Transcript 染料光敏化系列太陽能電池

染料光敏化系列太陽能電池

有機太陽能電池的發展及其演進，可以分為：

染料光敏化系列太陽能電池

有機半導體系列太陽能電池
染料光敏化系列太陽能電池


染料光敏化系列太陽能電池 (DyeSensitized Solar Cell; DSSC)，是一
種光化學電池，利用染料系列光敏化劑
的光激發效應產生化學反應，進而產生
光電流的一種電池。
在1991~1993年期間，瑞士的Graetzel教
授發表了光電轉換效率可達7.1~10.0%的
染料光敏化型太陽電池。
染料光敏化型太陽能電池基本結構及特性

是由半導體端的工作電極以及其對應的
電極，相互地挾集而成的一種三明治結
構，而在兩電極之間填充光敏化性染料
以及電解質水溶液等
一. 首先是吸收太陽光的能量，而激發光敏化
染料分子呈激發狀態，在激發狀態的光敏
化染料中存有電子，此些電子將導入二氧
化鈦半導體的傳導帶之內，而可以自由地
行動著

其中光敏化染料的激發狀態是意指最低
未佔據分子軌域能階狀態

一般大多數光敏化染料的光吸收波長範
圍是在可見光區域(400 nm~800 nm)。
二.所導入的電子由二氧化鈦半導體的薄膜層
移動至透明導電膜之內。
三.氧化狀態的光敏化染料從還原狀態的電解
質中，接受電子而恢復至原有的狀態，而
電解質則變為氧化狀態。
四.氧化狀態的電解質從相對應的電極供應電
子，而將有電子缺陷的光敏化染料分子還
原，以使此一染料再生而恢復至原有的還
原狀態。

就光電化學反應方面，在陽極、陰極、以及太陽電池
胞的反應式：
1.
陽
極 (Anode)
光吸收 (Absorption)
電子注入 (Electron Injection)
再 生 (Regeneration)
S
S*
h
e
S  h  S*
S*  S  e (TiO2)
2S + 3I  2S  I3
：處於基態的光敏化染料分子。
：處於激發態的光敏化染料分子。
：光能量。
：電子。

三碘離子 (I3，Tri-iodide) 是一種氧化劑的功能，接
受外來供應的電子而形成碘離子 (I，Iodide)
2.
陰
極 (Cathode)
I3  2e(Pt)  3I
3.
太陽電池胞 (Cell)
e(Pt)  h  e(TiO2)




M. Graetzel教授所合成的染料光敏化金屬錯合物分子
，是一種含有釕過渡金屬的 [RuM2(NCS)2]
在太陽可見光的照射之下，金屬錯合物分子之內的釕
過渡金屬，其電荷的移動將由d軌域向 * 軌域遷移
在共軛系導電高分子的 * 軌域之中，所激發的電子
將迅速地導入二氧化鈦半導體薄膜之內
在太陽可見光的輻射之下，吸附有釕金屬錯合物的二
氧化鈦以及沒有吸附釕金屬錯合物的二氧化鈦，其光
電轉換效率是有所不同的，其光電轉換效率與光波長
的關係圖，如圖所示。
入射光子電子轉換效率 (IPCE, %)
80
60
40
TiO 2  RuL 2 (NCS)2
TiO2
20
0
400
600
800
波長 (Wavelength, nm)
1000


在108次數的氧化還原之後，其材料特性以及
光電性能並無顯著地劣化現象，亦就是此一新
材料的運用將可以是使此一太陽能電池連續地
運行20年間。
在AM1.5以及1,000 W/m2的模擬太陽光照射下，
其光電流密度為18.37 mA/cm2、開路電壓為
0.762V、填充因子0.60、光電轉換效率8.51%
。
染料光敏化型太陽能電池的製程技術
( 一 ) 水熱法合成氧化鈦
(1) 填充粉末
(2)
(3)
(4)
(5)
(6) 水熱合成處理
(7) 氧化鈦漿料
( 二 ) 頂部電極製作
(1) 導電面確認 (2) 貼記號
(3) 塗佈
(4) 塗佈結果 (5) 記號膠帶
去除
(6) 煆燒
(7) 燒結
(8) 取出
(9) 浸泡染料
( 三 ) 底部電極製作
(6) 注入口密封
(1) 對應電極貼附 (2) 對位
(3) 樹脂密封 (4) 電解溶液
注入
(5) 對位
(8) 接線而量測
(7) 銀膠塗佈
鍍具透明導電膜的玻璃基板

使用於染料光敏化太陽電池的透明導電薄膜，其材料
的種類及其成份，分別地有：
 摻雜銦的氧化鋅 (In-Doped ZnO, IZO)。
 摻雜鋁的氧化鋅 (Al-Doped ZnO, AZO)。
 摻雜錫的氧化銦 (Sn-Doped In2O3, ITO)。
 摻雜氟的氧化錫 (F-Doped SnO2, FTO)。
 摻雜銻的氧化錫 (Antimony-Doped, Sb-Doped
SnO2, ATO)。
 氧化鋅 (ZnO)。
 氧化錫 (SnO2) 等，其中以摻雜氟的氧化錫為主
奈米多孔電極

奈米多孔質半導體薄膜電極的主要功能，是用
於吸附染料高分子以及將染料受太陽光之後，
所產生的電子載體經由半導體/透明導電薄膜
電極，傳輸於外電路以及對應電極，其半導體
材料的粒徑大小以及有效表面積大小是相當地
重要的
染料光敏化劑(Dye Sensitizer)
染料分子的材料種類有許多種，其中以Ru金屬
錯合物有機分子為主的
 常見的染料種類：
 N-719
 N3
 Black Dye



電解液 (Electrolytes)：因其存在形態的不
同，分別有：固態的,液態的,膠態的
對 向 或 對 應 觸 媒 電 極 (Counter Catalytic
Electrode) ：朝向價位低而特性優的新材料
，以替代白金材料
封合材料 (Encapsulation Materials)
 在封合材料的種類方面，可分為：
 熱敏感性封合樹脂材料
 紫外光敏感性封合樹脂材料
有機半導體型太陽能電池


有機半導體型太陽能電池：以導電性高分子材
料為基礎，而製作出來的一種新型太陽能電池
；其光電轉換效率大約是5.0%
有機半導體型太陽能電池，是以導電性高分子
為其主體的材料，因而可以分為：
 p型與n型導電性高分子
 導電性高分子與無機奈米材料
 導電性高分子與碳系材料


有機半導體型太陽能電池的基本結構，是由半
導體端的電極以及其相對應的電極，相互挾集
而成的一種三明治結構，並在兩電極之間填充
有機半導體以及奈米碳微粒等。
有機半導體型太陽能電池主要用於產生發電效
應的是光活性層，而其主要的材料是導電性高
分子材料，它是由可提供電子的施體以及可接
受電子的受體等特性材料所組合的，因而此一
活性層又稱之為「施體-受體活性層」。
O
O
n
Al
PHT
MEH - PPV / PCBM
複合膜
OMe
O
S
ITO
n
玻璃基板
(a) MEH - PPV / PCBM 複合膜
頂部電極
Al
P3HT / PCBM
複合膜
LiF
PEDOT: PSS
ITO
玻璃基板
PTBEHT / PCBM
頂部電池
Au / PEDOT
LiF / Al
中間電極
PFBTBT / PCBM
底部電池
Cr / Au / PEDOT
玻璃基板
底部電極
入射太陽光
(b) PHT / PCBM 複合膜
(c) 全高分子堆疊式有機太陽能電池 (tandem cell)
有機半導體型太陽能電池基本原理



當太陽光照射，在光活性層或活性層內，其載體將受
到激發作用，由最高已佔據分子軌域 (HOMO) 轉移至
最低未佔據分子軌域 (LUMO)，進而形成高能量狀態的
載體，稱之為「激發子」。
在施體及受體的界面處，發生電荷載體分離作用。在
電荷載體分離作用的基本物理機制上，將有激發子形
成、激發子擴散遷移、離子反應基配對形成、以及激
發子分離等過渡反應步驟。
在光活性層或活性層之內，摻雜電荷載體增加劑，以
強化其載體的傳輸路徑；其中的導電性高分子的功能
僅用於傳輸電洞，而摻雜的物質則是擔當電子的傳輸
功能；載體傳輸路徑的良窳將影響此一電池的光電轉
換效率。
真空
LUMO
LUMO P3HT
h
e
negative
(h )
LUMO PCBM
positive
e
Al

h
ITO / PEDOT
HOMO P3HT
ITO
PEDOT
P3HT PCBM
: PSS
HOMO PCBM
能量
(a) 元件的構造及其原理
(b) 能階中電荷轉移機制
Al

有機太陽能電池所產生電流量大小受制於：

光活性層的材料特性

導電性高分子的電荷載體移動率
有機半導體型太陽能電池製程技術


有機半導體型太陽能電池的製作方法，相似於
有機電光二極體：
 旋轉塗佈法 (Spin Coating)
 蒸著法 (Evaporation)
 噴墨列印法 (Inkjet Printing)
 網版印刷法 (Screen Printing)
 轉寫印刷法 (Reverse Printing)
有機半導體型太陽能電池的製作方法，與其它
太陽能電池相較，則前者的方法是簡單而價廉
基板
電極薄膜
基板
n 型半導體薄膜
p / n 型混成薄膜
感應線圈
p 型半導體薄膜
透明導電基板
玻璃基板
n 型有機 坩堝 p 型有機
半導體
半導體
(a) 真空蒸鍍法
旋轉平台
抽真空
(b) 旋轉塗佈法