染料敏化太陽能電池交流阻抗分析圖譜(Nyquist plot)。而表3與表4則分別為在模擬太陽光源照射下及在暗室下TiO2 奈米結構與3C-SiC/TiO2 奈米複合薄膜結構光電極染料敏化太陽能電池交流阻抗分析所量測之特性數值。
從圖6中可以觀察到在模擬太陽光源照射下染料敏化太陽能電池的交流阻抗表現，分別都呈現出3個半圓弧形曲線，此曲線代表所組成之薄膜光電極在模擬太陽光源照射下染料敏化太陽能電池的作用以及不同電子傳遞機制結果的呈現。參照2003年Bernard所提出的染料敏化太陽能電池之等效電路圖，分別為3個並聯的阻抗-電容RC(resistance-capacitance)電化學界面所構成，其中Rs 代表整個染料敏化太陽能電池的阻抗，Rct 代表電極表面電荷傳遞阻抗，C為電容量，Z為I3 - 擴散到對電極所產生的阻抗。而Rct1 為FTO/TiO2 電子傳遞阻抗，而Rct2 為electrolyte/dye/TiO2 及electrolyte/dye/3C-SiC/TiO2 界面處的電子傳遞阻抗，而Rct3 為electrolyte/counter electrode(Pt)的電子傳遞阻抗，在這之中我們將討論的是Rct2 ，從圖6中我們可以觀察到影響最大的是Rct2 的改變，將所得到的實驗結果整理於表3中。在表3中分別顯示了TiO2 奈米結構、3C-SiC(0.01 wt%)/TiO2 、3C-SiC(0.02 wt%)/TiO2 、3C-SiC(0.04 wt%)/TiO2 、3C-SiC(0.08 wt%)/TiO2 及3C-SiC(0.16 wt%)/TiO2 奈米複合薄膜光電極染料敏化太陽能 電池的Rct2 數值，分別為27.1，16.0，14.9，13.6，14.3及17.4 Ω。可以看出3C-SiC/TiO2 奈米複合薄膜光電極確實比TiO2 奈米結構染料敏化太陽能電池的電阻值要來的小，使得電子傳遞速度因此變快，減少電極表面電子與氧化態的染料(dye)或電解質中的(I3 - /I- )再結合現象的發生，在3C-SiC/TiO2 奈米複合薄膜中3C-SiC的含量為0.01 wt%~0.04 wt%時，可以觀察出隨著3C-SiC的含量增加，其Rct2 數值會隨之降低，而在3C-SiC(0.04 wt%)/TiO2 奈米複合薄膜光電極染料敏化太陽能電池有最小的Rct2 數值，而在3C-SiC奈米粒子含量為0.08 wt%~0.16 wt%時，Rct2 數值反而有增加的現象，代表添加過多的3C-SiC是無法有效地降低電阻。
圖7為在暗室下量測TiO2 單層結構與3C-SiC/TiO2 奈米複合薄膜光電極染料敏化太陽能電池交流阻抗分析圖譜，可以觀察出分別都呈現出3個半圓弧形曲線，分別為3個並聯的阻抗-電容RC(resistance-capacitance)電化學界面所構成，其中Rs 代表整個染料敏化太陽能電池的阻抗，Rct 代表電極表面電荷傳遞阻抗，C為電容量，Z為I3 - 擴散到對電極所產生的阻抗。而 Rct1 為FTO/TiO2 電子傳遞阻抗，而Rct2 為electrolyte/dye/TiO2 及electrolyte/dye/3C-SiC/TiO2 界面處的電子傳遞阻抗，而Rct3 為electrolyte/counter electrode(Pt)的電子傳遞阻抗，在這之中我們將針對Rct2 加以討論，從圖7中我們可以觀察到影響最大為Rct2 的改變，將所得的實驗數據整理於表4中。在表4中顯示了TiO2 奈米結構、3C-SiC(0.01 wt%)/TiO2 、3C-SiC(0.02 wt%)/TiO2 、3C-SiC(0.04 wt%)/TiO2 、3C-SiC(0.08 wt%)/TiO2 及3C-SiC(0.16 wt%)/TiO2 奈米複合薄膜光電極染料敏化太陽能電池的Rct2 數值，Rct2 數值分別為23.6、44.2、48.6、57.4、39.0及32.7 Ω。在暗室下的Rct2 數值越大代表電子越不容易與電解液中的(I3 - /I- )發生再結合的現象。在3C-SiC/TiO2 奈米複合薄膜光電極的3C-SiC含量為0.01 wt%~0.04 wt%時，可以觀察出隨著3C-SiC的含量增加，其Rct2 數值也會隨之變大，而在3C-SiC(0.04 wt%)/TiO2 奈米複合薄膜光電極染料敏化太陽能電池有最大的Rct2 值，而當3C-SiC含量為0.08 wt%~0.16 wt%時，隨著3C-SiC含量的增加，Rct2 數值反而降低，代表添加過多的3C-SiC是無法有效地降低再結合現象的發生。透過交流阻抗分析實驗結果可以觀察出3C-SiC/TiO2 奈米複合薄膜光電極染料敏化太陽能電池確實比TiO2 奈米結構光電極染料敏化太陽能電池的電阻值要來的小，使得電子傳遞速度因此變快，減少電極表面電子與氧化態的染料(dye)或電解質中的(I3 - /I- )再結合現象的發生，此結果與光電轉換效率所量測的趨勢結果相符合。證明3C-SiC/TiO2 奈米複合薄膜光電極確實能有效應用在染料敏化太陽能電池。而在3C-SiC(0.04 wt%)/TiO2 奈米複合薄膜光電極染料敏化太陽能電池有最佳的光電轉換效率表現。
˙染料敏化太陽能電池之3C-SiC(0.04 wt%)/TiO 2 奈米複合薄膜厚度之量測與光電轉換效率測試
我們分別測試3C-SiC/TiO2 奈米複合薄膜光電極的光電轉換效率與交流阻抗分析，我們得知3C-SiC(0.04 wt%)/TiO2 奈米複合薄膜光電極有最佳的光電轉換效率。接著我們進一步探討3C-SiC(0.04 wt%)/TiO2 奈米複合薄膜厚度與光電轉換效率之間的關係，透過SEM觀察量測3C-SiC(0.04 wt%)/TiO2 奈米複合薄膜厚度分別為4.0、8.4、12.9及16.1 μm。圖8為量測3C-SiC(0.04 wt%)/TiO2 奈米複合薄膜不同厚度光電極染料敏化太陽能電池所得到之J-V 特性曲線。表5為量測3C-SiC(0.04 wt%)/TiO2 奈米複合薄膜不同厚度光電極所組裝成染料敏化太陽能電池所對應輸出的特性數值。由圖8及表5可以觀察出在3C-SiC(0.04 wt%)/TiO2 奈米複合薄膜厚度為4.0~12.9 μm時，其光電轉換效率會隨著薄膜的厚度越厚而有增加的趨勢，而在3C-SiC(0.04 wt%)/TiO2 奈米複合薄膜厚度為12.9 μm，有最佳的光電轉換效率7.30%。但當3C-SiC(0.04 wt%)/TiO2 奈米複合薄膜厚度增加為16.1 μm 時，其光電轉換效率卻反而降低，代表當厚度增加太多時反而無法使光電轉換效率獲得提升，因為當薄膜的厚度變太厚，雖然能吸附更多的染料，但是因為厚度增加使得電子傳遞路徑變長，傳輸的阻力增加，使其光電轉換效率因此降低。當3C-SiC(0.04 wt%)/TiO2 奈米複合薄膜厚度為12.9 μm時所組裝而成的染料敏化太陽能電池有最佳光電轉換效率7.30%。
<<結論>>
量測不同3C-SiC含量之3C-SiC/TiO2 複合薄膜光電極染料敏化太陽能電池光電轉換效率表現，由光電轉換效率量測結果可得知在3C-SiC含量為0.04 wt%時有最佳的光電轉換效率7.19%。藉由電化學交流阻抗分析3C-SiC/TiO2 奈米複合薄膜光電極的內部電阻，發現3C-SiC(0.04 wt%)/TiO2 奈米複合薄膜光電極有最低的內部電阻，使電子傳遞速度獲得提升，減少再結合現象的發生。接著改變3C-SiC(0.04 wt%)/TiO2 複合薄膜的厚度並量測其光電轉換效率，發現在薄膜厚度為12.9 μm時有最佳的光電轉換效率7.30%，與TiO2 奈米薄膜光電極光電轉換效率3.39%相比，3C-SiC(0.04 wt%)/TiO2 複合薄膜光電極在光電轉換效率表現上能提升將近115%。
圖1 (a)TiO2 奈米結構，(b)3C-SiC(0.01 wt%)/TiO2 奈米複合薄膜，(c)6H-SiC(0.01 wt%)/TiO2 奈米複合薄膜光電極表面形貌FESEM圖
圖2. TiO2 奈米結構、3C-SiC/TiO2 及6H-SiC/TiO2 奈米複合薄膜光電極染料敏化太陽能電池量測之J-V 特性曲線
圖3. 電子能階位置與電子傳遞示意圖
圖4. (a)pure TiO2 ；(b)0.01 wt% SiC/TiO2 ；(c)0.02 wt% SiC/TiO2 ；(d)0.04 wt% SiC/TiO2 ；(e)0.08 wt% SiC/TiO2 ；(f)0.16 wt% SiC/TiO2 光電極之FESEM圖表面形貌
圖5. TiO2 奈米結構及不同比例SiC/TiO2 奈米複合薄膜光電極之染料敏化太陽能電池J-V 特性曲線
圖6.在模擬太陽光照射下交流阻抗分析圖譜
圖7.在暗室下交流阻抗分析圖譜
圖8. 3C-SiC(0.04 wt%)/TiO2 奈米複合薄膜厚度與染料敏化太陽能電池量測之J-V 特性曲線

Claims (10)

  1. 一種製造高光電轉換率之光電極的方法，包括：步驟一，將碳化矽奈米粒子分散於一液態媒體中，獲得碳化矽奈米粒子分散液；步驟二，將二氧化鈦奈米顆粒分散步驟一所獲得之碳化矽奈米粒子分散液；步驟三，將聚乙二醇混合於步驟二所得的分散液中，從而獲得碳化矽/二氧化鈦(SiC/TiO2 )膠態溶液；其中，碳化矽的含量為0.01~0.04 wt%，二氧化鈦的含量為5 wt%；步驟四，將該碳化矽/二氧化鈦(SiC/TiO2 )膠態溶液塗佈於一導電基材的表面；步驟五，經由一燒結步驟和一冷卻步驟，使該碳化矽/二氧化鈦(SiC/TiO2 )膠態溶液成為固著於該導電基材的碳化矽/二氧化鈦(SiC/TiO2 )複合薄膜；步驟六，經由一浸泡或滴加光敏染料溶液的步驟，使步驟五所獲得之導電基材的碳化矽/二氧化鈦(SiC/TiO2 )複合薄膜吸收光敏染料；步驟七，透過一清洗步驟，將未吸附上的染料從導電基材上清洗掉，從而獲得一可應用於染料敏化太陽電池的光電極。
  2. 如申請專利範圍第1項所述製造高光電轉換率之光電極的方法，其中，該碳化矽奈米粒子為立方晶系結構的3C-SiC(β phase)。
  3. 如申請專利範圍第2項所述製造高光電轉換率之光電極的方法，其中，3C-SiC的含量為0.04 wt%。
  4. 如申請專利範圍第3項所述製造高光電轉換率之光電極的方法，其中，碳化矽/二氧化鈦(SiC/TiO2 )複合薄膜的厚度為4.0~12.9 μm。
  5. 如申請專利範圍第1項所述製造高光電轉換率之光電極的方法，其中，該液態媒體為去離子水。
  6. 如申請專利範圍第1項所述製造高光電轉換率之光電極的方法，其中， 步驟五之燒結步驟條件為10℃/min的升溫速率加熱至450℃，並在450℃維持鍛燒30分鐘。
  7. 如申請專利範圍第1項所述製造高光電轉換率之光電極的方法，其中，步驟五之冷卻步驟為自然冷卻至室溫。
  8. 如申請專利範圍第1項所述製造高光電轉換率之光電極的方法，其中，步驟四和步驟五之間更包含一自然風乾步驟，時間約1小時。
  9. 如申請專利範圍第1項所述製造高光電轉換率之光電極的方法，其中，步驟一和步驟二分散手段為超音波震盪1小時。
  10. 一種染料敏化太陽電池，包括：一光電極和一對電極，彼此相對設置；一吸附光敏染料的碳化矽/二氧化鈦(SiC/TiO2 )複合薄膜位於該光電極和該對電極之間；以及一電解液，填充於該光電極與對電極之間，且電解液充份接觸吸附光敏染料的碳化矽/二氧化鈦(SiC/TiO2 )複合薄膜。
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