專題老師 : 陳龍泉 學生 : 張家碩 日期 : 一百年一月八號
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氧化物及電解液系統對 AgInSe2 光敏化太陽能電池效率的影響
崑山科技大學高分子材料系
專題老師 : 陳龍泉
學生 : 張家碩
日期 : 一百年一月八號112/04/21 1
一、摘要
112/04/21 2
1.本實驗利用電化學沉積法於 ITO-氧化物上成長AgInSe2應用於半導體敏化式太陽能電池,討論氧化物及電解質變數對 SSSC效能的影響。
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2.量測光電轉換效率、 XRD、 SEM、 UV-Vis,討論物理性質並應用於半導體敏化式太陽能電池。
半導體敏化式太陽能電池 (SSSC):
二、前言
112/04/21 4
• 染料敏化太陽能電池 (DSSC),利用染料當光敏化劑,由染料覆蓋著二氧化鈦奈米粒子,染料分子吸收太陽光,但在太陽光長期照射下也會有分解之虞,染料在 DSSC系統上成本依然偏高,由於染料開發不易,且價格昂貴。利用半導體量子點或薄層結構為光敏化劑,此系統稱為 semiconductor-sensitized solar cells,簡稱 SSSC。
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• 由於化石燃料大量的使用,排放過多的溫室氣體,因此尋找乾淨的再生能源是迫在眉睫之工作。
SSSC:
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優點① 光吸收度大於染料② 較高的穩定度③ 吸光範圍大於染料④ 產生多重的激子
因此本實驗中運用電化學沉積方式,將 AgInSe2 成膜於 ITO-氧化物上,討論
氧化物及電解質對光電轉換效率之影響。
三、實驗步驟
112/04/21 7
基板前的處理
利用旋轉塗佈法製備氧化物底材
煅燒溫度,每分鐘升溫1℃ 至 450℃ ,持溫
30min。
分析與鑑定
結果與討論
製備電解質 AgInSe2
電沉積 AgInSe2 薄膜
光電極組裝
XRDSEM
UV-Vis
SEM光電流量測
結果與討論
煅燒溫度,每分鐘升溫1℃ 至 250℃ ,持溫
60min。
Ag2NO3 3mM+InNO3
3.5mM+SeO2 4mM Degas
30min
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四、材料與藥品
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1. 二氧化鈦 (P25)2. 二氧化鈦 (ST-01)3. 五氧化二鈮 Nb2O5 (Niobium(V)oxide,-325mesh,99.9%)
4. 二氧化錫 SnO2 (Tin(IV)oxide,nanopowder,<100nm(BET)
5. 氧化鋅 ZnO (Zinkoxid,99.0%)6. 異丙醇鈦 (Titanium (IV) isopropoxide , TTIP)7. 乙醯丙酮 Acetylacetone,AcAc (99.00% , Fluka)8. 無水乙醇 C2H5OH (Ethanol),95%
9. 硝酸銀 AgNO3(Silver nitrate,99.50%)
10.硝酸銦 In(NO3)3(indium nitrate,99.99%)
11.二氧化硒 O2Se(Selenium(IV)oxide,99.8%)
12.硝酸鉀 KNO3 (Potassium Nitrate,99.0%,日本試藥 )
13.三乙醇胺 N(CH2CH2OH3)3,TEA (99.00% , Merck)
14.硝酸 HNO₃ (nitric acid)
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15.硝酸鈷 Co(NO3)3 (99.00% , Merck)
16.過氯化鋰 LiClO4 (99.00%,日本試藥 )
17.四氟硼酸硝酸 NOBF4 (99.00% , Panreck)
18.碳酸乙烯酯 Ethylene carbonate,EC (99.00% , Merck)19.4-叔丁基吡啶 4-tert butylpyridine,TBP
(99.00% , Aldrich)20.乙腈 Acetonirile (99.99% , Merck)21.鍍銦錫氧化物玻璃基板 ITO (Indium-doped tin
oxide(SnO2:In) , Gem Tech.)8Ω/square
五、結果與討論
112/04/21 12
圖 1.P25 、 ST-01 、 Nb2O5 、 SnO2 、 ZnO 之 XRD圖譜
20 30 40 50 60
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
e
d
c
b
a
inte
nsity
, a.u
.
2 theta, deg
(a)P25 (b)ST-01 (c)Nb
2O
5
(d)SnO2
(e)ZnO
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XRD結構分析
圖 2.(a)P25旋轉塗佈於 ITO基板上 (b) 在 P25上電沉積AgInSe2
(a)
(b)
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SEM表面觀察分析
圖 3.(a)ST-01旋轉塗佈於 ITO基板上 (b) 在 ST-01上電沉積AgInSe2
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(a)
(b)
圖 4.(a)Nb2O5 旋轉塗佈於 ITO基板上 (b) 在 Nb2O5 上電沉積 AgInSe2
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(a)
(b)
圖 5.(a)SnO2 旋轉塗佈於 ITO基板上 (b) 在 SnO2 上電沉積 AgInSe2
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(a)
(b)
圖 6.(a)ZnO旋轉塗佈於 ITO基板上 (b) 在 ZnO上電沉積 AgInSe2
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(a)
(b)
350 400 450 500 550 6000
2
4
6
8
Kub
elka
-Mun
k (a
.u.)
Wavelength(nm)
P25
2.5 3.0 3.5 4.0 4.5
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
(h
)2 (a.
u.)
Photon energy, eV
P25
圖 8.(a)P25 K-M圖公式 :(1- R∞ )2/2R∞求出 K-M值能隙約為 3.44eV及 3.26eV附近
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(a)
(b)
UV-Vis紫外光光譜分析
圖 (b)P25直接能隙之圖譜公式 :(αhν)2= A(hν-Eg)能隙約為 3.21eV 及 3.41eV
附近
350 400 450 500 550 6000
2
4
6
8
10
Kub
elka
-Mun
k (a
.u.)
Wavelength(nm)
ST-01
2.5 3.0 3.5 4.0 4.5
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
(h
)2 (a.
u.)
Photon energy, eV
ST-01
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圖 8.(a)ST-01 K-M圖能隙約為 3.26eV附近
(a)
(b)
圖 (b)ST-01直接能隙之圖譜能隙約為 3.20eV附近
350 400 450 500 550 6000
2
4
6
8
10
Kub
elka
-Mun
k (a
.u.)
Wavelength(nm)
Nb2O
5
2.5 3.0 3.5 4.0 4.5
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
(h
)2 (a.
u.)
Photon energy, eV
Nb2O
5
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圖 9.(a)Nb2O5 K-M圖能隙約為 3.44eV 及 3.22eV附近
(a)
(b)
圖 (b)Nb2O5直接能隙之圖譜能隙約為 3.10eV 及 3.35eV附
近
350 400 450 500 550 6000
2
4
6
8
10
12
Kub
elka
-Mun
k (a
.u.)
Wavelength(nm)
SnO2
2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0
0
1000
2000
3000
4000
5000
(h
)2 (a.
u.)
Photon energy, eV
SnO2
112/04/21 22
圖 10.(a)SnO2 K-M圖能隙約為 3.65eV附近
(a)
(b)
圖 (b)SnO2直接能隙之圖譜能隙約為 3.62eV附近
2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0
0
1000
2000
3000
4000
5000
(h
)2 (a.
u.)
Photon energy, eV
ZnO
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圖 11.(a)ZnO K-M圖能隙約為 3.22eV附近
350 400 450 500 550 6000
2
4
6
8
10
12
K
ubel
ka-M
unk
(a.u
.)
Wavelength(nm)
ZnO
(b)
(a)
圖 (b)ZnO直接能隙之圖譜能隙約為 3.15eV附近
[Co2+],
M
Voc(V
)
Jsc(m
A/cm2)
F.F. η(%)
0.0
5
0.70 0.030 0.32 0.006
7
0.1 0.71 0.015 0.40 0.004
2
0.3 0.76 0.037 0.31 0.008
8
0.5 0.73 0.066 0.37 0.018
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.80.00
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
d
c
b
a
Cur
rent
den
sity
,mA
/cm
2
Voltage,V
(a)Co2+(0.5M)
(b)Co2+(0.3M)
(c)Co2+(0.1M)
(d)Co2+(0.05M)
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圖 12. Co2+濃度對 I-V轉換效率的影響
光電轉換效率的量測
[Co2+],
M
[Co3+],
M
Voc(V
)
Jsc(m
A/cm2)
F.F
.
η(%)
0.297 0.003 0.62 0.12 0.3
4
0.02
6
0.288 0.012 0.67 0.14 0.3
2
0.03
0
0.279 0.021 0.75 0.19 0.2
6
0.03
8
0.273 0.027 0.57 0.20 0.3
3
0.03
9
0.270 0.030 0.48 0.15 0.3
5
0.02
5
112/04/21 25
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.80.00
0.05
0.10
0.15
0.20
e
d
c
b
a
Cur
rent
den
sity
,mA
/cm
2
Voltage,V
(a)Co2+:0.273M,Co3+:0.027M
(b)Co2+:0.279M,Co3+:0.021M
(c)Co2+:0.288M,Co3+:0.012M
(d)Co2+:0.297M,Co3+:0.003M
(e)Co2+:0.270M,Co3+:0.030M
圖 13.不同 Co2+/Co3+比例的電解液對 I-V轉換效率的影響
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.90.00
0.05
0.10
0.15
0.20
e
d
cb
a
Cur
rent
den
sity
,mA
/cm
2
Voltage,V
(a)ZnO (b)SnO
2
(c)P25 (d)Nb
2o
5
(e)ST-01
Voc(V) Jsc(mA
/cm2)
F.F. η(%)
ZnO 0.71 0.19 0.26 0.035
SnO2 0.65 0.13 0.27 0.024
P25 0.83 0.14 0.33 0.039
Nb2O5 0.60 0.17 0.36 0.038
ST-
01
0.57 0.20 0.33 0.039
112/04/21 26
圖 14.氧化物對 I-V轉換效率的影響
Time Voc(V
)
Jsc(m
A/cm2)
F.F. η(%)
1min 0.57 0.20 0.33 0.039
15min 0.76 0.16 0.45 0.056
30min 0.71 0.11 0.33 0.026
60min 0.59 0.13 0.26 0.020
112/04/21 27
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.80.00
0.05
0.10
0.15
0.20
d
c
b
a
Cur
rent
den
sity
,mA
/cm
2
Voltage,V
(a) 1min (b) 15min (c) 30min (d) 60min
圖 15.浸泡時間對 I-V轉換效率的影響
T(℃) Voc(V) Jsc(mA
/cm2)
F.F. η(%)
350℃ 0.66 0.075 0.29 0.014
450℃ 0.57 0.20 0.33 0.039
550℃ 0.57 0.12 0.31 0.021
112/04/21 28
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.70.00
0.05
0.10
0.15
0.20
c
b
a
Cur
rent
den
sity
,mA
/cm
2
Voltage,V
(a) 350 (b) 450 (c) 550
℃℃℃
圖 16.煅燒溫度對 I-V轉換效率的影響
Voc(V
)
Jsc(m
A/cm2)
F.F. η(%)
1 層 0.66 0.13 0.38 0.032
2 層 0.57 0.20 0.33 0.039
3 層 0.63 0.084 0.40 0.021
112/04/21 29
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.70.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
0.12
0.14
0.16
0.18
0.20
0.22
c
b
a
Cur
rent
den
sity
,mA
/cm
2
Voltage,V
(a) 1 (b) 2 (c) 3
層層層
圖 17.氧化物層數對 I-V轉換效率的影響
六、結論
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1. 由 UV-Vis分析結果得知 P25樣品能帶間隙為 3.41eV 及 3.21eV、 ST-01樣品能帶間隙為 3.20eV 、 Nb2O5樣品能帶間隙為3.10eV 及 3.35eV 、 SnO2樣品能帶間隙為 3.62eV 、 ZnO樣品能帶間隙為 3.15eV。
2.在鈷離子濃度為 0.3M時, Co2+:0.273M 、 Co3+:0.027M,有最好的光電轉換效率。
3.在測試的 5 個氧化物中, P25效率最好為 0.039%與最差為 SnO2 效率 0.023%,且前者效率較後者效率增加 60%。
4.電沉積 AgInSe2 前浸泡時間,最佳效率為浸泡 15min之樣品,其效率可達 0.056% , 1min之樣品只有 0.039%。
5.450℃為 ITO-TiO2樣品的最佳煅燒溫度,顯現最高的光催化性能。6.塗佈 2 層為 ITO-TiO2樣品的最佳層數,顯現最高的光催化性能。
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七、參考文獻
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報告結束謝謝各位
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