Transcript 天然染料敏化奈米晶格太陽電池Natural Dye

染料敏化太陽電池
DIY實作教學
戴明鳳 教授
國立清華大學物理系
邱立翰
吳鳳學院光機電暨材料所
2007.12.15 於豐原高中暨社區大學120人實作
2008.3.7 於國立台中第一高級中學約80人實作
2008.3.8 於國立科學教育館「再生能源DIY」專題講座
內容大綱
一、 綠色能源簡介
二、 矽晶太陽電池與新材料太陽電池介紹
三、 DSSC之結構、工作原理與優缺特性
五、 DSSC之DIY實做流程
六、 電性實測及應用展示
六、 實驗結果Q&A
綠色能源簡介



再生能源（非耗竭、初級能源）
太陽能、水力、風力、生質能等，在短期
內能自行補充，能反覆使用持續供應。
非再生能源（耗竭、次級能源）
煤、石油、天然氣等，用過即無的，必須
另外設法開發轉換採取，無法自行補充。
綠色能源 (永續能源)
泛指能夠提供能源服務且對環境友善之能
源技術，包括新興再生能源及能源節約。
綠色能源簡介(續)
 發展太陽能源產業之優勢



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
綠色能源簡介(續)
 太陽電池種類
First generation
(第一代 )
Second generation
(第二代 )
Third generation
(第三代 )
矽晶太陽電池與新材料太陽電池簡介
矽晶材料太陽電池特性



1



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。
2
3
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)
新材料太陽電池 (TiO2、ZnO、MgO、WO3 …)
TiO2太陽電池特性



鈦為地殼元素中蘊含量第四大元素， TiO2即
為其氧合物之一。
鈦本身無毒性且化學性質穩定，良好的光學
特性廣泛應用於太陽電池抗反射塗層。
未來新材料太陽電之發展趨勢，低成本、製
程簡易且基板材料選擇性多為其競爭優勢。
DSSC元件結構
Dye-Sensitized Solar Cell
負電極(-)
ITO 導電玻璃
TiO2二氧化鈦奈米粒
染料分子敏化後
KI3液態電解質注入
正電極(+)
碳黑 or 鉑金層
染料敏化太陽電池英文縮寫簡稱為DSSC
DSSC工作原理
electrolyte
Conducting tin oxide
(CTO) glass plate
Counter
electrode
Dye*
Diffusion
hυ
CB
e
Xe Lamp (AM1.5)
100mW/cm2
e
-
I-/I-3 redox
electrolyte
-
Dye/Dye+
VB
Dye
TiO2
Pt
Load
1. Dye + light  Dye*
2. Dye* + TiO2  e-[TiO2] + Dye+
3. e-[TiO2] + C.E.  TiO2 + e-[C.E.] + energy
4. 3I- + e-[C.E.]  3/2 I- + C.E.
* 激發態
二氧化鈦材料簡介
 TiO2本身為半導體，TiO2經光反應後電子會
從價電帶躍遷到導電帶，形成電子（e-）電
洞（h+）對 。
 在自然界中以銳鈦礦、金紅石及板鈦礦三種
結晶組態存在。
二氧化鈦應用領域
 TiO2物理及化學性質穩定，且兼具無毒特性、
親水性，廣泛的應用於抑菌、殺菌、脫臭、自
淨、防霉等方面。
DSSC優缺點與特性
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，製作成本及材料較矽太陽電池低
許多。
3. 大尺寸之製程技術，且能製成可饒式外型。
4. 缺乏長效穩定性、有機染料容易變質。
5. 轉換效率比矽基太陽電池低。
DSSC之DIY實做流程
Step 1.
用微量天枰秤數克的奈米
級 TiO2 結晶型粉末。
放入研缽中，加入數滴稀
醋酸溶液，反覆研磨。
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)
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。
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.
用平板加熱器將塗有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）
Step 7.
將天然果實浸泡於乙醇中
，再置入磁石以攪拌器控
制其緩緩攪拌。
將翠取好的染料以濾紙過
濾以除去多餘殘渣。
（天然果實以深紫紅色系較優）
Step 8.
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 9.
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)。
Step 10.
 用棉花棒拭去其中三個邊
的碳膜，此即本電池之對
電極。
（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 11.
 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）
Step 12.
電解液的製備是以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）
Step 13.
以微量滴管沿兩電極間
之縫隙，加入少許之電
解液，電解液會因毛細
作用而擴散至電極間。
Step 14.
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電性實測
0.0015
photo current
dark current
0.0010
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
Isc (mA)
0.0005
0.0000
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
Voc (V)
-0.0005
-0.0010
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
N3
Black rice
η~ 4%
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<<
第二版DSSC示範教學組
實驗結果Q&A
Q1:哪一個電極才是DSSC的工作電極呢?
Q2:光線照射的角度與明暗對DSSC電壓及電流
值有影響嗎?
Q3:測試時，環境溫度高低是否影響DSSC的效
能表現呢?
Q4:工作電極的尺寸大小是否與其輸出效率表
現成正比呢?
Q5:串連或並聯是否可以提升DSSC的輸出電壓
及電流值呢?
實驗結果Q&A
A1:二氧化鈦(TiO2)。
A2:有，光線照射角度對DSSC輸出電壓及電流
影響較小，但光線的明暗度則影響很大。
A3:是，高溫會促使DSSC效能下降。
A4:否，DSSC效率高低不隨面積成正比變化。
A5:是，串連可提升電壓，並聯可提升電流。
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｢物理學者
下鄉與中學生暢談尖端新興科技中的物理｣，
計畫編號NSC95-2515-S-007-002。
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。
4. 中興大學物理系李明威實驗室。
謝謝您的參與！
歡迎不吝賜教!

戴明鳳教授
國立清華帶學物理系
實驗室物理館114室、辦公室416室
cellular: 886-(0)920-964-622
E-mail: [email protected]

邱立翰助教
吳鳳學院光機電暨材料研究所
中興大學物理系李明威實驗室共同指導
cellular: 886-(0)982-227-962
E-mail: [email protected]