The Study of Sol-gel Prepared Sb2S3 Containing Quantum Dot Sensitized Solar Cell

本實驗使用溶凝膠法合成Sb2S3量子點敏化太陽能電池。利用四異丙醇鈦溶液與量子點及乙醇混合後，以旋轉塗佈法製作太陽能電池中的光反應層。我們使用光學顯微鏡，SEM，X-ray了解光反應層的表面形貌與結晶狀況，並用交流阻抗與量測I-V曲線分析電池的電性。實驗結果顯示，製作光反應層的最佳化的參數為，使用硫化納作為Sb2S3量子點中硫的來源，且塗佈溶液中TiO2：Sb2S3的莫耳比為1：0.1，與酒精混合的濃度為1M且pH為4，在FTO玻璃上旋轉塗佈轉速為2000 rpm，塗佈6層每層30秒，然後在450℃進行溫度處理2小時，最後以0.1M SbCl3溶液浸泡10分鐘進行去鈉處理。結果顯示最佳的電池轉換效率為0.24%，開路電壓為0.38V，短路電流密度為1.30 mA/cm2，填充因子為47.73%。透過SEM表面形貌的觀察發現，光反應層的表面的TiO2約為30nm的顆粒且顆粒之間有孔隙及團聚效應，此團聚效應利於電子在TiO2間的傳遞，而孔隙則利於電解液的滲入並進行電子的交換，這可能為電池光電轉換效率高的原因。Sensitized solar cells containing Sb2S3 quantum dots semiconductor are prepared by Sol-gel method. The sol solution, which is prepared by mixing of Titanium isopropoxide, alcohol and the Sb2S3 quantum particles, is spin coated on Fluorine doped Tin Oxide glass. The thickness, the morphology, and the crystallization of the coated films are investigated by optical microscope, SEM and X-ray diffraction. The efficiencies of the cells are obtained by measuring I-V curves. The efficiency of the best cell is 0.24%, while, the other parameters of this cell are Voc=0.38V, Jsc=1.30mA/cm2, and FF=47.73%. This cell is prepared according to the following procedures: Sodium sulfide is used as precursor of sulfide, sol solution is prepared with TiO2(mol)/Sb2S3(mol)=1:0.1 in alcohol with 1M concentration, and pH value is 4, the film is coated with 6 layers with coating speed 2000rpm, and then the film is subjected to 450oC heat treatment for 2hrs, and sodium ions are removed by soaking in 0.1M SbCl3 solution for 10mins. The charge transportation mechanism is elucidated by ac impedance measurements. The micrograph of SEM shows the aggregation phenomenon of TiO2 particles.摘要.............i ABSTRACT.........ii 目錄.............iii 表目錄............v 圖目錄............vi 第一章 緒論...................1 1-1 前言.....................1 1-2 研究動機..................7 第二章 實驗原理................8 2-1 太陽能電池簡介.............8 2-2 溶凝膠法..................11 2-3 QDSSC工作原理.............12 2-4 QDSSC元件組成結構..........14 2-4-1 光電極組成...............16 2-4-2 光敏化材料...............17 2-4-3 電解質(electrolyte).....17 2-4-4 金屬對電極...............18 2-5 交流阻抗分析...............18 第三章 實驗製程................27 3-1 實驗藥品及設備.............27 3-2 QDSSC實驗製作流程..........29 3-3 FTO基板切割與清洗..........29 3-4 緻密層製作.................31 3-5 SB2S3量子點合成............33 3-6 材料分析...................35 3-7 對電極製作..................37 3-8 多碘電解液製作..............37 3-9 電池封裝...................37 3-10 樣品量測..................38 3-10-1 I-V曲線量測.............38 3-10-2 交流阻抗量測.............39 第四章 結果討論.................40 4-1 SB2S3量子點太陽能電池效率分析..................40 4-2 SB2S3量子點中不同硫元素來源比較................41 4-3 SB2S3量子點莫耳比與電池封裝有無反射層比較.......45 4-4 不同塗佈溶液濃度之比較.........................49 4-5 量子點層去鈉處理..............................52 4-6 量子點層不同恆溫時間比較.......................55 4-7 不同PH值量子點溶液所製備的樣品比較..............58 4-8 最佳化條件下不同塗佈層數比較....................64 4-9 交流阻抗分析..................................67 第五章 結論.......................................74 參考文獻..........................................76 表1.1 太陽電池種類比較...................................6 表3.1 實驗藥品列表......................................27 表3.2 實驗儀器列表......................................28 表4.1 以DMSO製備量子點不同塗佈層數電池效率比較.............42 表4.2 DMSO與NA2S製備SB2S3量子點電池效率比較...............43 表4.3 不同量子點比例下的效率比較..........................46 表4.4 電池封裝有無反射層的效率比較........................48 表4.5 不同的量子點體積莫耳濃度的效率比較...................50 表4.6 不同去NA+時間下的效率比較...........................54 表4.7 量子點不同恆溫時間下的效率比較......................56 表4.8 不同量子點溶液的PH值下的效率比較....................59 表4.9 不同PH值量子點溶液所製成的光反應層TIO2顆粒大小.......61 表4.10 最佳化條件下不同層數的效率比較.....................65 表4.11 EDS元素比例表，掃描樣品為塗佈層數6層...............66 表4.12 不同層數量子點層的交流阻抗等效電路擬合參數..........72 表4.13 不同層數的量子點層的交換電流密度...................72 表4.14 不同量子點層數中電子在TIO2的擴散長度，量子點厚度與 G MODEL擬合的弛豫時間的比較...............................73 圖1.1 太陽能電池分類圖。................................2 圖1.2 單晶矽、多晶矽、非晶矽結構示意圖....................3 圖2.1 太陽能電池等效電路................................9 圖2.2 太陽能電池典型的電流-電壓，功率-電壓曲線圖..........11 圖2.3 QDSSC工作原理...................................13 圖2.4 QDSSC結構圖.....................................15 圖2.5 段燒溫度對TCO面電阻之影響.........................15 圖2.6 SnO2，TiO2，Sb2S3的導電帶與價電帶能階圖...........16 圖2.7 (a)RC串聯電路，(b)RC串聯阻抗圖...................20 圖2.8 (a)RC並聯電路，(b)RC並聯阻抗圖...................22 圖2.9 電雙層示意圖....................................23 圖3.1 實驗流程圖......................................29 圖3.2 鑽石切割機......................................31 圖3.3 對電極孔洞位置..................................31 圖3.4 Ti-ip塗佈範圍...................................32 圖3.5 量子點塗佈區....................................34 圖3.6 量子點熱處理升溫曲線圖...........................35 圖3.7 電池封合示意圖..................................38 圖4.1 實驗參數流程圖..................................40 圖4.2 以DMSO製備量子點，不同層數下的J-V圖...............42 圖4.3 DMSO與Na2S製備Sb2S3量子點J-V圖..................43 圖4.4 DMSO製成量子點溶液(a)與Na2S製成量子點溶液(b)的比較..44 圖4.5 DMSO所製成量子點層(a)與Na2S所製成量子點層(b)的比較..44 圖4.6 使用(a) 二甲基亞碸，(b) Na2S 所製成的光反應區的SEM照片，放大倍率為一萬倍...................................................45 圖4.7 不同量子點比例下的J-V圖..........................46 圖4.8 電池封裝有無反射層的J-V圖........................47 圖4.9 不同量子點莫耳比下XRD圖，圖例括弧中的數字為JCPDS的編號，▲旁數字表示TiO2晶面。.................................49 圖4.10 不同的溶液體積莫耳濃度的J-V圖...................50 圖4.11 不同溶液體積莫耳濃度所塗佈的光反應層XRD圖.........51 圖4.12 溶液體積莫耳濃度為(a) 0.5M，(b) 1M，(c) 1.5M，(d) 3M的光反應層SEM表面分析圖。..............................52 圖4.13 不同去Na+時間下的J-V圖..........................53 圖4.14 去鈉處理後的XRD分析圖...........................55 圖4.15 量子點層不同恆溫時間的J-V圖......................56 圖4.16 將量子點層置於450℃高溫爐恆溫 (a)0.5、(b)1、(c)2、(d)3 小時。................................................58 圖4.17 不同量子點溶液的pH值下的J-V圖.....................59 圖4.18 不同pH值的量子點溶液所製成的光反應層的XRD圖.........61 圖4.19 pH4的量子點溶液所製成的光反應層XRD局部掃描圖........61 圖4.20 不同pH溶液所製成的量子點層SEM分析圖，(a) pH=2， (b) pH=3，(c) pH=4，(d) pH=5，放大倍率為15萬倍..............62 圖4.21 最佳化條件下不同層數的J-V圖.......................64 圖4.22 EDS元素分析圖，掃描樣品為塗佈層數6層...............65 圖4.23 不同量子點塗佈層數的厚度，(a)未塗佈， (b)3層，(c)6層，(d)12層................................................67 圖4.24 不同量子點層厚度的交流阻抗圖，量測樣品未照光.........68 圖4.25 擬合模型電路圖...................................68 圖4.26 不同層數交流阻抗Nyquist圖，實心圓為數據點，實線為擬合結果。...................................................6