以奈米TiO[feaf]製作色素增感型太陽電池工作電極之初步探討

Nanocrystalline TiO2 for Porphyrin-Sensitized Solar Cells: A Preliminary Study

本研究以奈米TiO2 粉體製作色素增感型太陽電池之工作電極，研究製程參數對太陽電池光電轉換效率之影響，主要製程變因包括：寬能隙半導體工作電極的製備、增感染料系統篩選、對電極製備與太陽電池封裝等。研究結果發現：以Porphyrin 為敏化染料的色素增感型太陽電池，經由適當製程調控，整體的最佳值VOC=0.53 V，JSC=5.81 mA/cm2，FF=0.34，光電轉換效率為0.39%（實驗室自製光源，未經濾光與強度調整）。Co-adsorbent（deoxycholic acid, DCA）的添加，會影響太陽光的吸收。由I-V 量測的暗電流分析（dark current analysis）中發現：本電池結構之串聯電阻大小與太陽電池之填充因子（fill factor, FF）高度相關，本系統的低光電轉換效率，主要來自低填充因子。由TiO2 工作電極表面結構研究發現：旋塗法較刮刀法更容易控制膜厚與表面孔隙度等特性。以簡單的光生載子擴散模式，推估載子可能穿越的TiO2 膜厚為10μm，與膜厚對光電流之影響實驗所得結果相符。此外，由添加PEG 以調整TiO2 工作電極孔隙度之研究發現：添加PEG 可增加TiO2 工作電極表面積，當PEG 添加量為20% 時（相對於TiO2 重量），TiO2 工作電極有最大BET 表面積 48.2 m2/g。PEG 的添加對DSSC 光電效率影響最大的是短路電流。當PEG 添加量為30% 時，得到最大JSC 值3.91 mA/cm2。此一結果與BET表面積增加趨勢大致吻合。此外PEG 添加量與開路電壓，VOC 的關聯較不明顯，可能原因是添加PEG 後，略微改變TiO2 的表面狀態，但是受到各種製程中不理想因素之掩蓋，在高PEG 添加量時，與VOC 的關聯，呈現不規則的變化趨勢。填充因子與PEG 添加量之關聯，隨PEG 添加量增加而呈現逐漸下降之趨勢。綜合本研究結果可知，以呲喀紫質（Porphyrin）系列花青素染料取代目前效率最佳但是價格昂貴的Ru-complex dye 製作色素增感型太陽電池之工作電極，經由適當製程調控，所製作的電化學太陽電池，仍然可以得到不錯的VOC 與JSC。如何進一步提昇此系列電池的FF 值，以達到合理的效率，仍然有許多改善空間。