A photoluminescent layer for improving performance of dye-sensitized solar cell

本實驗以有機螢光物質製備螢光薄膜進行提升染料敏化太陽能電池短路電流密度與效率的探討；首先分別以常見螢光物質，如：芘、菲、香豆素、芴以及若丹明B等進行探討，以紫外光/可見光光譜分析儀和螢光光譜儀進行螢光物質與染料N719吸收峰關係，並將螢光物質於染料敏化太陽能電池外側以塗佈方式製成薄膜，並量測添加螢光薄膜前後，電池短路電流密度與光電轉換效率之改變，由數據得知螢光芘薄膜具有最佳光電效率轉換比；其次，以不同方式添加聚合物層保護螢光薄膜，避免螢光薄膜受到溶劑接觸而破壞；最後，利用螢光芘薄膜之濃度變化，探討最適化之螢光薄膜濃度值。 由光譜測試實驗數據得知，螢光芘薄膜於紫外光波段具有吸收峰，不會明顯影響染料N719紫外光吸收；在吸收紫外光能量後，螢光芘薄膜可將光波長轉換為可見光波長，所發射出之光波長可透過染料N719的吸收並激發產生出電池電流，進而提升電池之光利用率，增加短路電流密度與光電轉換效率。 本實驗以穿透度測試得知螢光薄膜對於入射光之影響，當螢光薄膜濃度增加，會降低入射光之穿透能力，減少光能量進入電池內部；在穿透度與螢光薄膜濃度中探討出最適化，當螢光芘薄膜濃度為0.1wt%並搭配聚合物層，有最佳光電轉換效率提升比，此濃度下光電轉換效率高達10.36%，相較於未添加之電池模組，光電轉換效率增加了13.1%。Different photoluminescent layer were coated on the front side of dye-sensitized solar cell (DSSC) to increase the short-circuit current density and photoelectric conversion efficiency. Different photoluminescent layer were characterized by UV/Vis spectrophotometer and fluorescence spectrometer. The pyrene adsorbs the short wavelength light at ultraviolet light and re-emits it at visible light, which could be adsorbed by N719 dye to generate excitations. Therefore, the pyrene photoluminescent layer could enhance the short-circuit current density and the conversion efficiency. Although the value of transmittance decreases with the amount of pyrene photoluminescent layer, the value of conversion efficiency is to increase, and reaches a maximum at 0.1 wt%. The conversion efficiency of the DSSC coated with a pyrene photoluminescent layer improved from 9.16% to 10.36% (an improvement of 13.1%).中文摘要 III Abstract IV 總目錄 V 圖目錄 IX 表目錄 XIV 第一章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 研究動機 2 1.3 太陽能電池的簡介 2 1.4 染料敏化太陽能電池 4 1.4.1 染料敏化太陽能電池之工作原理 6 1.4.2 染料敏化太陽能電池之組成 8 1.4.2.1 基板 9 1.4.2.2 工作電極 9 1.4.2.3光敏化染料 11 1.4.2.4 電解質 14 1.4.2.5 對電極 24 1.5 螢光材料 24 第二章 實驗部分 31 2.1 實驗藥品與儀器 31 2.2儀器原理 33 2.2.1 光電轉換效率測試(I-V curve) 33 2.2.2 入射單色光子-電子轉換效率(IPCE) 35 2.2.3紫外光/可見光吸收光譜分析儀 (UV/Vis) 36 2.2.4 螢光光譜儀(PL) 38 2.2.5 掃描式電子顯微鏡 (FESEM) 39 2.2.6 原子力顯微鏡 (AFM) 40 2.2.7 X光繞射分析儀(XRD) 41 2.3 染料敏化太陽能電池元件的製備與組裝 43 2.3.1 二氧化鈦工作電極的製備 44 2.3.2 對電極製備 46 2.3.3 電池元件組裝 47 2.3.4 螢光薄膜製備 48 第三章 結果與討論 49 3.1 網版印刷法製作工作電極之薄膜特性分析 49 3.1.1 工作電極薄膜晶相分析 49 3.1.2 工作電極薄膜厚度分析 50 3.2 不同對電極之太陽能電池性質分析 51 3.2.1 對電極薄膜表面形貌分析 51 3.2.2 不同對電極之光電轉換效率分析 53 3.3 不同螢光劑製備螢光薄膜太陽能電池 54 3.3.1 螢光劑特性分析 54 3.3.1.1 不同螢光劑與染料吸收峰探討 55 3.3.1.2 不同螢光劑螢光激發波峰測定 57 3.3.2 不同螢光劑薄膜電池元件效率分析 59 3.3.2.1 光電轉換效率 (I-V Curve) 59 3.4 聚合物層之螢光薄膜太陽能電池元件效率分析 62 3.4.1 光電轉換效率 (I-V Curve) 62 3.4.2 入射單色光子-電子轉換效率(Incident monochromatic photo-to-current conversion, IPCE) 65 3.5 有機芘製備螢光芘薄膜太陽能電池 67 3.5.1螢光芘薄膜特性分析 67 3.5.1.1螢光芘薄膜與染料吸收峰探討 68 3.5.1.2螢光芘薄膜螢光激發波峰測定 70 3.5.1.3 螢光芘薄膜量子產率測量與計算 71 3.5.1.4 螢光芘薄膜穿透度分析 73 3.5.1.5 螢光芘薄膜表面形貌分析 74 3.5.2 螢光芘薄膜電池元件效率分析 75 3.5.2.1 光電轉換效率 (I-V Curve) 76 3.5.2.2 入射單色光子-電子轉換效率(Incident monochromatic photo-to-current conversion, IPCE) 78 第四章 結論與未來展望 80 4.1不同對電極之太陽能電池 80 4.2不同螢光劑製備螢光薄膜太陽能電池 80 4.3 聚合物層之螢光薄膜太陽能電池 81 4.4螢光芘薄膜太陽能電池 81 4.5 未來展望 82 第五章 參考文獻 8