Transcript 下載/瀏覽
Dye-Sensitized Solar Cell (染料敏化太陽能電池) 學 生:邱騰震 授課老師:鄒文正老師 1 Southern Taiwan University of Technology 2005/1/3 Outline 1.前言 2.染料敏化太陽能電池簡介 3.實驗的步驟和方法 4.染料敏化太陽能電池的發展 5.未來研究的方向 2 Southern Taiwan University of Technology 前言 隨著工業文明的迅速發展, 由此引發的能源危機和環境污染成 為極待解決的問題，利用跟轉換太陽能是解決世界範圍內的能 源危機和環境污染的一條重要途徑。 近年來太陽電池發展的迅速，以矽半導體為主的高效率太陽電 池已能夠量產和應用，而價格也降到早期的十分之一，但在使 用上成本還是太高，考慮材料等因素，其全面的普及性還是有 很大的問題 。 如欲往更高效率、更低成本的路邁進的話，導入現在正熱門的 〝奈米技術〞於太陽電池的領域，是一個不錯的研究方向，也 是一調嶄新的道路。 3 Southern Taiwan University of Technology 前言 目前太陽能電池引入奈米材料與技術，大致可分為以下幾大類： 1.薄吸收層太陽電池(Thin Absorber Solar Cell)，又可分為： (1) 染料敏化(Dye-Sensitized)太陽電池 (2) 超薄吸收層(Extra-Thin Absorber；ETA)太陽電池 2.有機/奈米無機複合材料太陽電池 3.量子井(Quantum Wells；QW)及量子點(Quantum Dots；QD)太陽電池 4.奈米結構熱電太陽電池 因其具有低製造成本、高效率、製程簡易、可大面積化並且具可撓 曲性之優點為一般矽半導體為主的太陽電池所缺乏，而頗受矚目。 4 Southern Taiwan University of Technology 染料敏化太陽能電池簡介 由瑞士洛桑高等工業學校(EPFL)M.Grätzel教授領導的 研究小組，在1991年所發展出來的一種染料敏化奈米 薄膜電池，其光電轉換效率達7.1%（AM1.5）而且經過 近幾年的研究在1993年效率已達到在10%以上。 優點: 1.可以克服半導體本身只吸收紫外光的缺點，使得電 池對可見光譜的吸收大大增加 2.可通過改變染料的種類得到理想的光電化學太陽能 電池 3.大大降低生產成本，以利於運用於日常生活中 5 Southern Taiwan University of Technology 染料敏化太陽能電池簡介 結 構 <染料敏化太陽能電池結構圖> 6 Southern Taiwan University of Technology 染料敏化太陽能電池簡介 發電機制 1.染料分子吸收太陽光能後躍遷到激發態 dye(S) + light → dye*(S*) 2.激發態不穩定，電子快速注入到緊鄰的TiO2導帶 dye*(S*) + TiO2 → e-(TiO2) + oxidized dye(S+) 3.染料中失去的電子則很快從電解質中得到補償 oxidized dye(S+) +3/2 I-(A-) → dye(S) + 1/2I3-(A) 4.進入TiO2導帶中的電子最終進入導電膜，然後通過外回路產生光電流。 1/2I3-(A) + e-(counter electrode) → 3/2I-(A-) 7 Southern Taiwan University of Technology Dye Sensitized Solar Cells S+/S* Conduction Band e- Valence Band S+/S Vmax t2g Fermi Level I3 -/I - I3 - TiO2 8 Southern Taiwan University of Technology Dye Sensitized Solar Cells S+/S* e- Fermi Level Conduction Band Vmax e- Valence Band S+/S I3 -/I - I3 - TiO2 9 Southern Taiwan University of Technology Dye Sensitized Solar Cells S+/S* Fermi Level Conduction Band Vmax I3 -/I - eValence Band S+/S I3 - TiO2 10 Southern Taiwan University of Technology Dye Sensitized Solar Cells S+/S* Fermi Level Conduction Band Vmax S+/S Valence Band TiO2 I3 -/I - I3 - e11 Southern Taiwan University of Technology Dye Sensitized Solar Cells S+/S* Fermi Level Conduction Band Valence Band Vmax I3 -/I - I3 - S+/S TiO2 e12 Southern Taiwan University of Technology Dye Sensitized Solar Cells S+/S* Fermi Level Conduction Band Valence Band Vmax S+/S I- I3 -/I - eI3 - TiO2 13 Southern Taiwan University of Technology Dye Sensitized Solar Cells S+/S* Fermi Level Conduction Band Valence Band Vmax I- I3 -/I - S+/S TiO2 14 Southern Taiwan University of Technology Dye Sensitized Solar Cells S+/S* Fermi Level Conduction Band Vmax I- I3 -/I - eValence Band S+/S I3 - TiO2 15 Southern Taiwan University of Technology Dye Sensitized Solar Cells S+/S* Conduction Band e- Valence Band S+/S Vmax t2g Fermi Level I3 -/I - I3 - TiO2 16 Southern Taiwan University of Technology 染料的發展 • 對於世界上已發展的染料中，Ru-bipyridine的錯合體是被證實為目前 最有效的染料，歸因於其有寬的吸收光譜、有利的光電化學性質、高 穩定的氧化態。 • 但高效率的背後代表著高成本，昂貴的價格造成其他染料的研究與發 展，例如：葉綠素(chlorophyll)和紫質(porphyrin)衍生物等。 紫質衍生物TCPP之分子結構圖 植物之光合作用示意圖 17 Southern Taiwan University of Technology 實驗步驟與方法 • 染料敏化太陽能電池的製作 二氧化鈦薄膜電極製備 1. TiO2鍍膜液採用溶膠-凝膠法(sol-gel)的製程。 四丁基氧鈦 Ti[O(CH2]3CH3]4 …………(金屬烷氧化合物) 乙 醇 C2H5OH 鹽 酸 HCl 去離子水 distilled water PEG 1000 (聚乙二醇) 2. 利用旋轉塗佈法(spin-coated)將TiO2塗佈於ITO玻璃上。 3.將塗佈完成的ITO導電玻璃放在烘箱中以100℃烘烤30分鐘後，接著放入 高溫爐中以2℃/min加熱到約450℃，並維持30分鐘後自然冷卻至室溫 。 4. 將製備完成的電極浸於濃度為3×10-4M的染料(TPP、OEP、TCPP)溶液中 吸附12小時。 18 Southern Taiwan University of Technology • 奈米二氧化鈦的製作 • 溶膠－凝膠法(Sol－Gel method） 溶膠－凝膠法為一種經由水解(Hydrolysis)與縮合(Condensation)反 應過程，而得到晶粒與孔隙度大小具有一致性（uniform）的奈米材料， 為最常被用來製備陶瓷材料（Ceramic material）的方法之一 。 內容 溶膠－凝膠法 其他製程 佳 不易達成 低 高 成本 低 高 產物品質 佳 較差 能源消耗 低 高 摻雜物(dopant) 均勻度 佳 較差 以起始反應物(Precursor)的不同， 溶膠－凝膠法可分類為： 微結構控制 1.金屬烷氧化物（Metal alkoxides） 製程操作溫度 成本較高 、製備出粒徑較均勻 2.金屬鹽類（Metal salts） 成本較低 、製備出粒徑較不均勻 溶膠－凝膠法與其他製程之比較 19 Southern Taiwan University of Technology • 染料敏化太陽能電池的製作 白金電極製備 • 利用蒸鍍法來製備白金(Pt)背電極。 使用電子束蒸鍍機(Electron-Beam Evaporation)，放置內含Pt靶 材的坩鍋作為蒸鍍材料，並利用膠帶將導電玻璃黏在holder上，抽 取真空度到達5×10-6 Torr後，以0.5Å/sec的鍍率開始蒸鍍，設定蒸 鍍50nm的厚度，蒸鍍約20分鐘後即完成白金電極的製備。 液態電解液製備 • 配製含0.5M的碘化鉀(KI)與0.05M的碘(I2)之乙腈(acetonitrile)溶液作為電 解質溶液。 20 Southern Taiwan University of Technology • 染料敏化太陽能電池的製作 元件組裝 • 將浸泡與吸附染料完成的TiO2電極，與電解質和Pt電極形成三 明治結構的太陽能電池元件，以UV膠封合正反電極，組裝完 成的元件為 ITO / TiO2(Dye) / [0.5M KI , 0.05M I2 , CH3CN ] / Pt /ITO 正極(銅膠帶) TiO2/Dye/electrolyte 負極 Southern Taiwan University of Technology 21 染料敏化太陽能電池的發展 染料敏化太陽電池的研究主要集中在幾個方面： 1.染料分子的光電化學反應的機制 2.研究和改善染料分子結構，提高電荷分離效率，使染料敏化 作用向長波方向延伸 3.染料敏化太陽電池的機制 4.二氧化鈦光電極結構改善(提高二氧化鈦與染料的接觸面積) 22 Southern Taiwan University of Technology 染料敏化太陽能電池的發展 ECS是目前全世界電化學領域最頂尖的研討會，2002年5月 份於美國費城所舉辦的第201屆會議，在染料敏化太陽電池領域 共收錄53篇論文，顯示國際研究競爭已經趨近白熱化。 日本方面，共有三十所以上的大學、研究機構投入染料敏 化太陽能電池的技術開發，具有相當驚人的研發動能，其中又 以AIST(產業技術綜合研究所)、靜岡大學、橫濱大學、Toshiba 公司、Sharp公司最為積極。目前Toshiba公司已開發出效率達 7.3%的染料敏化太陽能電池商品，而AIST最近也宣稱新設計的 香豆素(Coumarin)染料達成7.45%的光電轉換效率。 23 Southern Taiwan University of Technology 染料敏化太陽能電池的發展 在台灣方面，台灣工業技術研究院能源與資源研究所正致力 研究低成本的奈米材料的太陽能电池，其中，應用奈米晶體研發 出的“染料敏化太陽能電池”可望取代傳统的太陽能電池的矽基 材料，成為二十一世纪新能源技術主流應用新材料。除此之外， 國內各大學院校也積極投入研究此領域。相信不久將來，將有不 錯的成果即將展現。 值得注意的是，為了節省製造成本，日本靜岡大學以熱分解 噴鍍技術(Spray Pyrolysis Deposition)製備染料敏化太陽能電池， 由於熱分解噴鍍技術具有低成本、高效率鍍膜特性，未來可能會 加速染料敏化太陽能電池商業化量產速度。 24 Southern Taiwan University of Technology 國內太陽光發電發展狀況(I：MRL) 1980 1985 1990 1995 2000 •架設獨立型太陽光發 電系統 •量產非晶矽太陽電池 (光華科技, 1988年) •架設實驗型與市電併聯型太 陽光發電系統及監測分析 •量產結晶矽太陽電池 (士林電機, 2000年) •太陽光發電示範系統設置 •晶矽太陽電池研製(核研所) •非晶矽太陽電池研製 •高效率非晶矽太陽電池 •商品化非晶矽太陽電池 •可撓式非晶矽太陽電池 •結晶矽太陽電池 •結晶矽太陽電池模板 •低溫 ploy 薄膜太陽電池 •建材一體化模板研製 •奈米(Nano)太陽電池 2005 •示範推廣獎勵補助辦法實施 Southern Taiwan University of Technology 25 26 Southern Taiwan University of Technology 未來研究方向 Aluminum film ITO film Glass Substrate Anodization Barrier layer ITO film Glass Substrate 27 Southern Taiwan University of Technology Anodic oxidation of Aluminum(鋁陽極處理) 金屬鋁薄片(ITO玻璃上鍍鋁，2μm)與適當的電解液( 硫酸、草酸、磷酸 ) 和 陰極金屬 ( 白金、銅 ) 搭配形成電化學電池。 ＋ － Pt stirring Acid solution Water bath 28 Southern Taiwan University of Technology Etching <磷酸> ITO film Glass Substrate 29 Southern Taiwan University of Technology TiO2 ITO film Glass Substrate TiO2 ITO film Glass Substrate 30 Southern Taiwan University of Technology TiO2 ITO Glass substrate TiO2 ITO Glass substrate 31 Southern Taiwan University of Technology