奈米材料於光学方面之应用-太阳能电池

1、奈米材料於光學方面之應用-太陽能電池一、 前言 傳統太陽能電池屬於非晶矽薄膜太陽能電池，工作電極主要採用半導體材料，且工作電極同時需要負擔吸收光能和產生、傳導光電子兩個功能。因此存在著工作電極易於被腐蝕或損失大量可見光的弱點，所以轉換效率較低（<1%），且穩定性問題也比較不易解決。為了降低成本、節約昂貴的半導體太陽能電池結構材料、提高轉換效率，所以改進工程、尋找新材料。目前利用的奈米尺寸半導體材料有TiO2、ZnO、SnO2等。但因為TiO2光電極穩定、便宜、製造簡單、且無毒所以是所有材料中使用最普遍的。 二、 染料敏化太陽能電池 在1991年，瑞士聯邦科學院Gratzel提出一種概念全

2、新的液體太陽能薄膜電池，其光電轉換效率超過7%。其特色是載流子的產生與收集在空間上是分離的。與傳統的太陽能電池不同，此種奈米晶太陽能電池採用的是有機和無機的複合體系，其工作電極是奈米晶半導體多孔薄膜。 三、 材與結構1 導電玻璃 用沉積TiO2米薄膜的基板必須同時兼具透明與導電之特性，因而導電玻璃，即鍍上透明導電氧化物之玻璃，常被用當作光電極之基板。光電產業中最常被使用的透明導電氧化物材為ITO與SnO2，雖然ITO 於擁有較高的導電與透光，但在經熱處後，片電阻卻會大幅上升，因此在染敏化太陽能電池中，常使用熱穩定性較佳的FTO 玻璃做為基板。2 TiO2 米薄膜 TiO2米薄膜光電極常用油墨刮

3、刀法或網版印刷法製備，首先將TiO2 漿糊塗佈於FTO基板上，再以450-500的溫熱處30-60分鐘，將原本漿糊內的碳氫化合物去除，並使TiO2 米燒結在一起。TiO2漿糊可以用商業化TiO2 粉末(如Degussa 的P25)、聚乙烯乙二醇、穩定劑與界面活性劑等調配而成；或是用水解鈦烷氧化物所形成的膠體溶液製備，通常用此法製備之光電極效會較高。TiO2 米薄膜光電極之厚與孔隙，會影響可吸附染面積之大小與電解液滲透之難，進而影響到最後電池之效。而最佳厚與孔隙約為13-14m 與60-70 %，此可使TiO2米薄膜之粗糙因子超過1000以上，即面積為1c之薄膜，其實際總表面積高達1000c以上

4、，因而可大幅增加染之吸附。3 釕染 N3染可以吸收波長為400-800 nm 的可光，而black染可吸收至近紅外光範圍的光(400-900 nm)，因而用這些染可大幅增加太陽光之用。而N3、N719或black染含有NCS 配位基，此配位基屬於推電子基，可當作電解液中氧化還原對傳輸電子之受體，因而染之再生效可以較高。除此，NCS 推電子基也可使染的HOMO 能階往較負方向位移(因電子密增加)，而使染之吸收可以紅位移，並擴展至近紅外光。4 氧化還原對電解液 I-/I3-氧化還原對為最常使用之電解質，為電子於對電極與TiO2光電極間傳輸之媒介。電解液配方通常為0.1-0.5 M的LiI、NaI、

5、KI、tetralkylammonium iodide或imidazolium-derivative iodides與0.05-0.1 M 的I2，使用的溶劑為非質子溶劑，如acetonitrile、propionitrile、methoxyacetonitrile、propylene carbonate 等或其混合物。電解液之配方會影響電解液的導電與TiO2 導帶最低能階位置，進而也會影響電池之效。5 對電極 為使I3-於對電極再還原為I-，對電極必須擁有高的電化學活性。通常用濺鍍一層Pt屬的導電玻璃當作對電極，Pt 厚約為200nm左右。取決於濺鍍Pt 之電化學活性高低，對電極還原I3-之

6、交換電密約為0.01-0.2A/ c，此會直接影響電池之填充因子。染料敏化太陽能電池-結構圖四、 工作原理染料敏化太陽能電池-工作原理圖 上圖為染敏化太陽能電池工作原之示意圖，其光子轉換成電子包括幾個步驟：(1) 染藉由吸收光子(MLCT 躍遷)，從基態(ground state (S)激發至激發態(excited state (S*)，如式(1.1)所示。S + hv S* (1.1)(2) 於染LUMO 能階之激發電子，藉由與TiO2 導帶能階差而注入到TiO2 導帶，染分子也因而轉變成氧化態(S+)，如式(1.2)所示。S* S+ + e (TiO2) (1.2)(3) 注入到TiO2

7、導帶的電子，因濃差而擴散傳輸至透明導電氧化物，再經由外部電傳輸至對電極。(4) 氧化態(S+)染分子藉由與電解液中I-反應，獲得電子而再回到基態(S)，I-也因而氧化成I3-，如式(1.3)所示。2S+ + 3I 2S + I (1.3)(5) 氧化態電解質(I3-)再擴散到對電極，還原成I-(式(1.4)，最後形成一迴而產生電。I + 2e 3I (1.4) 傳統的p-n 接面太陽能電池，電荷分之驅動，主要是p-n接面之內建電位。而在染敏化太陽能電池中電荷之分，則是藉由半導體/染界面間非對等之電子傳輸動，造成電子與電分別積於TiO2 與染中，進而產生擴散分，此電子傳輸動與染的LUMO 與HO

8、MO 能階、TiO2導帶最低能階以及I-/I3-氧化還原對能階之相對大小有關。為確保電池能夠運作，染的LUMO 能階必須較TiO2 導帶最低能階負，HOMO能階必須較氧化還原對能階正，即E1 與E2 必須大於200mV，這樣電子傳輸的驅動才夠大。在光電化學電池，輸出電壓是由半導體費米能階與氧化還原對能階間之差所貢獻的，而此差與電解液內電解質組成及濃有關。五、 TiO2其他應用i. 微機電材料 ii. 光催化劑 iii. 微生物的光分解作用 iv. 防霧材料 v. 自潔性塗料 vi. 光柵 六、 結論 染料敏化太陽能電池的製作工藝簡單，成本低廉，是解決目前能源緊張問題的一條非常有效的途徑。 因此研究如何利用奈米晶材料的特殊性能，合理地選擇敏化染料即電極構造，可進一步提