探究影响太阳能电池电压的因素

探究影響太陽能電池電壓的因素G608摘要本實驗製作出來的染料敏化太陽能電池，真的能發電。

照度到4000Lux 的時候，太陽能電池的電壓最強；到達5000Lux的時候，電壓沒有增強，也沒有明顯的減弱，電壓幾乎一樣。

沒有加染料的太陽能電池電壓很低，染料是甲基藍的電壓最高。

甲基藍對水濃度為１：４０的染料敏化太陽能電池，所產生的電壓最高，濃度最高和最低的染料敏化太陽能電池，測出的電壓都不高。

壹、研究動機我們日常生活最重要的能源就是電，無時無刻離不開電，電力讓我們生活舒適便利；然而，由於地球上的各項能源日益短缺，全球氣候變遷、空氣污染、地球暖化；因此，節能減碳與找尋乾淨能源，便成了大家最重要的課題。

能源分為好幾種，火力發電會造成空氣污染，核能發電可能會有輻射外露，太陽能是最無污染的能源、又可以使用最長久的能源，所以我打算從太陽能電池著手。

貳、研究目的一、製作出染料敏化太陽能電池二、用甲基藍當染料，不同照度對染料敏化太陽能電池產生之電壓之影響三、用紅汞液當染料，不同照度對染料敏化太陽能電池產生之電壓之影響四、不同顏色的染料對二氧化鈦敏化之影響五、不同濃度的染料對太陽能電池產生電壓之影響參、文獻探討一、太陽能電池介紹１.矽晶元太陽能電池分為單晶矽及多晶矽，目前為研究成熟並商業量產，轉換效率達20％以上，唯因需要高度純化的矽半導體，故成本仍然很高。

２.非晶矽太陽能電池此類光電池是發展最完整的薄膜式太陽能電池，惟在光點使用後短時間內性能會大幅衰退，其光電轉換效率較低，商業模組僅４～８％。

３.染料敏化太陽能電池1991年瑞士科學家Ｍ.Graetzel發明「染料敏化太陽能電池」，以便宜又容易取得的玻璃為基材，結合染料分子和奈米級的金屬氧化物半導體粉末，即可吸收太陽光轉換成電能，被視為下一帶太陽能電池的主力。

染料敏化太陽能電池的基本設計，是藉由化學溶液的浸泡，讓金屬氧化物半導體粉末的表面吸附染料分子，在將這些粉末塗布在電池的陽極上作為感光層，然後再感光層與陰極之間加上一層電解質幫助導電。

瑞士發表此新型太陽能電池後，立即受到各國跟進研究，近年來歐洲和中國均已建立小型示範發電站，英國今年10月已宣布將建立全球第一座生產商用染料敏化太陽能電池的工廠。

二、光觸媒原理光觸媒本身是一個複合名詞，結合了光與觸媒二個名詞與概念。

觸媒的定義是大家熟悉的，也就是：可加速或減緩化學反應的物質。

光則是具有粒子與波動行為的量子化電磁能量，不具電荷或質量，但有動能。

觸媒是物質，光是量子化的能量，兩者結合後，可以把光觸媒反應是為：利用觸媒且牽涉到光線吸收的催化反應。

所有因吸收光線而產生的催化反應，都可稱謂光觸媒反應，所使用的物質便可稱為光觸媒。

光觸媒的種類繁多，如二氧化鈦、金屬錯合物（染料）等，其中尤以葉綠素更是廣為世人所熟悉的天然光觸媒，它可以吸收太陽光的能量，把二氧化碳和水轉化成葡萄糖，這就是著名的光合作用，既可提供生命所需的碳水化合物，更能去除空氣中的二氧化碳，是天然光觸媒。

所有因吸收光線而產生的催化反應，都可稱謂光觸媒反應，所使用的物質便可稱為光觸媒。

光觸媒的種類繁多，如二氧化鈦、金屬錯合物（染料）等，其中尤以葉綠素更是廣為世人所熟悉的天然光觸媒。

目前合成的光觸媒以半導體材料為主，很多種金屬氧化物半導體材料都具有光觸媒的功能。

其中二氧化鈦因化學性質安定、價格低廉等優點，而成為最為廣泛使用的人工光觸媒。

肆、研究設備及器材一、藥品類1.二氧化鈦：數顆，粒徑越小，轉換效率越好。

2.碘：數克。

3.碘化鉀：數毫克。

4.有機染料分子：甲基藍、紅汞水。

5.乙酸：數毫升。

6.乙醇：清洗用。

二、儀器類1三用電錶：一個，測量機版表面電阻值和太陽電池之電壓和電流使用。

2滴管、量筒、燒杯：各一個。

3玻璃棒：半徑小於5mm，長度20~30cm的圓柱型玻璃棒，或是表面光滑、半徑均勻的棒子，尺寸不是絕對重要。

若無玻璃棒的話，一般險為實驗常用的載玻片亦可代替使用。

4測試導線：兩條，一端為鱷魚夾，另一端為香蕉插頭的導線。

5照度計：一個。

6精密磅秤：一個。

三、其他1.ITO：導電玻璃。

2.研缽、研杵：一組。

3.鑷子：一個。

4.3Ｍ膠帶：一捲。

5.棉花棒：數根。

6.沙拉脫：一般家用的沙拉脫。

7.檯燈：一個。

伍研究過程或方法與研究結果一、製作出染料敏化太陽能電池（一）實驗步驟1.調配二氧化鈦:水:乙酸=3:4:1(質量比)之二氧化鈦漿料。

2.加入3滴沙拉脫並攪拌均勻。

3.將ITO導電面朝上，三面貼上膠帶以控制膜厚。

4.均勻塗上漿料，在用玻璃刮除多於醬料，製作出約10帄方公分大小的二氧化鈦薄膜。

5.步驟1~4所用的導電玻璃置入染色劑內染色(甲基藍溶液)。

6.取一片ITO，在導電面上用麥克筆做記號。

7.將染色過得基板二氧化鈦面朝下覆蓋於ITO上，用長尾夾將兩片玻璃夾住。

8.注入碘/碘化鉀/水以重量比1/10/10之比例混合之電解質，讓它自然滲透進兩片玻璃中間。

9.控制光度為2000Lux，量測電壓、電流。

（二）結論可以產生電壓及電流。

二、用甲基藍當染料，不同照度對染料敏化太陽能電池產生之電壓之影響（一）實驗步驟1.用甲基藍當染料製作一個染料敏化太陽能電池。

2.以不同照度測量此電池電壓的變化，分別為：1000Lux,2000Lux,3000Lux,4000Lux,5000Lux3.結果如下表（二）實驗觀察紀錄表單位：mV（三）實驗觀察統計圖（四）結論1.照度增加電壓也會增加。

2.照度1000Lux的電壓最低，接著的順序是2000Lux,3000Lux,4000Lux，到了5000Lux的時候停止升高。

3.電壓的大小，可參考折線圖表。

4.接著我想實驗使用紅汞液當染料製作的染料敏化太陽能電池，是否和甲基藍當染料製作的染料敏化太陽能電池照度與電壓的的規律一樣。

三、用紅汞液當染料，不同照度對染料敏化太陽能電池產生之電壓之影響（一）實驗步驟1.用紅汞液當染料製作一個染料敏化太陽能電池。

2.以不同照度測量此電池電壓的變化，分別為：1000Lux,2000Lux,3000Lux,4000Lux,5000Lux3.結果如下表（二）實驗觀察紀錄表單位：mV（三）實驗觀察統計圖（四）結論1.照度為1000Lux的反而電壓最高，而2000Lux的跟1000Lux的電壓差不多。

2.照度為4000Lux的電壓最低。

3.電壓的大小，可參考折線圖表。

4.實驗後發現，使用甲基藍當染料，和紅汞液當染料，照度與電壓的規律不一樣；不一樣的地方是，甲基藍當染料的太陽能電池，是照度增加電壓也會增加，而用紅汞液當染料的太陽能電池，是照度高反而電壓低。

四、不同顏色的染料對二氧化鈦敏化之影響（一）實驗步驟1.用不同染料，製作出染料敏化太陽能電池，分別為：無染劑、甲基藍、紅汞液。

2.同樣在2000Lux的照光下測量。

3.比較不同染劑造成電壓的大小。

（二）實驗觀察紀錄表單位：mV（三）實驗觀察統計圖（四）結論1.三種染料做出的太陽能電池，甲基藍的電壓最高，無染料的最低。

2.無染料的電壓最低這跟光觸媒原理是一致的。

五、不同濃度的染料對太陽能電池產生電壓之影響（一）實驗步驟1.用不同濃度的甲基藍溶液製作染料敏化太陽能電池。

2.甲基藍和水以不同比例調配，測量電壓的變化，如下：4.結果如下表（二）實驗觀察紀錄表單位：mV（三）實驗觀察統計圖（四）結論1.濃度為0.1g：100ml的染料敏化太陽能電池，電壓最強。

2.濃度為0.1g：20ml的染料敏化太陽能電池，電壓最低。

3.電壓大小的變化：濃度越濃，電壓越低；濃度最低的，電壓最高。

陸、結論實驗中發現當電解質(碘加碘化鉀溶液)乾掉時，電壓變的極小，可見電解質也是本染料敏化太陽能電池的重要素材，如何將電解質密封於此太陽能薄膜片中，不會洩漏，以便重複使用，是重要的課題。

在測量染料濃度對太陽能電池的影響時，我發現濃度越低反而電壓高，所以在製作一個太陽能電池時，染料濃度低一些較好，這樣成本也比較低。

太陽能必定是未來世界最重要的能源，如何將太陽能轉換成我們可以使用各式能源，例如電能或熱能，將是人類最重要的科學研究，本次實驗發現使用簡單的素材即可將太陽能轉換成電能，太陽能是取之不盡用之不竭的能源，希望未來太陽能的發展更成熟，人類也可以享受這乾淨又環保的能源。

柒、參考資料及其他1.林有銘甚麼是光觸媒網址.tw/ejournal/NSCM/9512/9512-04.pdf2.毛齊武電工原理三民書局3.鈦白粉也發電—染料敏化太陽能電池之相關研究(科展)新竹市立光華國民中學作者汪士惟、林浩正指導老師林慧玲4.染料敏化太陽電池作者戴明鳳國立清華大學物理系邱立翰光機電暨材料研究所捌、後記。