Pb-Sn-S solid-state semiconductor-sensitized solar cells

本實驗主要為將三元化合物半導體量子點Pb-Sn-S運用至固態敏化太陽電池中之吸光材料。實驗採用兩階段的連續離子層吸附反應法(SILAR)並經過退火將三元化合物半導體量子點合成於多孔性TiO2薄膜內，最後在填充電洞傳輸層(Spiro-OMeTAD)。 在最佳樣品條件 : PbS(18)/SnS(9) cycles 浸泡時間分別為30 sec / 35 sec得到的最佳轉換效率為0.479 %，開路電壓為0.35 V，短路電流為2.58 mA/cm2，填充因子FF為53.03 %，利用X-ray粉末繞射儀分析所合成出材料的Pb-Sn-S半導體晶相，發現其中可能混雜者鉛及錫的氧化物和硫酸鉛的晶相，並經由UV-Vis Spectroscopy進行分析與計算能隙約為1.54 eV，藉由TEM得知Pb-Sn-S顆粒大小平均約為 10 nm，最後經由FESEM分析電池剖面結構得知吸收層TiO2 + Pb-Sn-S + Spiro - OMeTAD厚度約為1.1 μm，並進行EDS元素分析得到比例約為Pb0.59Sn0.41S。In this experiment, we applied the Pb-Sn-S QDs as light absorption material for solid-state solar cells. Two-step SILAR (successive ionic layer adsorption and reaction) was used to synthesize the ternary compound QDs into the mesoporous TiO2 followed by filling the HTM (Spiro-OMeTAD). In the best condition : PbS(18)/SnS(9) SILAR cycles ; dipping time 30 sec / 35 sec. We got the best conversion efficiency: 0.479 %, Voc: 0.35 V, Jsc: 2.58 mA/cm2, FF (fill factor): 53.03%. We analyzed the ternary phase Pb-Sn-S by XRD and found that the Pb-Sn-S phase probably mixed with lead oxide, tin oxide, and lead sulfate. UV-vis Spectroscopy analysis the energy gap to be about 1.54 eV. TEM showed the average particle size of Pb-Sn-S to be about 10 nm. The absorption layer (TiO2 + Pb-Sn-S + Spiro – OMeTAD), estimated from FESEM cross-sectional images, is about 1.1 μm. Finally, the atomic ratios based on EDS elemental analysis are approxitae Pb0.59Sn0.41S.目錄 第一章 緒論 1 1-1 前言 1 1-2 研究動機 3 第二章 文獻回顧與實驗原理 5 2-1 Pb-Sn-S 文獻回顧 5 2-2 半導體太陽能電池組成及工作原理 11 2-2-1 液態半導體敏化太陽能電池組成及工作原理 11 2-2-2 固態半導體敏化太陽能電池組成及工作原理 13 2-3 導電玻璃(Transparent Conducting Oxide) 17 2-4 電洞傳輸材料 ( Hole transport layer , HTM ) 18 2-5 量子點特性 19 2-5-1 量子侷限效應 19 2-5-2 衝擊離子效應與歐傑再結合 21 2-6 連續離子層吸附反應法(SILAR) 22 2-7 太陽能電池量測模擬光源 23 2-8 太陽能電池參數 24 第三章 實驗流程 27 3-1 實驗藥品 27 3-2 實驗儀器 29 3-3 Pb-Sn-S 固態太陽能電池實驗過程 31 3-3-1 Pb-Sn-S 實驗流程 31 3-3-2 蝕刻 FTO 31 3-3-3 基板裁切與清洗 33 3-3-4 Hot-spray TiO2 blocking-layer 34 3-3-5 Coating mp-TiO2 layer 37 3-3-6 Pb-Sn-S 合成 39 3-3-7 HTM填充 41 3-3-8 濺鍍金電極 42 3-4 I-V量測 44 3-5 X-ray diffraction樣品製作 44 3-6 穿透光譜樣品製作 44 3-7 FESEM樣品製備 45 3-8 穿透式電子顯微鏡樣品製備 45 第四章 結果與討論 47 4-1 Pb-Sn-S 半導體材料特性 47 4-1-1 XRD分析 47 4-1-2 TEM型態分析 50 4-1-3 EDS元素分析 51 4-1-4 UV-Vis光譜儀分析 53 4-2 固態Pb-Sn-S半導體敏化太陽能電池的效能分析 55 4-2-1 不同SILAR 次數對電池效率影響 55 4-2-2 改變PbS cycle對電池效率影響 57 4-2-3 改變SnS cycle對電池效率影響 59 4-2-4 改變SnS 浸泡秒數對電池效率影響 60 4-3 固態電池剖面結構 61 4-4 無法得到高效率的探討 67 第五章 結論 68 5-1 總結 68 5-2 未來工作 68 參考文獻 7