氧化物及電解液系統對 AgInSe2 光敏化太陽能電池效率的影響

崑山科技大學高分子材料系

專題老師 : 陳龍泉

學生 : 張家碩

日期 : 一百年一月八號112/04/21 1

一、摘要

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1.本實驗利用電化學沉積法於 ITO-氧化物上成長AgInSe2應用於半導體敏化式太陽能電池，討論氧化物及電解質變數對 SSSC效能的影響。

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2.量測光電轉換效率、 XRD、 SEM、 UV-Vis，討論物理性質並應用於半導體敏化式太陽能電池。

半導體敏化式太陽能電池 (SSSC):

二、前言

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• 染料敏化太陽能電池 (DSSC)，利用染料當光敏化劑，由染料覆蓋著二氧化鈦奈米粒子，染料分子吸收太陽光，但在太陽光長期照射下也會有分解之虞，染料在 DSSC系統上成本依然偏高，由於染料開發不易，且價格昂貴。利用半導體量子點或薄層結構為光敏化劑，此系統稱為 semiconductor-sensitized solar cells，簡稱 SSSC。

112/04/21 5

• 由於化石燃料大量的使用，排放過多的溫室氣體，因此尋找乾淨的再生能源是迫在眉睫之工作。

SSSC:

112/04/21 6

優點① 光吸收度大於染料② 較高的穩定度③ 吸光範圍大於染料④ 產生多重的激子

因此本實驗中運用電化學沉積方式，將 AgInSe2 成膜於 ITO-氧化物上，討論

氧化物及電解質對光電轉換效率之影響。

三、實驗步驟

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基板前的處理

利用旋轉塗佈法製備氧化物底材

煅燒溫度，每分鐘升溫1℃ 至 450℃ ，持溫

30min。

分析與鑑定

結果與討論

製備電解質 AgInSe2

電沉積 AgInSe2 薄膜

光電極組裝

XRDSEM

UV-Vis

SEM光電流量測

結果與討論

煅燒溫度，每分鐘升溫1℃ 至 250℃ ，持溫

60min。

Ag2NO3 3mM+InNO3

3.5mM+SeO2 4mM Degas

30min

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四、材料與藥品

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1. 二氧化鈦 (P25)2. 二氧化鈦 (ST-01)3. 五氧化二鈮 Nb2O5 (Niobium(V)oxide,-325mesh,99.9%)

4. 二氧化錫 SnO2 (Tin(IV)oxide,nanopowder,<100nm(BET)

5. 氧化鋅 ZnO (Zinkoxid,99.0%)6. 異丙醇鈦 (Titanium (IV) isopropoxide ， TTIP)7. 乙醯丙酮 Acetylacetone,AcAc (99.00% ， Fluka)8. 無水乙醇 C2H5OH (Ethanol),95%

9. 硝酸銀 AgNO3(Silver nitrate,99.50%)

10.硝酸銦 In(NO3)3(indium nitrate,99.99%)

11.二氧化硒 O2Se(Selenium(IV)oxide,99.8%)

12.硝酸鉀 KNO3 (Potassium Nitrate,99.0%,日本試藥 )

13.三乙醇胺 N(CH2CH2OH3)3,TEA (99.00% ， Merck)

14.硝酸 HNO₃ (nitric acid)

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112/04/21 11

15.硝酸鈷 Co(NO3)3 (99.00% ， Merck)

16.過氯化鋰 LiClO4 (99.00%，日本試藥 )

17.四氟硼酸硝酸 NOBF4 (99.00% ， Panreck)

18.碳酸乙烯酯 Ethylene carbonate,EC (99.00% ， Merck)19.4-叔丁基吡啶 4-tert butylpyridine,TBP

(99.00% ， Aldrich)20.乙腈 Acetonirile (99.99% ， Merck)21.鍍銦錫氧化物玻璃基板 ITO (Indium-doped tin

oxide(SnO2:In) ， Gem Tech.)8Ω/square

五、結果與討論

112/04/21 12

圖 1.P25 、 ST-01 、 Nb2O5 、 SnO2 、 ZnO 之 XRD圖譜

20 30 40 50 60

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

e

d

c

b

a

inte

nsity

, a.u

.

2 theta, deg

(a)P25 (b)ST-01 (c)Nb

2O

5

(d)SnO2

(e)ZnO

112/04/21 13

XRD結構分析

圖 2.(a)P25旋轉塗佈於 ITO基板上 (b) 在 P25上電沉積AgInSe2

(a)

(b)

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SEM表面觀察分析

圖 3.(a)ST-01旋轉塗佈於 ITO基板上 (b) 在 ST-01上電沉積AgInSe2

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(a)

(b)

圖 4.(a)Nb2O5 旋轉塗佈於 ITO基板上 (b) 在 Nb2O5 上電沉積 AgInSe2

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(a)

(b)

圖 5.(a)SnO2 旋轉塗佈於 ITO基板上 (b) 在 SnO2 上電沉積 AgInSe2

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(a)

(b)

圖 6.(a)ZnO旋轉塗佈於 ITO基板上 (b) 在 ZnO上電沉積 AgInSe2

112/04/21 18

(a)

(b)

350 400 450 500 550 6000

2

4

6

8

Kub

elka

-Mun

k (a

.u.)

Wavelength(nm)

P25

2.5 3.0 3.5 4.0 4.5

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

(h

)2 (a.

u.)

Photon energy, eV

P25

圖 8.(a)P25 K-M圖公式 :(1- R∞ )2/2R∞求出 K-M值能隙約為 3.44eV及 3.26eV附近

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(a)

(b)

UV-Vis紫外光光譜分析

圖 (b)P25直接能隙之圖譜公式 :(αhν)2= A(hν-Eg)能隙約為 3.21eV 及 3.41eV

附近

350 400 450 500 550 6000

2

4

6

8

10

Kub

elka

-Mun

k (a

.u.)

Wavelength(nm)

ST-01

2.5 3.0 3.5 4.0 4.5

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

(h

)2 (a.

u.)

Photon energy, eV

ST-01

112/04/21 20

圖 8.(a)ST-01 K-M圖能隙約為 3.26eV附近

(a)

(b)

圖 (b)ST-01直接能隙之圖譜能隙約為 3.20eV附近

350 400 450 500 550 6000

2

4

6

8

10

Kub

elka

-Mun

k (a

.u.)

Wavelength(nm)

Nb2O

5

2.5 3.0 3.5 4.0 4.5

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

(h

)2 (a.

u.)

Photon energy, eV

Nb2O

5

112/04/21 21

圖 9.(a)Nb2O5 K-M圖能隙約為 3.44eV 及 3.22eV附近

(a)

(b)

圖 (b)Nb2O5直接能隙之圖譜能隙約為 3.10eV 及 3.35eV附

近

350 400 450 500 550 6000

2

4

6

8

10

12

Kub

elka

-Mun

k (a

.u.)

Wavelength(nm)

SnO2

2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0

0

1000

2000

3000

4000

5000

(h

)2 (a.

u.)

Photon energy, eV

SnO2

112/04/21 22

圖 10.(a)SnO2 K-M圖能隙約為 3.65eV附近

(a)

(b)

圖 (b)SnO2直接能隙之圖譜能隙約為 3.62eV附近

2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0

0

1000

2000

3000

4000

5000

(h

)2 (a.

u.)

Photon energy, eV

ZnO

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圖 11.(a)ZnO K-M圖能隙約為 3.22eV附近

350 400 450 500 550 6000

2

4

6

8

10

12

K

ubel

ka-M

unk

(a.u

.)

Wavelength(nm)

ZnO

(b)

(a)

圖 (b)ZnO直接能隙之圖譜能隙約為 3.15eV附近

[Co2+],

M

Voc(V

)

Jsc(m

A/cm2)

F.F. η(%)

0.0

5

0.70 0.030 0.32 0.006

7

0.1 0.71 0.015 0.40 0.004

2

0.3 0.76 0.037 0.31 0.008

8

0.5 0.73 0.066 0.37 0.018

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.80.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

d

c

b

a

Cur

rent

den

sity

,mA

/cm

2

Voltage,V

(a)Co2+(0.5M)

(b)Co2+(0.3M)

(c)Co2+(0.1M)

(d)Co2+(0.05M)

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圖 12. Co2+濃度對 I-V轉換效率的影響

光電轉換效率的量測

[Co2+],

M

[Co3+],

M

Voc(V

)

Jsc(m

A/cm2)

F.F

.

η(%)

0.297 0.003 0.62 0.12 0.3

4

0.02

6

0.288 0.012 0.67 0.14 0.3

2

0.03

0

0.279 0.021 0.75 0.19 0.2

6

0.03

8

0.273 0.027 0.57 0.20 0.3

3

0.03

9

0.270 0.030 0.48 0.15 0.3

5

0.02

5

112/04/21 25

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.80.00

0.05

0.10

0.15

0.20

e

d

c

b

a

Cur

rent

den

sity

,mA

/cm

2

Voltage,V

(a)Co2+:0.273M,Co3+:0.027M

(b)Co2+:0.279M,Co3+:0.021M

(c)Co2+:0.288M,Co3+:0.012M

(d)Co2+:0.297M,Co3+:0.003M

(e)Co2+:0.270M,Co3+:0.030M

圖 13.不同 Co2+/Co3+比例的電解液對 I-V轉換效率的影響

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.90.00

0.05

0.10

0.15

0.20

e

d

cb

a

Cur

rent

den

sity

,mA

/cm

2

Voltage,V

(a)ZnO (b)SnO

2

(c)P25 (d)Nb

2o

5

(e)ST-01

Voc(V) Jsc(mA

/cm2)

F.F. η(%)

ZnO 0.71 0.19 0.26 0.035

SnO2 0.65 0.13 0.27 0.024

P25 0.83 0.14 0.33 0.039

Nb2O5 0.60 0.17 0.36 0.038

ST-

01

0.57 0.20 0.33 0.039

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圖 14.氧化物對 I-V轉換效率的影響

Time Voc(V

)

Jsc(m

A/cm2)

F.F. η(%)

1min 0.57 0.20 0.33 0.039

15min 0.76 0.16 0.45 0.056

30min 0.71 0.11 0.33 0.026

60min 0.59 0.13 0.26 0.020

112/04/21 27

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.80.00

0.05

0.10

0.15

0.20

d

c

b

a

Cur

rent

den

sity

,mA

/cm

2

Voltage,V

(a) 1min (b) 15min (c) 30min (d) 60min

圖 15.浸泡時間對 I-V轉換效率的影響

T(℃) Voc(V) Jsc(mA

/cm2)

F.F. η(%)

350℃ 0.66 0.075 0.29 0.014

450℃ 0.57 0.20 0.33 0.039

550℃ 0.57 0.12 0.31 0.021

112/04/21 28

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.70.00

0.05

0.10

0.15

0.20

c

b

a

Cur

rent

den

sity

,mA

/cm

2

Voltage,V

(a) 350 (b) 450 (c) 550

℃℃℃

圖 16.煅燒溫度對 I-V轉換效率的影響

Voc(V

)

Jsc(m

A/cm2)

F.F. η(%)

1 層 0.66 0.13 0.38 0.032

2 層 0.57 0.20 0.33 0.039

3 層 0.63 0.084 0.40 0.021

112/04/21 29

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.70.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

0.14

0.16

0.18

0.20

0.22

c

b

a

Cur

rent

den

sity

,mA

/cm

2

Voltage,V

(a) 1 (b) 2 (c) 3

層層層

圖 17.氧化物層數對 I-V轉換效率的影響

六、結論

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1. 由 UV-Vis分析結果得知 P25樣品能帶間隙為 3.41eV 及 3.21eV、 ST-01樣品能帶間隙為 3.20eV 、 Nb2O5樣品能帶間隙為3.10eV 及 3.35eV 、 SnO2樣品能帶間隙為 3.62eV 、 ZnO樣品能帶間隙為 3.15eV。

2.在鈷離子濃度為 0.3M時， Co2+:0.273M 、 Co3+:0.027M，有最好的光電轉換效率。

3.在測試的 5 個氧化物中， P25效率最好為 0.039%與最差為 SnO2 效率 0.023%，且前者效率較後者效率增加 60%。

4.電沉積 AgInSe2 前浸泡時間，最佳效率為浸泡 15min之樣品，其效率可達 0.056% ， 1min之樣品只有 0.039%。

5.450℃為 ITO-TiO2樣品的最佳煅燒溫度，顯現最高的光催化性能。6.塗佈 2 層為 ITO-TiO2樣品的最佳層數，顯現最高的光催化性能。

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七、參考文獻

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[1] 陳陵援，溫室氣體減量壓力對台灣產業發展的淺在衝擊，工研院簡報， 2004[2] M. Grätzel, Powering the planet ,Nature. 403, 363,2000 .[3] 98全國能源會議 能源科技與產業發展核心議題總結報告[4] D. M. Chapin, C. S. Fuller, G. L. Pearson, J. Appl Phys. A

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[7] M. K. Nazeeruddin, F. D. Angelis, S. Fantacci, A. Selloni, G. Viscardi, P. Liska, S. Ito, B. Takeru, M. Grätzel,, J. Am. Chem. Combined Experimental and DFT-TDDFT Computational Study of Photoelectrochemical Cell Ruthenium Sensitizers Soc.127, 16835,2005.

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[11] 汪仕欣，銦錫氧化物摻雜二氧化鈦電極於染料敏化太陽能電池之研究，大學論文，崑山科技大學， 2009.

[12] 林亞文，銦錫氧化物修飾二氧化鈦光觸媒之性質及活性研究，大學論文，崑山科技大學， 2009.

[13] 林冠維，奈米碳管摻雜二氧化鈦電極於染料敏化太陽能電池之研究，大學論文，崑山科技大學， 2009.

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報告結束謝謝各位

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