臺灣博碩士論文加值系統

本研究針對染料敏化太陽能電池染料層製備進行優化，並對電池做老化測試。本研究分別選用釕錯合物染料及紅汞以及製作電池之染料層，再分別使用浸泡法及超音波處理法來製備染料層。在本研究中，電池的工作面積為0.25 cm2。
由釕錯合物染料敏化太陽能電池的研究結果得知：利用浸泡法備製之太陽能電池可測得之轉換效率可達3.92%。另外，利用超音波處理法備製之太陽能電池在功率200 W及震盪時間10 min時可測得電池之轉換效率為3.23%；在功率200 W及震盪時間15 min的時可測得電池之轉換效率為3.68%。
由在紅汞染料敏化太陽能電池的研究中，分別採用兩種市售紅汞液經去離子水稀釋。當染料溶液之莫耳濃度為0.133 mM時，所製備之工作電極與染料層在480 nm ~ 600 nm範圍有最佳之吸收譜線。再利用由太陽光模擬器進行老化測試的研究結果顯示，利用浸泡法之電池轉換效率最高可達到1.53%，而利用超音波處理法之電池轉換效率最高可達1.49%。由於浸泡法需時24 hr才能完成電池工作電極備製，而超音波處理法只需時15 min，故後者確實可以大幅縮減染料層的製備時間。
最後，本研究亦試驗在ITO玻璃上燒結一層碳膜，以做為電池之對電極研究顯示當電極經燒結30 s後，其所製成電池之轉換效率可達0.81%。

In the study, we focus on the optimization of the dye layer in the proposed dye-sensitized solar cells. Burn-in tests are conducted for the measurement of those cells to evaluate the conversion efficiencies with respect to test time. Mercurochrome and the ruthenium complex N719 are utilized separately as the dye material of the cells. Typical immersion method and the ultrasonic treatment are studied individually in the fabrication of the dye layers of the cells for comparison purpose. The working area for each cell is set to be 0.25 cm2. In the study of N719 dye-sensitized solar cells, the results show that the record-high conversion efficiency of the cells using the typical immersion method is measured to be 3.92%. On the other hand, the measured efficiency of the cells using the ultrasonic treatment method under the process of 200 W for 10 minutes is 3.23%, while the efficiency measured under the process of 200 W for 15 minutes is 3.68%.
In the study of mercurochrome dye-sensitized solar cells, two commercial mercurochrome solutions are diluted separately with deionized water. When the molar concentration of the dye solution is dropped to 0.133 mM, the prepared working electrode with the dye layer shows the best absorption of the sun light in the range of 480 nm ~ 600 nm. In the burn-in test, the result shows that the best efficiency of the cells through the immersion process of 24 hours is measured to be 1.53% and that through ultrasonic treatment for 15 minutes is 1.49%. Thus, the ultrasonic method incorporated in the process of dye-sensitized solar cells is able to dramatically reduce the fabrication cost.
In addition, a carbon thin film is also studied in the fabrication of the counter electrodes of the dye-sensitized solar cells. The resultant cells shows a conversion efficiency of 0.81%, which is beyond our expectation

中文摘要 I
Abstract II
致謝 III
目錄 V
圖目錄 VIII
表目錄 XI
第1章 緒論 1
1.1 太陽能電池之發展 1
1.1.1 綠色能源之現況 1
1.1.2 太陽能電池之發展之介紹 4
1.1.3 染料敏化太陽能電池 5
1.2 本實驗室相關之研究 8
1.3 文獻探討 21
1.3.1 紅汞染料敏化太陽能電池之相關文獻 21
1.3.2 染料敏化太陽能電池快速製程之相關文獻 22
1.4 研究目的 24
1.5 論文架構 25
第2章 研究方法 26
2.1 染料敏化太陽能電池之結構特性與原理 26
2.1.1 電池結構 26
2.1.2 工作原理 27
2.1.3 影響染料敏化太陽能電池之因素 29
2.2 實驗流程 31
2.2.1 玻璃基板清洗 31
2.2.2 工作電極之製備 33
2.2.3 對電極之製備 36
2.2.4 染料之調配 38
2.2.5 染料層之製備 40
2.2.6 染料敏化太陽能電池之組裝 42
2.3 實驗材料 44
2.3.1 銦摻雜氧化錫層導電玻璃基板 44
2.3.2 二氧化鈦 45
2.3.3 界面活性劑 45
2.3.4 分散劑 45
2.3.5 N719 染料 45
2.3.6 紅汞染料 45
2.3.7 電解液之調配 46
2.4 製程設備 46
2.4.1 濕式工作台 46
2.4.2 電子精密天秤 47
2.4.3 旋轉塗佈機 48
2.4.4 高溫氣氛控制爐管 49
2.4.5 電子束蒸鍍機 49
2.5 量測設備 50
2.5.1 光伏特性量測 50
2.5.2 微型光譜分析儀 51
2.5.3 國際標準色卡比對法 52
2.6 實驗規劃 53
第3章 量測結果與討論 55
3.1 N719染料敏化太陽能電池 55
3.1.1 經浸泡法之N719染料敏化太陽能電池之效能 55
3.1.2 經超音波處理法之N719染料敏化太陽能電池之效能 57
3.2 紅汞染料敏化太陽能電池 59
3.2.1 具紅汞染料層之工作電極之色卡對比 59
3.2.2 具紅汞染料層之工作電極之光吸收率 61
3.2.3 經浸泡法製備之紅汞染料敏化太陽能電池之效能 64
3.2.4 經超音波處理法之紅汞染料敏化太陽能電池之效能 67
3.2.5 紅汞染料敏化太陽能電池之相關文獻比較 70
3.3 具碳膜對電極之染料敏化太陽能電池之效能 72
第4章 結論與未來研究工作 73
參考文獻 74
附錄 78
A.1 紅汞藥水之莫爾濃度計算 78
A.1.1 天乾紅汞液藥水 78
A.1.2 好貼紅汞液藥水 78
A.2 電子束蒸鍍機台之保養介紹 79
A.2.1 真空計之拆裝維修保養（清潔步驟） 79
A.2.2 電子束蒸鍍機真空再生以及相關知識 87
A.2.3 電子束蒸鍍機之電子束發射座拆卸 93
簡歷表 94

圖目錄
圖 1.1 世界能源消耗概況 2
圖 1.2 西元2019各國使用之能源分佈 3
圖 1.3台灣近二十年來化石能源以及再生能源之發電量 3
圖 1.4 歷代太陽能電池之種類 5
圖 1.5 各類太陽能電池轉換效率年表 7
圖 1.6 西元2014 - 2025 近十年典型與高效率太陽能電池的市場佔有率評估 7
圖 1.7 歷年本實驗室於染料敏化太陽能電池之研究 8
圖 1.8 由不同電解質所構DSSC之I - V曲線 9
圖 1.9 不同濺鍍製程之N719 - DSSC之I - V曲線 10
圖 1.10 具不同Pt厚度之DSSC之I - V曲線 11
圖 1.11 具NiO薄膜DSSC之I - V曲線 11
圖 1.12 經不同乙醇濃度所製程之DSSC之I - V曲線 12
圖 1.13 經不同氧化鈮濺鍍時間所製成之DSSC之I - V曲線 13
圖 1.14 經不同退火溫度工作電極所組成DSSC之I - V曲線 13
圖 1.15 具不同莫耳濃度紅汞製備之DSSC之I - V曲線 14
圖 1.16 具不同莫耳濃度聚維酮碘製備之DSSC之I - V曲線 15
圖 1.17 具不同染料DSSC之I - V曲線 15
圖 1.18 經不同超音波處理時間之SCC - DSSC之I - V曲線 16
圖 1.19 經不同超音波處理時間之N719 - DSSC之I - V曲線 17
圖 1.20 混合式複合染料DSSC之I - V曲線 18
圖 1.21 逐步式複合染料DSSC之I - V曲線 18
圖 1.22 經不同震盪時間製備之SCC - DSSC之I - V曲線 19
圖 1.23 經不同震盪時間製備之SQ2 - DSSC之I - V曲線 20
圖 1.24 經不同震盪時間製備之N719 - DSSC之I - V曲線 20
圖 2.1 DSSC基本結構示意圖 27
圖 2.2 DSSC之工作原理 28
圖 2.3 ITO玻璃基板清洗之流程 31
圖 2.4 清洗後ITO玻璃照片 32
圖 2.5 工作電極製備之流程 33
圖 2.6 已定義工作面積之ITO導電玻璃照片 34
圖 2.7 TiO2 漿料照片 35
圖 2.8 加熱平台照片 35
圖 2.9 TiO2工作電極照片 35
圖 2.10 對電極之製備流程 36
圖 2.11 Pt對電極照片 37
圖 2.12 碳對電極照片 37
圖 2.13 N719染料調配之流程 38
圖 2.14 N719染料溶液照片 38
圖 2.15 紅汞染料溶液調配之流程 39
圖 2.16 紅汞染料溶液照片 39
圖 2.17 利用浸泡法製備染料層之流程 40
圖 2.18 利用超音波處理法製備染料層之流程 40
圖 2.19 染料吸附在TiO2工作電極照片 41
圖 2.20 DSSC電池組裝示意圖（一） 42
圖 2.21 DSSC電池組裝示意圖（二） 42
圖 2.22 DSSC 組裝完成照片 43
圖 2.23 濕式工作台照片 47
圖 2.24 電子精密天秤照片 47
圖 2.25 旋轉塗佈機照片 48
圖 2.26 高溫氣氛控制爐照片 49
圖 2.27 電子束蒸鍍機 50
圖 2.28 太陽光模擬器 51
圖 2.29 比爾 - 朗伯定律之光吸收示意圖 52
圖 2.30 微型光譜分析儀 52
圖 2.31 N719染料敏化太陽能電池之實驗流程圖 53
圖 2.32 紅汞染料敏化太陽能電池之實驗流程圖 54
圖 2.33 具碳膜對電極染料敏化太陽能電池之實驗流程圖 54
圖 3.1 經浸泡法製備之N719 - DSSC之I - V曲線 56
圖 3.2 經超音波處理法製備之N719 - DSSC之I - V曲線 58
圖 3.3 具品牌A之紅汞染料之二氧化鈦工作電極之色卡比對結果 60
圖 3.4 具品牌B之紅汞染料之二氧化鈦工作電極之色卡比對結果 61
圖 3.5 具品牌A紅汞染料層之二氧化鈦工作電極之光吸收譜線 62
圖 3.6具品牌B紅汞染料層之二氧化鈦工作電極之光吸收譜線 63
圖 3.7 兩種紅汞染料層之二氧化鈦工作電極莫耳濃度0.133 mM之光吸收譜線 63
圖 3.8 兩種紅汞染料層之二氧化鈦工作電極莫耳濃度0.266 mM之光吸收譜線 64
圖 3.9 經浸泡法製備之MC - DSSC之I - V曲線 65
圖 3.10 經浸泡法製備之MC - DSSC( burn-in test )之I - V曲線 66
圖 3.11 經超音波處理法製備之MC - DSSC之I - V曲線 68
圖 3.12 經超音波處理製備之MC - DSSC( burn-in test ) 之I - V曲線 69
圖 3.13 經浸泡法製備之C - DSSC之I - V曲線 72

表目錄
表 1.1 紅汞染料敏化太陽能電池研究彙整表 22
表 1.2 DSSC 快速製程方法研究彙整表 23
表 2.1 實驗材料及廠牌介紹 44
表 2.2 製程及量測設備表列 46
表 3.1 本研究經浸泡法製成之N719 – DSSC之效能 56
表 3.2 近期應用傳統浸泡法製成之N719 - DSSC 電池之效能比較 57
表 3.3 本研究經超音波處理法製成之N719 – DSSC之效能 58
表 3.4 近期N719 - DSSC 相關快速製程文獻比較 59
表 3.5 本研究經浸泡法製備之MC – DSSC之效能 65
表 3.6 經浸泡法製備之MC - DSSC( burn-in test )之效能 67
表 3.7 本研究經超音波處理法製備之MC – DSSC之效能 68
表 3.8 經超音波處理法製備之MC - DSSC( burn-in test )之效能 70
表 3.9 近期MC - DSSC 電池相關文獻比較 70
表 3.10 本研究經浸泡法製備C – DSSC之效能 72

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