染料敏化太陽電池 DIY 戴明鳳 國立清華大學物理系 清大物理系科普活動網站- http://www.phys.nthu.edu.tw/~gen_sci

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內容大綱 發展太陽能源產業之優勢 光電, 光伏與光電解效應的差別 矽晶太陽電池與新材料太陽電池介紹 DSSC之結構、工作原理與優缺特性 DSSC之DIY實做流程 電性實測及應用展示

環境污染 火力發電 水力發電 潮汐&波浪發電 -化石燃料發電 溫差發電 核能發電 風力發電機＆風場 溫室效應 全球暖化 太陽熱能發電 太陽能光電發電 應用 潮汐&波浪發電 火力發電 -化石燃料發電 溫差發電 水力發電 Principle, IHA 核能發電 -核反應＆核輻射 風力發電機＆風場 環境污染 溫室效應 全球暖化

光電效應與光伏效應的差別 (Photoelectric ＆Photovoltaic Effects) DSSC 光電解

光電效應(photoelectric effect) 1887年Heinrich Hertz實驗發現。 1905年首度愛因斯坦以光子(photon)的概念，理論上成功地解釋此效應。1921年因此效應獲諾貝爾獎。 描述光子(通常使用紫外光)射到金屬表面， 金屬內的電子吸收足夠的光子能量， 離開金屬，成為真空中的自由電子。

光電效應的實驗裝置 用二個金屬連接一個外加電壓電源， 照光的金屬當陰極放射器(cathode emitter)， 不照光的金屬當陽極接收器 (anode collector)， 外加電壓讓照光後逃離金屬的束縛的電子從陰極跑到陽極，形成光電流 (photocurrent)。 光電效應最直接廣泛的應用：偵測光的光倍增器 (photomultiplier)，又稱光電管。

理論上金屬的光電效應也可以用 以作為開發太陽電池的原理，但…….. 有光照的金屬，其電子吸收光子的能量，可從費米能階下的低能階提昇至費米能階上的高能階。  如果光子能量大於功函數，電子會被提昇至真空能階，而躍出金屬表面，成為真空中的自由電子。 電子能量分佈的二個重要物理參數：化學勢(chemical potential) 和溫度。 吸收光子至高能階的電子，經由電子-電子碰撞，轉換和傳遞能量，可提高整個金屬電子的化學勢與溫度。亦即有光照的金屬其化學勢會比沒有光照的金屬的化學勢稍微大些。 因此，有光照的和無光照的二金屬之間就存在一個電壓差，即太陽電池開路電壓。 當有光照的和無光照的二金屬間用導線連接時，光照金屬端真空能階的自由電子，會因此電壓差的驅使，從陰極放射器傳輸至陽極接收器，形成光電流，也就是太陽電池的短路電流。

光電效應的發電效率評估 利用金屬的光電效應做太陽電池的最大物理限制：在於一般金屬的功函數大部分在3至5 eV之間。 因此，只有能量高於是紫外線以上的光子才能用以被金屬吸收，而產生光電流， 但照射到地球表面上的太陽光中，能量高於紫外線以上的輻射只占非常微小的成分。 以金屬光電效應製作太陽電池，理論上最高的光-電轉換效率可能不超過1% ，而實際實驗結果更只有~0.001%。 結論： 利用金屬的光電效應做太陽電池，其輸出電流甚微小，而輸出電壓也不很大，因輸出的電功率太低，實際的應用價值太低。

如同金屬真空管二極體被半導體固態二極體取代一樣，至今絕大部分的太陽電池使用半導體材料，而非今屬材料。 目前市售太陽電池主要是應用半導體的光伏(特)效應，而不是金屬的光電效應，雖然二者在原理上是類似的。 在半導體的光伏特效應中，光子的能量被吸收，讓電子從價帶躍過能隙至導帶。 (在金屬的光電效應中，光子的能量被吸收，讓電子從費米能附近躍升至真空能階，所需光子的能量較高，~ 3至5 eV) 一般的半導體能隙約為1~2eV，其可吸引紅外線或可見光即可產生導電載子，光-電轉換效率自然遠超過於金屬的效率。 另半導體可以傳導電的，除了帶負電荷的導帶的電子，還有帶正電荷的價帶的電洞 (也就是價帶中能態空缺)，這種雙極性的導電，也是金屬不具有的特性。

發展太陽能源產業之優勢 太陽輻射1hr = 全人類一年 乾淨無污染 取之無盡、用之不竭 減緩非再生能源之消耗 太陽每年到地球表面輻射E ~ 1.7*1017 W 全人類每年消耗 E ~ 1.4*1013 W 太陽輻射1hr = 全人類一年

美國太陽能電廠 中央的高塔和四周無數太陽能板構成，所有太陽能板都將陽光反射到中央的高塔。

獨立型太陽光電發電系統 在偏遠及落後地區之應用的重要性 偏遠地區沒有電力供應 太陽電池可提供燈光、電視、汲水…..

太陽光電系統在印度汲水應用例 This woman in India is collecting water from a pump powered by PV. (Photo: Central Electronics, Ltd.)

太陽光電在沙漠上的應用 資料來源：Shell Solar ，93年05月

不同種類太陽電池的光電轉換效率 矽 CuInSe2薄膜型 有機物 TiO2/Dye 結晶矽 非晶矽 太陽電池種類 半導體材料 Cell轉換 模組轉換效率 矽 結晶矽 單結晶(晶圓型) 14~24% 10~14% 結晶矽 矽 多結晶 (晶圓型、薄膜型) 10~17% 9~12% 非晶矽 非晶矽 a-Si、a-SiC、a-SiGe 8~13% 6~9%   III-V族 GaAs(晶圓,薄膜型) 18~30% 化合物 半導體 II-VI族 CdS、CdTe薄膜型 10~12% 3元素 多元 化合物 CuInSe2(薄膜型) 10~12%   CuInSe2薄膜型 10~12% 有機半導體     有機物 TiO2/Dye 7%

矽晶太陽電池種類簡介 矽晶材料太陽電池特性 矽乃地球上蘊含量第二豐富的元素。 矽本身無毒性，其氧化物穩定又不具水溶性。 目前太陽電池仍舊以矽為主要材料。 單結晶矽:轉換效率高，成本高。(圖1) 多結晶矽:效率與成本較單結晶低。(圖2) 非結晶矽:成本最低，效率最差。(圖3) 1 2 3

各式太陽電池模板 單晶矽模板 多晶矽模板 非晶矽模板 半透光型模板

太陽電池結構與模組 + - 單元太陽電池 一般型 半透光型 太陽電池模板接線 太陽電池模板外觀 太陽電池模板結構 正面 強化玻璃 EVA TedlarTM (DuPont) 0.125" 0.015" 0.0015" 背面 太陽電池模板結構 Cells 0.014" + - 一般型 半透光型 太陽電池模板接線 太陽電池模板外觀 太陽電池模板結構

DSSC元件結構 Dye-Sensitized Solar Cell 負電極(-) 正電極(+) 染料敏化太陽電池英文縮寫簡稱為DSSC ITO 導電玻璃 負電極(-) 碳黑 or 鉑金層 正電極(+) 染料敏化太陽電池英文縮寫簡稱為DSSC TiO2二氧化鈦奈米粒 染料分子敏化後 KI3液態電解質注入

DSSC工作原理 hυ * 激發態 4.½ I3- + e-[C.E.]  3/2 I- + C.E. Counter electrode Conducting tin oxide (CTO) glass plate electrolyte Dye* Diffusion hυ CB e- I-/I-3 redox electrolyte e- Dye/Dye+ Xe Lamp (AM1.5) 100mW/cm2 VB 染料(Dye) TiO2 碳膜 Load 1. 染料 + light 染料* 2.染料* + TiO2  e-[TiO2] +染料+ 3. e-[TiO2] + C.E.(含碳膜之電極) TiO2 + e-[C.E.]+ 電能 4.½ I3- + e-[C.E.]  3/2 I- + C.E. * 激發態

DSSC優缺點與特性 優點: 1. 使用TiO2材料，其物理、化學性質穩定且無毒性之特性，相較其他材料或矽基太陽電池比較無環境污染之虞。 2. 製程簡易，材料及製作成本較矽太陽電池低許多。 3. 大尺寸之製程技術，且能製成可饒式外型。 缺點: 1. 缺乏長效穩定性、有機染料容易變質。 2. 轉換效率比矽基太陽電池低。

實驗所需的材料和器材

ITO 玻璃 Indium Tin Oxide ITO導電玻璃 在原本無法導電的玻璃基板上，鍍上一層可以導電的氧化銦錫（indium tin oxide，ITO），從而可以扮演電極。由於ITO導電玻璃是生產LCD製程中之關鍵材料，如果選用的產品有瑕疵，將會影響LCD的良率。

天然染劑製備 將天然果實浸泡於乙醇中，再置入磁攪拌子緩緩攪拌。 將萃取好的染料以濾紙濾除多餘殘渣。 （天然果實以深紫紅色系較優）

電解液配製 0.5M的碘化鉀(KI)和0.05M的碘(I2)，用乙二醇調製。 （KI及I的活性很強，調製時須特別小心及避免沾手誤食）

DSSC之DIY實做流程 Step 1. TiO2 結晶型粉末放入小紙杯中，加入數滴稀醋酸溶液，反覆攪拌。 加入些許的介面活性劑，直到獲得近似膏狀之均勻膠體懸浮即可。 註：稀醋酸製備方式為將0.2mL 的冰醋酸緩緩加入50 mL的 去離子水中。 (若無稀醋酸可用DI純水替代)

把導電玻璃的導電面朝上，用一般膠帶將其中三個邊貼著。 Step 2. 以三用電表判別導電玻璃之導電面。 導電面阻值≒20~30Ω 。 （準確值應使用四點探針法） Step 3. 把導電玻璃的導電面朝上，用一般膠帶將其中三個邊貼著。 用沾有乙醇的棉花棒輕輕拭去表面污垢或是油脂。

將TiO2稀態膠體，以載玻片均勻的平鋪在導電玻璃的導電面上。 Step 4. 將TiO2稀態膠體，以載玻片均勻的平鋪在導電玻璃的導電面上。 (膠帶的用途為控制薄膜的厚度，而預留的三個邊，可作為封裝電池與延伸電極之用) Step 5. 塗佈完成後小心的把膠帶移除，避免過於乾燥才撕去膠帶，以免破壞薄膜。

Step 6. 用烤箱將塗有TiO2薄膜之導電面朝上以150度加熱烘烤10~20分鐘。 (加熱過程中，薄膜會因為介面活性劑被燒掉，而呈淺棕色）

將烘烤完成之TiO2電極，浸泡於萃取完成且濾淨過之染料色素中。 Step 7. 將烘烤完成之TiO2電極，浸泡於萃取完成且濾淨過之染料色素中。 (浸泡時間至少需數小時，TiO2薄膜會因吸附染料而改變其顏色) Step 8. 另取一片等面積的導電玻璃，將導電面用蠟燭燃燒的火焰來回移動，即可鍍上一層碳膜(Carbon)。 （白金電極的催化效果較佳，但其製作設備較複雜且成本高）

Step 9. 先滴入兩滴電解液，再把電解液搖晃均勻，最後把太多的電解液稍微吸乾。

Step 10. 把兩電極鍍膜面相對組裝起來，延伸電極的側邊需交錯開。 (本實驗僅以小鋼夾組裝及固定兩片電極，標準製程須以膠裝封合，以防止電解液滲漏)

電將兩電極接至三用電表，負端接TiO2工作電極，正端接鍍有碳膜之對電極。 Step 11. 電將兩電極接至三用電表，負端接TiO2工作電極，正端接鍍有碳膜之對電極。 將塗有TiO2薄膜之電極面朝上，置於模擬燈源或陽光下測試即可。 以上實做流程均於戴明鳳教授指導之實驗室拍攝

DSSC應用展示 驅動小型計算機 串連4片染料敏化太陽電池，量測可得最大電壓趨近2伏 特，足以驅動一台小型普通計算機。 驅動實測短片<<

DSSC電性實測 Dye / Material Voc(V) Jsc(mA) Fill Factor (%) η(%) Dye: N3 (concentration 1*10-4) Active area: 0.3 * 0.3 cm Counter electrode: Pt ( 150 μm) Photo electrode: TiO2 (PEG+Nb205) Lamp: 100mW/cm2 , Xe (AM1.5) Electrolyte: 1376 Substrate: FTO Dye / Material Voc(V) Jsc(mA) Fill Factor (%) η(%) Hibiscus sabdariffa / TiO2 0.49 0.23 41 0.049 N3 / TiO2 (PEG+Nb2O5) 0.7 0.76 63.6 3.8 N3 / TiO2 (Dyeso paste+Nb2O5) 0.67 1.04 50.5 3.91

DSSC實驗室樣品 TCPP Black rice N3 η~ 4%

刺激你的想像力 http://www.textually.org/textually/archives/2007/04/015615.htm

相關參考文獻 [1] Greg P. Smestad , Michael Grätzel , “Demonstrating Electron Transfer and Nanotechnology:A Natural Dye–Sensitized Nanocrystalline Energy Converter” Journal of Chemical Education, Vol. 75 ,No. 6 ,752-756,June 1998 [2] Bailey, M., Park, J., Dhirani, A. Department of Chemistry, University of Toronto 。 [3] Michael Grätzel, “Photoelectrochemical cells”,NATURE , 414,15,338-344(2001) [4] 洪長春，能源應用材料-奈米二氧化鈦專利介紹，國研院科技政策研究與資訊中心副研究員。 [5] 呂宗昕、吳偉宏，奈米科技與二氧化鈦光觸媒，科學發展376期。

指導暨經費補助單位 1. 國科會科教處類型C科普活動計劃 2. 中華民國物理學會及物理教育委員會。 3. 清華大學物理系超導及磁性實驗室。

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