本論文主要探討染料敏化太陽能電池(DSSCs)中二氧化鈦(TiO2)工作電極之製備技術，主要研究項目為︰(I)以溶膠凝膠法(Sol-Gel)製作多孔性(Porous)二氧化鈦，(II)比較有無添加緻密層(Dense)二氧化鈦，效率之差異，(III)在多孔層上噴灑一層帶有銀(Ag)原子之奈米光觸媒二氧化鈦，並探討其特性，(IV)將商業化染料N3 dye(Ruthenium)改成本實驗室自製之盤狀液晶材料(DLC)測量其特性。
比較不同粒徑二氧化鈦粉末,發現由Degussa生產之20nm粒徑粉末所做之元件效率可達3.31%；加入緻密層後效率可達3.75%；在泡染料之前先噴灑一層帶銀原子光觸媒可提升元件電流使效率達4.13%；由於染料成本昂貴，我們改用自製低成本盤狀液晶當染料，效率0.46%，在目前一股低成本高效率浪潮中提供一個可行的方向。

In this work, we study the technique of Titanium Dioxide(TiO2) work electrode of the dye sensitized solar cells. The research contained four parts. (I)Fabrication of porous TiO2 with sol-gel method. (II)Compare the efficiency between dense layer non-dense layer. (III)Study the characteristics of nanometer photocatalyzer layer with silver atom on porous layer. (IV)Replace the commercial dye with the novel Discotic Liquid Crystal(DLC) material which we synthesized.
We compared different TiO2 particle size, and discovered the efficiency of 20nm particle which made Degussa reached 3.31%. After joining dense layer, the efficiency can be up to 3.75%. Finally, we sprayed a silver atom layer, the device efficiency increase to 4.13%. Because of the cost of the commercial dye, we replace the dye with DLC which were synthesized by ourselves. The efficiency is up to 0.46%. We offer a feasible direction in low cost and high-efficiency at present.

目錄
中文摘要…………………………………………………… I
英文摘要……………………………………………………II
致謝…………………………………………………………III
目錄…………………………………………………………IV
圖目錄……………………………………………………VIII
表目錄……………………………………………………XII
第一章 緒論…………………………………………………1
1.1 前言…………………………………………………1
1.2 研究動機……………………………………………2
第二章 文獻回顧……………………………………………3
2.1 無機太陽能電池……………………………………3
2.2 有機太陽能電池……………………………………4
2.3 光觸媒………………………………………………5
2.3.1 二氧化鈦………………………………………5
2.4 染料敏化太陽能電池基本工作原理………………7
2.4.1 電子電洞對分離………………………………9
2.4.2 染料……………………………………………10
2.4.3 釕金屬染料今後研究重點……………………13
2.5盤狀液晶DLC………………………………………14
第三章 實驗器材及藥品…………………………………16
3.1熱重分析儀TGA……………………………………16
3.2熱示差掃描卡量計DSC……………………………17
3.3紫外與可見光光譜儀………………………………18
3.4 X-ray繞射儀XRD…………………………………19
3.5場發射型掃描式電子顯微鏡FEG-SEM……………21
3.6高磁場液態核磁共振儀NMR………………………22
3.7傅利葉轉換式質譜儀FT-MS………………………23
3.8傅利葉轉換式紅外光光譜儀FT-IR………………24
3.9高溫爐………………………………………………25
3.10 太陽光譜模擬量測系統…………………………26
3.10.1性能參數………………………………………27
3.10.2短路電流Jsc…………………………………27
3.10.3開路電壓Voc…………………………………28
3.10.4填充因子FF…………………………………28
3.10.5電池總效率η…………………………………28
3.11 藥品………………………………………………28
第四章 實驗步驟…………………………………………33
4.1 元件製作流程………………………………………33
4.1.1 流程圖…………………………………………34
4.1.2將ITO依清潔流程清洗…………………………34
4.1.3 配製TiO2緻密層溶液…………………………34
4.1.4 烤乾ITO後，使用旋轉塗佈機成膜在ITO上…35
4.1.5 放進高溫爐中鍛燒……………………………35
4.1.6 配製TiO2溶膠凝膠溶液………………………35
4.1.7 以刮刀成膜(Dr. blade)在緻密層上…………36
4.1.8 再放進高溫爐鍛燒……………………………37
4.1.9 縮小sample面積，噴灑一層銀原子層……37
4.1.10 配製染料，再將其浸泡……………………37
4.1.11 將此工作電極背面蓋上光罩，正面蓋\\\\\上鉑對
極，再以短尾夾固定………………………38
4.1.12 注射電解質…………………………………39
4.1.13 測其效率……………………………………39
4.2 盤狀液晶製程………………………………………40
4.2.1 FT-MS量測……………………………………41
4.2.2 NMR量測官能基………………………………44
4.2.3 以AC-2及UV-vis測出其能階…………………46
第五章 實驗結果與討論…………………………………48
5.1 以溶膠凝膠法(Sol-Gel)製作多孔性(Porous)二氧化
鈦……………………………………………………48
5.1.1 效率比較………………………………………48
5.1.2 XRD圖形比較…………………………………49
5.1.3 SEM圖形比較…………………………………51
5.2 比較有無添加緻密層(Dense)二氧化鈦，效率之差
異……………………………………………………53
5.2.1 以XRD圖來鑑定緻密層晶相…………………53
5.2.2 SEM圖形………………………………………54
5.2.3 效率比較………………………………………54
5.3 在多孔層上噴灑一層帶有銀(Ag)原子之奈米光觸媒
二氧化鈦，探討其特性……………………………57
5.3.1 SEM圖形………………………………………58
5.3.2 效率比較………………………………………59
5.4 將商業化染料N3 dye(Ruthenium)改成本實驗室自
製之盤狀液晶材料(DLC)測量其特性……………60
5.4.1 效率比較………………………………………60
5.5 結論………………………………………………61
第六章 參考文獻…………………………………………63

圖目錄
圖2-1 矽電池工作原理……………………………………3
圖2-2 二氧化鈦各種晶相…………………………………6
圖2-3 染料激發傳導步驟…………………………………8
圖2-4 染料與二氧化鈦能階………………………………9
圖2-5 費米能階差…………………………………………9
圖2-6 電子電洞躍遷原理…………………………………10
圖2-7 二氧化鈦化學結構…………………………………12
圖2-8 釕錯合物化學結構…………………………………12
圖2-9 向列型盤狀液晶分子………………………………15
圖2-10 柱狀型盤狀液晶分子……………………………15
圖3-1 熱重分析儀…………………………………………16
圖3-2 熱示差掃瞄卡量計…………………………………17
圖3-3 紫外與可見光光譜儀………………………………18
圖3-4 X光繞射儀外部……………………………………19
圖3-5 X光繞射儀內部……………………………………19
圖3-6 場發射型掃瞄式電子顯微鏡………………………21
圖3-7 高磁場液態核磁共振儀……………………………22
圖3-8 傅利葉轉換式質譜儀………………………………23
圖3-9 傅利葉轉換式紅外光光譜儀………………………24
圖3-10 高溫爐……………………………………………25
圖3-11 太陽光譜模擬量測系統…………………………26
圖3-12 太陽光譜模擬系統原理架構……………………27
圖4-1 元件製作流程………………………………………33
圖4-2 貼上3M膠帶………………………………………35
圖4-3 旋轉塗佈……………………………………………35
圖4-4 緻密層鍛燒後………………………………………36
圖4-5 貼上3M膠帶預留通道……………………………36
圖4-6 滴上溶膠凝膠………………………………………36
圖4-7 以刮刀刮塗抹………………………………………36
圖4-8 刮塗後………………………………………………36
圖4-9 撕除3M膠帶………………………………………36
圖4-10 縮小面積…………………………………………37
圖4-11 噴灑銀原子………………………………………37
圖4-12 浸泡染料後………………………………………38
圖4-13 附上光罩…………………………………………38
圖4-14 蓋上對極…………………………………………38
圖4-15 雙邊夾上短尾夾…………………………………39
圖4-16 元件組成剖面圖…………………………………39
圖4-17 合成流程圖………………………………………40
圖4-18 B產物MS圖………………………………………41
圖4-19 C產物MS圖………………………………………42
圖4-20 D產物MS圖………………………………………42
圖4-21 E產物MS圖………………………………………43
圖4-22 F 產物MS圖………………………………………43
圖4-23 B產物NMR圖……………………………………44
圖4-24 C產物NMR圖……………………………………44
圖4-25 D產物NMR圖……………………………………45
圖4-26 E產物NMR圖……………………………………45
圖4-27 F產物NMR圖……………………………………46
圖4-28 Acid-6 UV-vis圖…………………………………47
圖4-29 Acid-6 能階圖……………………………………47
圖5-1 ALDRICH TiO2與Degussa TiO2 IV curve……48
圖5-2 ITO之XRD…………………………………………49
圖5-3 ALDRICH TiO2之XRD……………………………49
圖5-4 Degussa TiO2之XRD……………………………50
圖5-5 ITO SEM 300000x…………………………………51
圖5-6 ALDRICH TiO2 SEM 300000x…………………51
圖5-7 Degussa TiO2 SEM 300000x…………………52
圖5-8 緻密層之XRD………………………………………53
圖5-9 緻密層SEM 300000x……………………………54
圖5-10 緻密層之UV-vis…………………………………55
圖5-11 N3之UV-vis………………………………………55
圖5-12 緻密層不同厚度IV curve…………………………56
圖5-13 銀原子理想密度…………………………………57
圖5-14 銀原子密度過濃…………………………………57
圖5-15 理想密度示意圖…………………………………58
圖5-16 密度過高示意圖…………………………………58
圖5-17 光觸媒SEM 300000x……………………………58
圖5-18 光觸媒SEM 25000x……………………………58
圖5-19 光觸媒高密度SEM 300000x……………………58
圖5-20 光觸媒高密度50000x……………………………58
圖5-21 光觸媒密度不同之IV curve………………………59
圖5-22 Acid-6之IV curve…………………………………60

表目錄
表2-1 太陽能電池效率比較………………………………3
表5-1 ALDRICH TiO2與Degussa TiO2效率比較……48
表5-2 緻密層不同厚度效率比較…………………………56
表5-3 光觸媒密度不同效率比較…………………………59
表5-4 Acid-6之效率………………………………………60

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