染料敏化太陽能電池體驗營

Report
染料敏化太陽電池實作體驗
內湖高工
99年度能源國家型科技人才培育計畫
---太陽光電科技人才培育資源中心
華梵大學 電子工程學系
副教授 陳淮義
2011年6月9日
內容大綱
•
•
•
•
太陽光輻射強度頻譜密度
太陽電池材料種類
太陽電池應用
太陽電池電流-電壓特性與效率相
關參數
• 染料敏化太陽電池
–
–
–
–
仿生構想
結構
操作原理
實作
2
太陽光輻射強度頻譜密度
3
太陽電池材料種類
4
太陽電池應用
太陽能發電廠
消費性電子產品
交通運輸
都市建築發電系統
公用交通建築
獨立發電系統
5
染料敏化太陽電池仿生構想
• 綠色植物光合作用現象
Chl: 葉綠素(Chlorophyll)
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染料敏化太陽電池結構
銦錫氧化物(ITO)或
掺氟氧化錫(FTO)
導電玻璃
光導電極(工作電極)
二氧化鈦
染料
電解質溶液
觸媒(白金或碳黑)
輔助電極(對向電極)
奈米多孔性TiO2結構
註: 染料敏化太陽電池 (Dye-Sensitized Solar Cells: 簡稱 DSSC)
7
染料敏化太陽電池操作原理
E1 : TiO2傳導帶能階
E2 : 電解質位能
LUMO:最低未佔據分子軌域
HOMO:最高已佔據分子軌域
(工作電極)
(對向電極)
S  hv  S *
S *  TiO2  e  (TiO2 )  S 
S   3 / 2 I   S  1 / 2 I 3
I 3  2e   S  3 / 2 I 
8
太陽電池電流-電壓特性
Isc
Im
Pm
Vm
Voc
Pm :最大輸出電功率
Vm :最大輸出電功率對應電壓
Im :最大輸出電功率對應電流
Voc :開路電壓 Isc: 短路電流
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太陽電池效率相關參數
• 能量轉換效率(η)
– 進入太陽電池的入射光功率(Pin)與太陽電池之
最大輸出電功率(Pm)的百分比值
Pm
Vm  I m
  100% 
100%
Pin
Pin
• 填充因子(FF: filling factor)
Pm
Vm  I m
FF 

Voc  I sc Voc  I sc
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染料敏化太陽電池實作(1/8)
• DSSC製作流程
– 二氧化鈦漿料製備
– 二氧化鈦光導電極製備
– 染料溶液製備
– 輔助電極製備
– 電解質溶液製備
– 元件封裝
– 轉換效率電性量測
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染料敏化太陽電池實作(2/8)
• 二氧化鈦漿料製備
(a) 依序加入水 50ml
及 冰醋酸2ml
(d)加入界面活性劑
Triton X-100 3ml
(b)加入奈米級二氧化
鈦粉末 30g
(e) 均勻攪拌
(c)加入調配好的乙酸
溶劑中
(f)完成二氧化鈦漿料
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染料敏化太陽電池實作(3/8)
• 二氧化鈦光導電極製備
(a)以酒精與丙酮交互擦
拭FTO玻璃基板且以
三用電表確定導電面
(b)於基板導電面上以玻
璃棒沿著同一方向均
勻塗抹上TiO2漿料
(d)從室溫加熱到500oC
2小時,持溫1小時
,降溫到室溫18小時
(e)完成二氧化鈦光導
電極
(c)撕下膠帶
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染料敏化太陽電池實作(4/8)
• 染料溶液製備
(a) 取N3 染料2.2251
mg
(b)將染料放入10 ml乙
醇溶劑中, 配製濃度
為3x10-3M的N3 染料
溶液
(c)將TiO2光導電極,浸
泡入染料溶液中12小
時,取出試片後自然
吹乾
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染料敏化太陽電池實作(5/8)
• 輔助電極製備
– FTO玻璃基板清洗
• 以丙酮與酒精溶液於超音波水槽內震洗FTO玻璃基
板
– 決定導電面
• 基板清洗完畢後,以氮氣槍吹乾,並用三用電表量
測哪一面為導電面
– 製作碳黑電極
• 利用打火機或蠟燭的火焰於導電面上來回移動煙燻,
製備碳黑輔助電極
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染料敏化太陽電池實作(6/8)
• 電解質溶液製備
(a) 加入丙醯碳酸酯
20 ml
(d)混合
(b)加入碘化鉀 1.66g
(e) 均勻攪拌
(c)加入碘 0.254g
(f)完成電解質溶液
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染料敏化太陽電池實作(7/8)
• 元件封裝
(a) 將吸附染料完成的
光導電極和輔助電極
對合,對合時中間以
PE膜作為間距,之後
用長尾夾固定住光導
電極和輔助電極
(b)於兩電極間注入電
解質溶液,利用毛
細現象,讓電解液
填滿電池內部,隨
後移除PE膜
(c)用AB膠將元件四周封
裝起來,並以銀膠黏覆
銅電極組裝完成太陽
能電池元件
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染料敏化太陽電池實作(8/8)
• 轉換效率電性量測
1.4
I-V Curve
1.2
Current (mA)
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
0.0
Voc = 0.602 V
Isc =1.17 mA
Vm = 0.442 V
Im = 0.76 mA
FF = 0.477
η = 0.162%
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
Voltage (V)
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