應用於染料敏化太陽能電池之二氧化鈦奈米粒與奈米棒製備及其電荷傳輸動力學研究

Abstract

在本論文中，我們製備具有一維結構的二氧化鈦奈米棒(TiO2 nanorod, NR)和零維結構的二氧化鈦奈米粒(TiO2 nanoparticle, NP)，並將他們應用到染料敏化太陽能電池上(DSSC)。藉由雙界面活性劑的系統搭配溶膠－凝膠法和水熱法，我們可以合成出不同長度二氧化鈦奈米棒結構。再利用溶膠-凝膠溫度和時間、EDA濃度、界面活性劑濃度、水熱時間、水熱溫度等不同的合成參數，搭配掃描式電子顯微鏡的結果來討論二氧化鈦奈米棒的生成機制。我們將大小約20 nm的二氧化鈦奈米粒子與長度150±30 nm半徑30±10nm的二氧化鈦奈米棒進行DSSC的效率測試。在奈米棒中混摻兩種比例的奈米粒，分別為1NP+2NR (P1R2)和2NP+1NR (P2R1)在最佳化厚度時，NP元件的光電轉換效率η = 8.17 %，P2R1為η = 8.64 %，P1R2為η = 8.95 %，NR為η = 8.85 %。另外，我們發現將奈米棒的長度縮小，也會增加染料吸附量，故在TiO2前驅物TTIP水解之前加入oleic acid可有效抑制水解和縮合的速度，使奈米棒長度變小，並針對三種不同長度(50±20 nm、150±30 nm、250±50 nm)的奈米棒和市售18-NR的短奈米棒做元件效率的比較。而在動力學的部分，利用IMPS/IMVS量測系統，探討了(1) NP、P2R1、P1R2與NR；(2) Long Rod、NR、Short Rod與18-NR等不同材料的電荷再結合速率和 II 電子收集速率。最後，我們提出複合層的陽極結構，將奈米粒置於陽極底部，而奈米棒堆積在上層，可有效增加光電轉換效率達10.49 %。

在本論文中，我們製備具有一維結構的二氧化鈦奈米棒(TiO2 nanorod, NR)和零維結構的二氧化鈦奈米粒(TiO2 nanoparticle, NP)，並將他們應用到染料敏化太陽能電池上(DSSC)。藉由雙界面活性劑的系統搭配溶膠－凝膠法和水熱法，我們可以合成出不同長度二氧化鈦奈米棒結構。再利用溶膠-凝膠溫度和時間、EDA濃度、界面活性劑濃度、水熱時間、水熱溫度等不同的合成參數，搭配掃描式電子顯微鏡的結果來討論二氧化鈦奈米棒的生成機制。我們將大小約20 nm的二氧化鈦奈米粒子與長度150±30 nm半徑30±10nm的二氧化鈦奈米棒進行DSSC的效率測試。在奈米棒中混摻兩種比例的奈米粒，分別為1NP+2NR (P1R2)和2NP+1NR (P2R1)在最佳化厚度時，NP元件的光電轉換效率η = 8.17 %，P2R1為η = 8.64 %，P1R2為η = 8.95 %，NR為η = 8.85 %。另外，我們發現將奈米棒的長度縮小，也會增加染料吸附量，故在TiO2前驅物TTIP水解之前加入oleic acid可有效抑制水解和縮合的速度，使奈米棒長度變小，並針對三種不同長度(50±20 nm、150±30 nm、250±50 nm)的奈米棒和市售18-NR的短奈米棒做元件效率的比較。而在動力學的部分，利用IMPS/IMVS量測系統，探討了(1) NP、P2R1、P1R2與NR；(2) Long Rod、NR、Short Rod與18-NR等不同材料的電荷再結合速率和 II 電子收集速率。最後，我們提出複合層的陽極結構，將奈米粒置於陽極底部，而奈米棒堆積在上層，可有效增加光電轉換效率達10.49 %。