修飾PtRu奈米顆粒之石墨烯應用於染料敏化太陽能電池的研製

染料敏化太陽能電池(dye-sensitized solar cell, DSSC)具有製程簡單、成本低、汙染較少，以及可在一般環境下進行組裝等優點，目前其轉換效率已突破12%，但仍有相當大的發展潛力。DSSC是透明導電基板塗佈吸附染料(釕離子錯合物, N3)的寬能隙半導體材料作為工作電極，再以鍍上催化材料(Pt)的基板作為對電極，兩者之間再注入電解液來完成電池元件。本計畫預計以石墨烯薄片(M-GNS, C-GNS)複合Pt與PtRu奈米顆粒來取代對電極之Pt膜，以化鍍技術將Pt與PtRu奈米顆粒修飾於石墨烯、奈米碳管材料表面。工作電極的TiO2漿料中將摻雜適量之石墨烯薄片，用以增加染料受光激發所產生之光電子的傳遞路徑與效率，使光電子可順利傳遞至FTO基板對外部電路作功，避免光電子與染料或電解液產生再複合的現象。藉由上述兩種改良方式，使目前DSSC的轉換效率獲得進一步提升，整體的計畫執行要點與工作要項包括： 1. 奈米碳材修飾PtRu顆粒之技術開發：以六氯鉑酸氫與氯化釕做為前驅物，混合還原劑乙二醇、緩衝溶液乙酸-氫氧化鈉進行化鍍製程。將粒徑小於10nm的奈米金屬顆粒，修飾於奈米碳材表面，而石墨烯薄片的選用、觸媒金屬種類(Pt, PtRu)，其化鍍品質的差異將進行探討。 2. 具奈米碳材/PtRu塗層之對電極製作：在FTO基板表面塗佈奈米碳材/Pt或PtRu顆粒觸媒層，共有M-GNS/CNT/Pt與PtRu, C-GNS/CNT/Pt與PtRu四種材料組合，再加上濺鍍法製備的Pt膜作為對照組，分別將這五組對電極量測電阻值與平均導電率，並以循環伏安法作電極催化反應測試，以發現兼具高導電性、觸媒性、比表面積之對電極材料組合。 3. 具TiO2/石墨烯/染料塗層之工作電極製作：將FTO基板清洗乾淨，並調製二氧化鈦漿料，在導電玻璃上定義出2 cm×2 cm尺寸的方型圖案，將二氧化鈦漿料滴於基板表面成膜，並以450℃燒結30分鐘，並浸泡於染料中，即完成工作電極的製備。二氧化鈦漿料將摻雜適量之奈米碳材，以增加光電子傳遞至FTO基板的路徑。共有三種材料組合，用以評估添加奈米碳材是否可獲得兼具高透光性、導電性、比表面積之工作電極，並有助於DSSC的性能提升與應用性。 4. DSSC之組裝及性能測量：將製備完成之工作電極與對電極，中間放置60μm厚度的封裝膜，除了避免兩電極接觸造成短路外，也能藉由加熱固化將兩電極板黏合，以避免量測時兩電極脫落。將兩電極黏合後即可注入電解液(液態、膠態)，最後將電解液注入口以膠封合，即完成DSSC元件之封裝製作。最後，將組裝完成之DSSC進行光電轉換效率的量測，模擬AM 1.5G太陽光照射下， DSSC的I-V輸出特性曲線，再換算得轉換效率。希望藉由上述工作電極與對電極的材料與結構改良，使DSSC的轉換效率可以進一步提升，突破目前12%的瓶頸。