專題老師:陳龍泉 學生:張家碩 日期:一百年一月八號 崑山科技大學高分子材料系 氧化物及電解液系統對AgInSe2光敏化太陽能電池效率的影響 專題老師:陳龍泉 學生:張家碩 日期:一百年一月八號 2019/4/11

一、摘要 2019/4/11

半導體敏化式太陽能電池(SSSC): 1.本實驗利用電化學沉積法於ITO-氧化物上成長AgInSe2應用於半導體敏化式太陽能電池，討論氧化物及電解質變數對SSSC效能的影響。 2.量測光電轉換效率、XRD、SEM、UV-Vis，討論物理性質並應用於半導體敏化式太陽能電池。 2019/4/11

二、前言 2019/4/11

由於化石燃料大量的使用，排放過多的溫室氣體，因此尋找乾淨的再生能源是迫在眉睫之工作。 染料敏化太陽能電池(DSSC)，利用染料當光敏化劑，由染料覆蓋著二氧化鈦奈米粒子，染料分子吸收太陽光，但在太陽光長期照射下也會有分解之虞，染料在DSSC系統上成本依然偏高，由於染料開發不易，且價格昂貴。利用半導體量子點或薄層結構為光敏化劑，此系統稱為semiconductor-sensitized solar cells，簡稱SSSC。 2019/4/11

SSSC: 優點 光吸收度大於染料 較高的穩定度 吸光範圍大於染料 產生多重的激子 因此本實驗中運用電化學沉積方式，將AgInSe2成膜於ITO-氧化物上，討論 氧化物及電解質對光電轉換效率之影響。 2019/4/11

三、實驗步驟 2019/4/11

煅燒溫度，每分鐘升溫1℃至450℃，持溫30min。 電沉積AgInSe2薄膜 基板前的處理 製備電解質AgInSe2 利用旋轉塗佈法製備氧化物底材 Ag2NO3 3mM+InNO3 3.5mM+ SeO2 4mM Degas 30min 煅燒溫度，每分鐘升溫1℃至450℃，持溫30min。 電沉積AgInSe2薄膜 XRD SEM UV-Vis 分析與鑑定 煅燒溫度，每分鐘升溫1℃至250℃，持溫60min。 SEM 光電流量測 結果與討論 光電極組裝 結果與討論 2019/4/11

四、材料與藥品 2019/4/11

五氧化二鈮 Nb2O5 (Niobium(V)oxide,-325mesh,99.9%) 二氧化鈦 (P25) 二氧化鈦 (ST-01) 五氧化二鈮 Nb2O5 (Niobium(V)oxide,-325mesh,99.9%) 二氧化錫 SnO2 (Tin(IV)oxide,nanopowder,<100nm(BET) 氧化鋅 ZnO (Zinkoxid,99.0%) 異丙醇鈦 (Titanium (IV) isopropoxide，TTIP) 乙醯丙酮 Acetylacetone,AcAc (99.00%，Fluka) 無水乙醇 C2H5OH (Ethanol),95% 硝酸銀 AgNO3(Silver nitrate,99.50%) 硝酸銦 In(NO3)3(indium nitrate,99.99%) 二氧化硒 O2Se(Selenium(IV)oxide,99.8%) 硝酸鉀 KNO3 (Potassium Nitrate,99.0%,日本試藥) 三乙醇胺 N(CH2CH2OH3)3,TEA (99.00%，Merck) 硝酸 HNO₃ (nitric acid) 2019/4/11

四氟硼酸硝酸 NOBF4 (99.00%，Panreck) 硝酸鈷 Co(NO3)3 (99.00%，Merck) 過氯化鋰 LiClO4 (99.00%，日本試藥) 四氟硼酸硝酸 NOBF4 (99.00%，Panreck) 碳酸乙烯酯 Ethylene carbonate,EC (99.00%，Merck) 4-叔丁基吡啶 4-tert butylpyridine,TBP (99.00%，Aldrich) 乙腈 Acetonirile (99.99%，Merck) 鍍銦錫氧化物玻璃基板 ITO (Indium-doped tin oxide(SnO2:In)，Gem Tech.)8Ω/square 2019/4/11

五、結果與討論 2019/4/11

XRD結構分析 圖1.P25、ST-01、Nb2O5、SnO2、ZnO之XRD圖譜 2019/4/11

SEM表面觀察分析 (a) (b) 圖2.(a)P25旋轉塗佈於ITO基板上(b)在P25上電沉積AgInSe2 2019/4/11

(b) (a) 圖3.(a)ST-01旋轉塗佈於ITO基板上(b)在ST-01上電沉積AgInSe2 2019/4/11

(b) (a) 圖4.(a)Nb2O5旋轉塗佈於ITO基板上(b)在Nb2O5上電沉積AgInSe2 2019/4/11

(b) (a) 圖5.(a)SnO2旋轉塗佈於ITO基板上(b)在SnO2上電沉積AgInSe2 2019/4/11

(b) (a) 圖6.(a)ZnO旋轉塗佈於ITO基板上(b)在ZnO上電沉積AgInSe2 2019/4/11

UV-Vis紫外光光譜分析 (b) (a) 圖8.(a)P25 K-M圖 公式:(1- R∞)2/2R∞求出K-M值 能隙約為3.44eV及3.26eV附近 圖(b)P25直接能隙之圖譜 公式:(αhν)2= A(hν-Eg) 能隙約為3.21eV及3.41eV附近 2019/4/11

(a) (b) 圖8.(a)ST-01 K-M圖 能隙約為3.26eV附近 圖(b)ST-01直接能隙之圖譜 能隙約為3.20eV附近 2019/4/11

(a) (b) 圖9.(a)Nb2O5 K-M圖 能隙約為3.44eV及3.22eV附近 圖(b)Nb2O5直接能隙之圖譜 2019/4/11

(a) (b) 圖10.(a)SnO2 K-M圖 能隙約為3.65eV附近 圖(b)SnO2直接能隙之圖譜 能隙約為3.62eV附近 2019/4/11

(a) (b) 圖11.(a)ZnO K-M圖 能隙約為3.22eV附近 圖(b)ZnO直接能隙之圖譜 能隙約為3.15eV附近 2019/4/11

光電轉換效率的量測 圖12. Co2+濃度對I-V轉換效率的影響 2019/4/11 [Co2+],M Voc(V) Jsc(mA/cm2) F.F. η(%) 0.05 0.70 0.030 0.32 0.0067 0.1 0.71 0.015 0.40 0.0042 0.3 0.76 0.037 0.31 0.0088 0.5 0.73 0.066 0.37 0.018 圖12. Co2+濃度對I-V轉換效率的影響 2019/4/11

圖13.不同Co2+/Co3+比例的電解液對I-V轉換效率的影響 [Co2+],M [Co3+],M Voc(V) Jsc(mA/cm2) F.F. η(%) 0.297 0.003 0.62 0.12 0.34 0.026 0.288 0.012 0.67 0.14 0.32 0.030 0.279 0.021 0.75 0.19 0.26 0.038 0.273 0.027 0.57 0.20 0.33 0.039 0.270 0.48 0.15 0.35 0.025 圖13.不同Co2+/Co3+比例的電解液對I-V轉換效率的影響 2019/4/11

圖14.氧化物對I-V轉換效率的影響 2019/4/11 Voc(V) Jsc(mA/cm2) F.F. η(%) ZnO 0.71 0.19 0.26 0.035 SnO2 0.65 0.13 0.27 0.024 P25 0.83 0.14 0.33 0.039 Nb2O5 0.60 0.17 0.36 0.038 ST-01 0.57 0.20 圖14.氧化物對I-V轉換效率的影響 2019/4/11

圖15.浸泡時間對I-V轉換效率的影響 2019/4/11 Time Voc(V) Jsc(mA/cm2) F.F. η(%) 1min 0.57 0.20 0.33 0.039 15min 0.76 0.16 0.45 0.056 30min 0.71 0.11 0.026 60min 0.59 0.13 0.26 0.020 圖15.浸泡時間對I-V轉換效率的影響 2019/4/11

圖16.煅燒溫度對I-V轉換效率的影響 2019/4/11 T(℃) Voc(V) Jsc(mA/cm2) F.F. η(%) 350℃ 0.66 0.075 0.29 0.014 450℃ 0.57 0.20 0.33 0.039 550℃ 0.12 0.31 0.021 ℃ ℃ ℃ 圖16.煅燒溫度對I-V轉換效率的影響 2019/4/11

圖17.氧化物層數對I-V轉換效率的影響 2019/4/11 Voc(V) Jsc(mA/cm2) F.F. η(%) 1層 0.66 0.13 0.38 0.032 2層 0.57 0.20 0.33 0.039 3層 0.63 0.084 0.40 0.021 層 層 層 圖17.氧化物層數對I-V轉換效率的影響 2019/4/11

六、結論 2019/4/11

1. 由UV-Vis分析結果得知P25樣品能帶間隙為3. 41eV及3. 21eV、ST-01樣品能帶間隙為3 1.由UV-Vis分析結果得知P25樣品能帶間隙為3.41eV及3.21eV、ST-01樣品能帶間隙為3.20eV、Nb2O5樣品能帶間隙為3.10eV及3.35eV、SnO2樣品能帶間隙為3.62eV、ZnO樣品能帶間隙為3.15eV。 2.在鈷離子濃度為0.3M時，Co2+:0.273M、Co3+:0.027M，有最好的光電轉換效率。 3.在測試的5個氧化物中，P25效率最好為0.039%與最差為SnO2效率0.023%，且前者效率較後者效率增加60%。 4.電沉積AgInSe2前浸泡時間，最佳效率為浸泡15min之樣品，其效率可達0.056%，1min之樣品只有0.039%。 5.450℃為ITO-TiO2樣品的最佳煅燒溫度，顯現最高的光催化性能。 6.塗佈2層為ITO-TiO2樣品的最佳層數，顯現最高的光催化性能。 2019/4/11

七、參考文獻 2019/4/11

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報告結束 謝謝各位 2019/4/11