Alkoxysilane Modified Hydroxyethyl Cellulose Based Polymer Gel Electrolytes for Dye Sensitized Solar Cells

本研究將（3-氨基丙基）三甲氧基矽烷 ((3-Aminopropyl)trimethoxysilane, APTMS) 與氫碘酸 (Hydriodic acid, HI) 進行水解反應，氫碘酸讓氨基成為帶有碘離子的四級銨鹽，另一方面酸也有助於水解反應，使矽烷上的烷氧更容易水解成羥基，水解完後再與羥乙基纖維素 (2-Hydroxyethyl cellulose, HEC) 上的羥基進行縮合反應，製備出具有凝膠性質的網狀結構聚合物Cellulose-Silane，依不同莫耳比例 (HEC:APTMS = 1:3、1:6、1:9、1:12) 合成出CS13、CS16、CS19、CS112等一系列高分子，作為染料敏化太陽能電池 (DSSC) 之高分子膠態電解質。 將所合成出的CS13、CS16、CS19、CS112以10wt%分別添加於以碳酸丙烯酯 (Propylene carbonate, PC) 為溶劑之電解質內，形成高分子膠態電解質。將上述之電解質注入於N719為染料所製成染料敏化太陽能電池，進行光伏特性的探討。在極限擴散電流分析中得知Cellulose與Silane比例超過1:9時，除了碘離子濃度增加，也把纖維素長鏈撐開，導致電解質黏度大幅下降，而增加I3-擴散係數。電化學交流阻抗量測發現，隨著silane的增加導致電解質與對電極及TiO2間的阻抗向下，在低頻區(Zw)，擴散阻抗隨著Silane比例增加而減少，其歸因於CS19與CS112纖維素長鏈被矽氧烷鏈段撐開導致黏度下降。光電轉換效率分析中，以CS112為電解質之DSSC有較高的效率，但電解質性質接近液態，較無法解決漏液問題，因此，以CS16為電解質更符合我們的需求，更接近準固態。In this study, a series of polymer gel electrolytes based on the alkoxysilane interlinked celluloses (C-S) were prepared and application for the dye-sensitized solar cells (DSSCs). The C-S samples have been synthesized by the sol-gel reaction of cellulose (HEC) and (3-aminopropyl)trimethoxysilane (APTMS). Using different molar ratios of HEC and APTMS (1:3, 1:6, 1:9, and 1:12) to synthesize a series of polymers (CS13, CS16, CS19, and CS112). 10wt% of CS13, CS16, CS19, and CS112 were dissolved in the I2, LiI, TBP, PMII, and GuSCN containing propylene carbonate solution and used as the gel electrolytes of DSSCs. The viscosity of the polymer electrolytes was decreased with the content of APTMS. The formation of silicate based inorganic network was confirmed by the 29Si-NMR spectroscopy. Better photovoltaic parameters were observed for the DSSC based on the C-S sample with higher APTMS content. In contrast, better stability of photovoltaic performance was obtained for the DSSC based on the C-S sample with lower APTMS content目錄 誌謝 i 摘要 ii Abstract iv 目錄 v 表目錄 vii 圖目錄 viii 第1章 緒論 1 1-1 前言 1 1-2 染料敏化太陽能電池簡介 1 1-3 染料敏化太陽能電池工作原理 2 1-3-1染料敏化太陽能電池光電極 4 1-3-2染料敏化太陽能電池電解質 5 1-3-3染料敏化太陽能電池的對電極 7 1-3-4染料敏化太陽能電池的染料 7 1-3-5決定染料敏化太陽能電池光電轉化效率的因素 8 第2章 文獻回顧與研究動機 10 2-1 材料結構及介紹 10 2-1-1 纖維素 10 2-1-2 3-氨基丙基三乙氧基矽烷 12 2-2 纖維素高分子電解質 12 2-3 利用縮合反應製作電解質 16 2-4 研究動機 20 第3章 實驗 22 3-1 化學藥品 22 3-2 溶劑、藥品前處理 23 3-3 實驗儀器 23 3-4 合成實驗 25 3-5 DSSC元件製作 26 3-5-1白金對電極之製備 26 3-5-2膠態高分子電解質之製備 26 3-5-3 TiO2光電極之製備 26 3-5-4 DSSC元件之組裝 26 第4章 結果與討論 28 4-1 化合物之基本特性 28 4-1-1 纖維素之結構分析 28 4-1-2 熱性質分析 33 4-2 電解質離子導電度分析 34 4-3 極限擴散電流分析 35 4-4 元件光電效率分析 37 4-5 太陽光照射下之交流阻抗分析 40 4-6 纖維素電解質之DSSC元件穩定性量測 42 第5章 結論 44 第6章 參考文獻 45 第7章 附錄 4