2011高雄第51届中小学科学展览会.docVIP

化學報告 一定”銀”—太陽能小餅乾 摘要 　　本研究採用化學氣相沉積法，將TiCl4與熱水反應製作二氧化鈦薄膜之工作電極，探討最佳製備條件，以提升DSSC的效能。接著將製作TiO2/Ag工作電極，藉以改善光電轉換效率。 在固定去離子水量100mL情況下，改變TiCl4的量為1mL、0.75mL、0.5mL90℃、80℃、70℃100℃。 將電解質濃度降至0.0005M時，電壓提升了。其中以TiCl4添加量為2mL和1mL的電壓0.518V和0.533V是最高的。有關電解質的最佳濃度還要持續探討。 以添加硝酸銀製備TiO2/Ag的工作電極，由現有的實驗數據發現，添加硝酸銀所製成的DSSC電壓不升反降。未來希望藉由改變硝酸銀的添加量、改添加醋酸銀或改以浸鍍法，製備摻雜Ag的TiO2薄膜，以提升電池效能。 研究動機 高三在實驗室討論DSSC的製作，心裡既羨慕又好奇，從觀察和閱讀做起，在對DSSC的製作略微了解之後，對DSSC的製作便產生了TiO2粒子的製備、摻雜物質、燒結溫度、染料、電解質、封裝等都被廣泛的探討著。有關TiO2薄膜的製作，從刀刮法一直發展到化學氣相沉積法（CDV）。如何以化學氣相沉積法，製作TiO2薄膜，是我們第一個想知道的。 （二）、改變製作工作電極的水溫，製備不同的DSSC工作電極，探討電池效能。 （三）、改變電解質的濃度，探討電解質對電池效能的影響。 以添加硝酸銀的方式，製備摻雜TiO2 /Ag的工作電極 （一）、探討不同硝酸銀量對電池效能的影響。 （二）、探討不同硝酸銀、TiCl4比對電池效能的影響。 研究設備器材 一、實驗器材： 壓克力箱 漏斗 電解質KI、碘固體 蠟燭 染料(紫高麗) 檯燈 手套 100ml燒杯 ITO玻璃 3M膠帶 滴管 500ml燒杯 加熱面板 滴管 培養皿 酒精 洗潔精 三用電錶 TiCl4 pipet 文獻探討及相關理論 染料敏化太陽能電池的原理 DSSC太陽能電池的工作原理，主要是利用半導體奈米顆粒上的色素(dye)分子進行光吸收，使染料變成激發態，進而把電子注入氧化物半導體，藉由電子於氧化物半導體傳導帶之傳輸將電子傳遞至導電玻璃，電子將經由外部通路至陰極後，再經由氧化還原電解液，使染料還原到基態。D(dye) + hν → D* ：染料分子光吸收 (Absorption) D* → D+ + e- (TiO2,CB) ：電子注入 (Electron Injection) e- (CB) → e- (FTO) 2D++3I- → 2D+I3- ：再生 (Regeneration) I3- + 2e- (Pt) → 3I TiO2的探討 TiO2有三種天然的結晶形，即金紅石銳礦板鈦礦金紅石銳礦TiO2是能帶間隙3.2eV的半導體，O的2p軌域能量較低形成價帶，而Ti的3d、4s和4p為空軌域形成傳導帶。當TiO2受到光線照射，價帶上的電子躍遷到傳導帶，因此傳導帶上的電子和價帶上的電洞形成了半導體導電的粒子。此TiO2粒子可能產生的反應如下： （一）、電子-電洞的複合，放出光或熱而回到基態。 （二）、電子、電洞的陷捕，電子可能被Ti4＋離子捕捉，電洞可能被表面的基OH－或O2－捕捉。 （三）、電子、電洞使表面分子產生氧化還原反應。 植物染料的探討 可應用於染敏太陽能電池的天然植物染料有很多，例如藍莓、覆盆子、黑梅、澎大海、石榴果、蔓越莓等，這些染料含有花青素葉子。 花青素具有較強的吸收紫外線的能力，例如原花青素的最大波長在280 nm 附近，使其具有强的吸收能力。 TiO2只能吸收紫外光區（10~400nm）的太陽光，這限制了光電轉換效應。故藉由染料可擴大電池的吸光範圍，色澤偏深藍色色系之含有花青素的染料，主要是吸收太陽光譜內紅外光至紅光範圍的可見光。 以CDV製作的TiO2薄膜較薄，透光性較好，但會造成染料吸附量不足，所以選用深色且吸附量較佳的染料。 以TiCl4製備TiO2粒子 TiCl4是無色密度大的液體，樣品不純時常為黃或紅棕色，它屬於少數在室溫時為液態的過渡金屬氯化物之一，其熔沸點之低與弱的分子間作用力有關。大多數金屬氯化物都為聚合物，含有氯橋連接的金屬原子，而四氯化鈦分子間作用力卻主要為弱的力，因此熔點沸點都不高。 除了釋放出腐蝕性的氯化氫之外，存放TiCl4時還會生成鈦氧化物及氯氧化物，粘住使用過的塞子和注射器。 利用複合半導體提升DSSC的光電轉換效率的研究很多，質量比例為100:1TiO2/ZnO複合半導體，DSSC之光電轉換效率最佳，光電轉換效率為2.21%因ZnO的導帶位置高於TiO2，可形成一能障層，阻止TiO2導帶上的電子與氧化態的染料或電解液中的3I再複合現象，降低電池內部的電阻（TiCl/TiO2