本研究中，我們以聚二甲基苯並咪唑(PDMBI)來製備膠態與擬固態電解質應用在染料敏化太陽能電池(DSSC)，以PDMBI做為膠態電解質，在經過光電特性的量測後，發現製備出的元件除了具有較長的生命週期與穩定性外，在太陽能電池工作後，元件具有自我優化的效果，在電池工作後，PDMBI產生適度的聚集，使得碘離子得到了具方向性的通道做傳遞，並利用exchange reaction的機制傳遞離子，也因此使得短路電流(Jsc) 與光電轉換效率都得到了將近兩倍左右的提昇，本研究經由各種實驗與量測了解其元件特性，最後再經由加入各種添加劑進行優化後，電池光電轉換效率可達4.98%。
由於高分子固態薄膜對奈米多孔隙二氧化鈦滲透性較差，使得多孔層內部染料無法得到還原，而造成元件效率不佳，因此我們以模擬固態的方式對元件做改良，在固態電解質無法良好滲透的多孔隙光電極內注入微量本實驗室標準液態電解質05HT改善接觸性不佳的問題，而完成的擬固態DSSC，除了具有較高的元件壽命，亦有良好的效率表現，證明了聚二甲基苯並咪唑作為固態電解質的可行性，並且我們將這些擁有不同電解質型態的元件進行光電性質的量測與討論。

In this research, gel-state and quasi-solid state dye-sensitized solar cells (DSSCs) were fabricated with polydimethylbenzimidazole(PDMBI) as the polymer electrolyte. These devices are stable under room light in air, even without encapsulation. The energy conversion efficiency of gel-state cells was drastically increased around 200% after the device worked. We propose that appropriately aggregated PDMBI in electrolyte layer could provide pathways which would facilitate the diffusion of ion through the electrolyte. Moreover, this arrangement induces it an ion exchange reaction which could lead to the promotion of the diffusion rate between iodide species. An optimized device performs well with a power conversion efficiency of 4.98% under air-mass 1.5 global (AM 1.5G) illumination. For the fabrication of quasi-solid state dye-sensitized solar cells, we immersed a few liquid electrolyte to improve electrical contact between TiO2 porous layer and PDMBI layer. The quasi-solid state cell efficiency fabricated with PDMBI as electrolyte was 2.26%. Furthermore, our device architecture is performing well because of the good band alignment among TiO2, dye, and PDMBI. In this research, we have successfully demonstrated gel-state and quasi-solid state dye-sensitized solar cells comprising PDMBI as electrolyte.

目錄
摘要 I
Abstract II
目錄 III
圖目錄 VII
表目錄 XI
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機 2
第二章 染料敏化太陽能電池與文獻回顧 4
2.1 無機太陽能電池 4
2.2 有機太陽能電池 5
2.3 染料敏化太陽能電池結構與原理 7
2.3.1 染料敏化太陽能電池 7
2.3.2 透明導電基板(TCO substrate) 9
2.3.3 緻密層(Dense layer) 9
2.3.4 二氧化鈦電極 10
2.3.5 染料 12
2.3.6 電解液 17
2.3.7 對電極 18
2.4 染料敏化太陽能電池之工作原理 19
2.4.1 染料敏化光電轉換原理 19
2.4.2 固態電解質系統染料敏化光電轉換原理 21
第三章 實驗器材及藥品 22
3.1 紫外與可見光光譜儀(UV-Vis Spectrometer) 22
3.2 原子力掃瞄探針顯微鏡(AFM) 23
3.3 旋轉塗佈機(Spin Coater) 25
3.4 高溫爐 26
3.5 太陽光譜模擬量測系統(Solar Simulator System) 27
3.5.1 太陽能電池性能參數 28
3.5.1.1 開路電壓Voc 28
3.5.1.2短路電流Jsc 29
3.5.1.3 填充因子FF 29
3.5.1.4 電池總效率η 30
3.6 偏光顯微鏡 (Polarizing Optical Microscope) 31
3.7 光電子光譜分析儀 32
3.8 交流阻抗分析儀(AC-Impedance) 33
3.9 實驗藥品 36
第四章 實驗步驟 40
4.1 DSSC元件製作流程 40
4.1.1 流程圖 40
4.1.2 清洗透明導電玻璃 41
4.1.3 配製TiO2緻密層溶液 41
4.1.4 配製TiO2漿料 42
4.1.5 以旋轉塗佈機成膜(Spin Coating) 42
4.1.6 高溫鍛燒 45
4.1.7 染料配製與DSSC元件組裝 46
第五章 實驗結果與討論 52
5.1 以聚二甲基苯並咪唑製備膠態電解質 52
5.1.1 以1wt%聚二甲基苯並咪唑製備電解質 54
5.1.2 以2.5wt%聚二甲基苯並咪唑製備電解質 59
5.1.3 以4.64wt%聚二甲基苯並咪唑製備電解質 63
5.1.4 以10.4wt%聚二甲基苯並咪唑製備電解質 67
5.1.5 PDMBI膠態電解質之DSSCs之元件分析與討論 69
5.1.5.1 溫度對DSSC元件效率的測試 71
5.1.5.2 照光對DSSC元件效率的測試 72
5.1.5.3 通以電壓對DSSC元件效率的測試 73
5.1.5.4 小結 75
5.1.6 優化膠態聚二甲基苯並咪唑電解質DSSC元件 80
5.2 聚二甲基苯並咪唑電解質製備擬固態DSSC 81
5.2.1 PDMBI擬固態DSSC實驗結果與討論 84
5.2.2 擬固態DSSC老化測試 85
總結 86
第六章 參考文獻 87

[1] M. Gratzel, Nature 414, 338 (2001)
[2] P. Wang, S. M. Zakeeruddin, J. E. Moster, M. Gratzel, J. Phys. Chem B 107, 13280 (2003)
[3] N. Yamanaka, R. Kawano, W. Kubo, N. Masaki, T. Kitamura, Y. Wada, M. Watanabe, S. Yanagida, J. Phys. Chem. B 111, 4763 (2007)
[4] H. J. Snaith, Adv. Funct. Mater. 20, 13 (2010)
[5] A. Yella, H. W. Lee, H. N. Tsao, C. Yi, A. Kumar Chandiran, Md. K. Nazeeruddin , E. W. G. Diau, C. Y. Yeh, S. M. Zakeeruddin, M. Gratzel, Science 334, 629 (2011)
[6] M. A. Green, K. Emery, Y. Hishikawa, W. Warta, Prog. Photovolt:Res. Appl. 17, 320 (2009)
[7] H. Tributsch, H. Gerischer, Ber. Bunsenges. Phys. Chem. 73, 251 (1969)
[8] A. Fujishima, T. Iwase, T. Watanabe, K. Honda, J. Am. Chem. Soc. 97, 4134 (1975)
[9] M. Matsumura, Y. Nomura, Hiroshi Tsubomura, Bull. Chem. Soc. Jpn. 49, 1409 (1976)
[10] B. O’Regan, M. Gratzel, Nature 353, 737 (1991)
[11] G. Sivalingam, Applied Catalysis B: Environmental 45, 23 (2003)
[12] N. G. Park, J. van de Lagemaat, A. J. Frank, J. Phys. Chem. B 104, 8989 (2000)
[13] J. Bisquert, J. Phys. Chem. B 106, 325 (2002)
[14] C. Y. Huang, Y. C. Hsu, J. G. Chen, V. Suryanarayanan, K. M. Lee, K. C. Ho, Sol. Energ. Mat. Sol. Cells 90, 2391 (2006)
[15] G. J. Meyer, J. Chem. Educ. 74, 652 (1997)
[16] K. Hara, Y. Dan-oh, C. Kasada, Y. Ohga, A. Shinpo, S. Suga, K. Sayama, H. Arakawa, Langmuir 20, 4205 (2004)
[17] K. Hara, Y. Tachibana, Y. Ohga, A. Shinpo, S. Suga, K. Sayama, H. Sugihara, H. Arakawa, Sol. Energ. Mat. Sol. Cells 77, 89 (2003)
[18] C. Klein, M. K. Nazeeruddin, P. Liska, D. Di Censo, N. Hirata, E. Palomares, J. R. Durrant, M. Gratzel, Inorg. Chem. 44, 178 (2005)
[19] M. Gratzel, Inorg. Chem. 44, 6841 (2005)
[20] P. Wang, C. Klein, R. Humphry-Baker, S. M. Zakeeruddin, M. Gratzel, J. Am. Chem. Soc. 127, 808 (2005)
[21] M. Gratzel, Acc. Chem. Res. 33, 269 (2000)
[22] P. Wang, S. M. Zakeeruddin, M. Gratzel, J. Fluorine. Chem 125, 1241 (2004)
[23] P. Wang, S. M. Zakeeruddin, P. Comte, J. Am. Chem.Soc 125, 1166 (2003)
[24] G. R. A. Kumara, S. Kaneko, M. Okuya, Langmuir 18, 10493 (2002)
[25] G. Kumara, A. Konno, G. Senadeera, Sol. Energ. Mat. Sol. Cells 69,195 (2001)
[26] W. Huynh, J. J. Dittmer, A. P. Alivisators. Science 295, 2425 (2002)
[27] U. Bach, D. Lupo, P. Comte, Nature 395, 583 (1998)
[28] D. Gebeyehu, C. J. Brabec, N. S. Sariciftci, Synthetic Metals 125, 279 (2002)
[29] J. A. Chang, J. H. Rhee, S. H. Im, Y. H. Lee, H. J. Kim, S. Seok, M. K. Nazeeruddin, M. Gratzel, Nano letters 10, 2609 (2010)
[30] J. H. Yum, P. Chen, M. Gratzel, Mohammad K. Nazeeruddin, Chem. Sus. Chem. 1, 699 (2008)
[31] G. P. Smestad, S. Spiekermann, J. Kowalik, C. D. Grant, A. M. Schwartzberg, J. Zhang, L. M. Tolbert, E. Moons, Sol. Energ. Mat. Sol. Cells 76, 85 (2003)
[32] L. Han, N. Koide, Y. Chiba, T. Mitate, Appl. Phys. Lett., 84, 2433 (2004)
[33] N. Yamanaka, R. Kawano, W. Kubo, N. Masaki, T. Kitamura, Y. Wada, M. Watanabe, S. Yanagida, J. Phys. Chem. B, 111, 4763 (2007)
[34] L. Han, N. Koide, Y. Chiba, T. Mitate, Appl. Phys. Lett. 84, 2433 (2004)
[35] H. Usui, H. Matsui, N. Tanabe, S. Yanagida, J. Photochem. Photobiol. A Chem. 164, 97 (2004)
[36] T. Kato, T. Kado, S. Tanaka, A. Okazaki, S. Hayase, J. Electrochem. Soc. 153, 626 (2006)
[37] 王志宏,國立中山大學光電工程學系碩士論文(2009)
[38] 郭泰麟,國立中山大學光電工程學系碩士論文(2010)
[39] 施彥辰,國立中山大學光電工程學系碩士論文(2011)