氮氣直流脈衝常壓噴射電漿製備鉑-氧化鎳複材於染料敏化太陽能電池之應用

Abstract

本研究分為兩部分，第一部分為以氮氣直流脈衝常壓噴射電漿不同處理時間還原鉑氧化鎳複合材料，第二階段為探討不同前驅物溶液比例對於鉑氧化鎳複合材料的影響，同時將製備的材料用於染料敏化太陽能電池(DSSC, dye-sensitized solar cell)之對電極。第一部分為以氯鉑酸與醋酸鎳莫耳數比為2：8混合為前驅物溶液，旋轉塗佈於氟摻雜氧化錫(FTO)導電玻璃，利用氮氣直流脈衝常壓噴射電漿在520℃(電漿源加熱，無另外熱源)以不同處理時間下煅燒還原。第二部分為調整氯鉑酸與醋酸鎳莫耳數比，分別增加為1：1及8：2，希望透過增加氯鉑酸之比例提升至較好的催化活性。一樣將混合之前驅物溶液旋轉塗佈於FTO導電玻璃上，利用氮氣直流脈衝常壓噴射電漿在520℃以45秒處理時間進行煅燒及還原。透過掃描式電子顯微鏡可觀察到鉑氧化鎳複材奈米粒子均勻分布於FTO導電玻璃上，此外，也透過ESCA進行表面化學分析化學組成。經過常壓電漿煅燒還原後，鉑大部分以金屬相形式存在，而鎳元素則以氧化鎳形式存在。進一步透過電化學阻抗分析(EIS)及塔弗(Tafel)特性曲線，分析得到在常壓電漿處理45秒至60秒有較高的交換電流密度(exchange current density)，而含有較高比例鉑之鉑氧化鎳複材則有優於傳統鉑對電極的交換電流密度，具有較好的催化活性。經常壓電漿煅燒5秒後即有明顯催化活性的提升，與元件測試效率結果相符合，即在常壓電漿還原5秒後，光電轉換效率、短路電流、填充因子皆有顯著提升。最後得到將氯鉑酸與醋酸鎳莫耳數比為8：2之前驅物溶液經氮氣直流脈衝常壓噴射電漿煅燒還原45秒，可得能與傳統鉑對電極效能相當的染料敏化太陽能電池。

A DC-pulse nitrogen APPJ is used to convert Pt-NiOx nanoparticles from liquid precursor films consisting of mixed chloroplatinic acid and nickel acetate. Pt-NiOx is used as counter electrodes (CEs) in dye-sensitized solar cells (DSSCs). The Pt-NiOx nanoparticles are well-distributed on the FTO glass substrates. According to X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) results, the reaction product mainly contains metallic Pt and nickel oxide. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and Tafel polarization curves reveal the improvement of electrochemical catalytic effects. The APPJ-processed Pt-NiOx nanoparticles on FTO glass substrates are used as the CEs of DSSCs. From J-V curve, the performance of DSSCs with APPJ-processed Pt-SnOx CEs is significantly improved in only 5 s processing time. The properties of samples reach stable status after ~45 s APPJ calcination time. Precursor solutions with three different mole ratios of chloroplatinic acid and nickel acetate are investigated. With adequate nickel oxide composition, the transfer charge current density and the electrochemical catalytic effects are enhanced.