Polyaniline/Ag2S-CdS Nanocomposites for Counter Electrodes of Dye-Sensitized Solar Cells

本研究以等莫耳之硝酸銀與醋酸鎘，經由化學共沉澱法(Chemical co-precipitation)來製備硫化銀-硫化鎘 (Ag2S-CdS) 複合材AC11，並經由X光繞射儀 (XRD) 鑑定AC11之繞射峰值，可發現在複合材料AC11上同時擁有硫化銀與硫化鎘的主要繞射峰值，並以X射線光電子能譜(XPS)分析其成份組成。將AC11與苯胺單體相混，以原位聚合法(In-situ polymerization)相聚合，可得到以導電高分子聚苯胺包覆AC11之奈米複合材PACI。為了進行比較結構上的差異，我們同時以反向的手法，先將苯胺單體以原位聚合法形成聚苯胺(PANI)，再將PANI與等莫耳之硝酸銀、醋酸鎘溶液一起進行化學共沉澱法，可得到AC11吸附於導電高分子聚苯胺表面之奈米複合材PACO。兩種不同結構之複合物，可由高解析度電子顯微鏡SEM、TEM中，清楚觀察到其結構上的差異。再將製備完成之PACI與PACO兩種複合物，以旋轉塗佈法(Spin coating)製備於氟摻雜氧化錫(FTO)導電玻璃的表面，為PACI-S與PACO-S，並作為染料敏化太陽能電池(DSSC)的對電極，以進行光伏特性的探討，研究結果顯示PACI-S對電極，在DSSC上有著最佳的光伏性質，其電流密度(Jsc)為12.17 mA/cm2，開路電壓(Voc) 0.72V，光電轉換效率(η)為5.13%。此外，我們也以化學沉積法(Chemical deposition)於FTO導電玻璃上成膜，製備了PANI-D與PACI-D對電極，並進行光伏特性的研究，其中PACI-D有著Jsc = 12.25 mA/cm2 、Voc = 0.63V、η% = 4.81%的光伏特性表現，同時研究結果也指出，聚苯胺系列對電極以旋轉塗佈法製備仍有著不俗的光電轉換效率。In this study, we prepared Ag2S-CdS nanocomposites (AC11) with equal mole of silver nitrate and caladium acetate by the chemical co-precipitation. SEM and X-ray diffraction meter (XRD) were used to study the morphology of AC11. Moreover, the AC11 and polyaniline (PANI) based nanocomposite PACI was prepared by the in-situ polymerization of aniline in the AC11 containing reaction solution. The AC11 nanoparticles were dispersed in uniform in the PANI based nanorods. In addition, the AC11 and PANI based nanocomposite PACO was prepared by the co-precipitation of AC11 nanoparticles on the surface of the PANI based nanorods. The chemical structure characterization, thermal properties, morphology, and electrochemical behavior of AC11, PANI, PACI, and PACO were studied. The PANI, PACI, and PACO coated FTO glasses were prepared by the spin coating method for the counter electrodes (PANI-S, PACI-S, and PACO-S) of dye-sensitized solar cells (DSSCs). The highest short-circuit current density (Jsc = 12.17 mA/cm2), open-circuit voltage (Voc = 0.72 V) and photo-energy conversion efficiency (η = 5.13%) were obtained for the DSSC fabricated from the PACI coated counter electrode. On the other hand, the PACI coated counter electrode (PANI-D) was prepared by the chemical deposition and in-situ polymerization of aniline in AC11 containing solution. The photovoltaic properties (Jsc = 12.25 mA/cm2 , Voc = 0.63V, and η% = 4.81%) of the PANI-D based DSSC were slightly lower than those of the DSSC fabricated from PANI-S electrode.目 錄 誌 謝 i 摘 要 ii Abstract iii 目 錄 iv 表目錄 vii 圖目錄 vii 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 3 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 4 1-3-3 染料敏化太陽能電池的對電極 5 第2章 文獻回顧 6 2-1 導電高分子 6 2-1-1 導電高分子發展 6 2-1-2 聚苯胺 8 2-1-3 聚苯胺製備方法 10 2-1-4 聚苯胺在染敏對電極之應用 10 2-2 硫化物 16 2-2-1 硫化銀 16 2-2-2 硫化鎘 17 2-2-3 硫化物在染敏對電極上之應用 17 2-3 導電高分子/奈米金屬硫化物複合材 20 2-4 研究動機 23 第3章 實驗 25 3-1 化學藥品 25 3-2 溶劑前處理 26 3-3 實驗儀器 26 3-4 實驗流程 29 3-4-1 聚苯胺製備 29 3-4-2 硫化銀-硫化鎘複合材料製備 29 3-4-3 聚苯胺/硫化銀-硫化鎘複合材料PACI製備 29 3-4-4 聚苯胺/硫化銀-硫化鎘複合材料PACO製備 30 3-5 DSSC元件製作 30 3-5-1 TiO2光電極 30 3-5-2 電解質 31 3-5-3 聚苯胺對電極之製備 31 3-5-3 聚苯胺/硫化物對電極製備 31 第4章 結果與討論 33 4-1 材料性質分析 33 4-1-1 熱性質分析 33 4-1-2 紅外線光譜分析 34 4-1-3 X光繞射儀結構分析 35 4-1-4 X射線光電子能譜分析 38 4-1-5 薄膜表面型態分析 40 4-2 對電極特性之探討 43 4-2-1 光學顯微鏡(OM)分析 43 4-2-2 掃描式電子顯微鏡(SEM)分析 45 4-2-3 電化學性質分析 50 4-2-4 對電極之DSSC電化學阻抗 52 4-2-5 對電極之DSSC光伏特性分析 54 第5章 結論 61 第6章 參考文獻 6