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系統識別號 U0026-1402201910353000
論文名稱(中文) 電漿改質奈米碳管及其應用在薄膜太陽電池和電池電極材料之研究
論文名稱(英文) Study on plasma-modified carbon nanotubes and application in thin film solar cell and electrode material of capacity
校院名稱 成功大學
系所名稱(中) 化學工程學系
系所名稱(英) Department of Chemical Engineering
學年度 107
學期 1
出版年 108
研究生(中文) 江直璉
研究生(英文) Chih-Lien Chiang
學號 N38981169
學位類別 博士
語文別 中文
論文頁數 81頁
口試委員 指導教授-陳志勇
口試委員-陳炳宏
口試委員-侯聖澍
口試委員-羅介聰
口試委員-廖文城
口試委員-王振乾
中文關鍵字 奈米碳管  電漿改質技術  銅銦硫硒化合物  磷酸鋰鐵  Ag 奈米粒子 
英文關鍵字 carbon naotubes  plasma-induced functionalization  CuIn(S,Se)2  LiFePO4 
學科別分類
中文摘要 隨著全球石化能源含量日漸缺乏及燃燒排放的二氧化碳造成全球氣候暖
化問題,再生能源逐漸成為未來主流。而其中的太陽能發電具有不受地形影響、
清潔及安全等優點,因此最具發展潛能。而太陽能源發展目前碰到問題為其裝
置須要大面積,及製作成本高等問題。其中薄膜太陽能電池具有能改善這些缺
點的優勢。而太陽能源利用容易受氣候、晝夜的影響。因此必須搭配一個完善
的儲藏能源系統。因實驗室具有成熟的電漿改質材料技術,本研究目的在於將
此技術應用在此能源系統中,探討其在此領域扮演的角色及造成的成果。
研究分二部分,第一部分為將電漿改質技術應用於太陽能電池。一開始使
用電漿改質技術將順丁烯二酸酐(Maleic anhydride, MA)分子接枝於奈米碳管表面(CNTs-MA)。此樣品透過電子顯微鏡確認其穩定性後將其摻入非真空製程內的黃銅礦奈米顆粒油墨裡。並製作一系列不同改質奈米碳管重量百分比的黃銅
礦奈米顆粒油墨,以便後續探討其在此系統中最理想的添加量。製備的油墨經
由後續的真空燒結硒化,並透過化學水浴沉積法於此薄膜表面沉積硫化鎘緩衝
層(CdS),並以真空濺鍍方式在表面濺鍍金屬電極以製備元件。當此系列元件經
由電性檢測後歸納,此複合材料式薄膜太陽能電池於0.33wt%的CNTs-MA 摻
入量時,其元件能透過提高載子遷移速率促使CuIn(S,Se)2 奈米薄膜太陽能電池的轉換效率提高15%,與此同時也使元件能產出較多電流(Jsc)。
研究第二部分為將電漿改質技術應用於太陽能電池系統內的儲能電池。一
開始同樣也是使用電漿改質技術將順丁烯二酸酐分子接枝於奈米碳管表面上
克服碳管因凡得瓦力吸引造成的互相糾結問題。後續為了更進一步提升改質碳
管的導電性,將碳管表面大量生長銀奈米粒子(CNTs-MA-Ag),並透過電子顯微
鏡確認銀奈米粒子在碳管表面分布,其奈米粒子大小為5-7 nm。之後將生長銀
粒的碳管應用於儲能電極中。此研究所用的電極材料為LiFePO4,將LiFePO4
晶粒以研磨方式製備成油墨,並加入聚偏二氟乙烯( polyvinylidene difluoride,PVDF)充當黏著劑避免粉末於電極表面剝落。摻入CNTs-MA-Ag 並使其均勻分散後塗佈於鋁箔上形成複合式電極。後續也試著添加一系列wt%的CNTs-MAAg來找出適當的添加量,並用電化學交流阻抗去分析電極電阻。之後通過定電流充電/放電,在不同放電速率下去評估LiFePO4 / CNTs –MA-Ag 鈕扣電池的比電容量和循環穩定性。結果顯示在0.1C 下,CNTs-MA-Ag 含量為5 wt%時,電池具有148 mAhg-1 的電容量,100 次循環後電容量保持率為98.6%,並且在1C 和2C 下的電容量分別為113.6 和77.8mAhg-1,其電容量保持率分別為78.6%跟53.8%。
英文摘要 Thin film solar cells are developed for cost reduction by reducing the amount of active material in solar cells with the advantages of lightweight and low material utilization. Our group has pioneered an alternative approach by applying plasma-induced grafting method to functionalize surface of CNTs. The first part of this study is to apply plasma-induced functionalized CNTs to the solar cell. First, we use plasma technique to functionalize Maleic Anhydride (MA) on the CNTs surface. Then, mix CNTs-MA with chalcopyrite compound nanoparticle ink in a series of different ratios to make solar cell. As the result of analysis, 0.33wt%, CNTs-MA facilitated 15% increase in conversion efficiency of solution-based CuIn(S,Se)2 nanoparticle solar cells by increasing current density Jsc. The second part of the study is to apply plasma-induced functionalized CNTs to the storage energy system. First, we try to grow silver (Ag) nanoparticles on the surface of CNTs-MA. Through TEM, we can find many silver nanoparticles grow on the surface of CNTs-MA and the size is 5-7 nm. Then, we mix in a series of ratios of CNTs-MA-Ag to the LiFePO4 slurry with polyvinylidene difluoride (PVDF) as binder to make lithium ion battery. As the result, LiFePO4/CNTs-MA-Ag (5 wt%) coin cells have specific capacity of 148 mAhg-1 at 0.1C with a capacity retention ratio of 98.6% after 100 cycles, and rate capacity of 113.6 and 77.8 mAhg-1 at 1C and 2C, respectively.
論文目次 摘要 I
Abstract III
誌謝 VII
目錄 VIII
表目錄 XI
圖目錄 XII
第一章 緒論 1
1-1太陽能電池發展 1
1-2鋰離子電池發展 3
第二章 文獻回顧 5
2-1-1 太陽能電池原理 5
2-1-2 太陽能電池發展與I-III-VI族Cu-In-Se系統 8
2-1-3 CuIn(S,Se)2元件結構介紹 10
2-1-4 文獻中的薄膜太陽能電池改善 13
2-2-1 鋰離子電池原理與發展 16
2-2-2 LiFePO4電池 19
2-2-3 文獻中的LiFePO4正極材料改良方法 20
第三章 實驗方法 25
3-1 藥品 25
3-2 實驗儀器 26
3-2-1 分析用儀器 26
3-2-2 非分析用儀器 27
3-3 實驗步驟 27
3-3-1 以電漿處理法接枝馬來酸酐於奈米碳管上 27
3-3-2 製備CuIn(S,Se)2/CNTs-MA太陽電池元件 28
3-3-3 以還原反應法還原銀奈米粒子於奈米碳管 29
3-3-4 製備LiFePO4/CNTs-MA-Ag鋰離子電池 29
3-4 實驗鑑定儀器 30
3-5 分析方法 33
第四章 結果與討論 35
4-1 電漿接支馬來酸酐碳管(CNTs-MA)分析 35
4-2 CNTs-MA混摻CIS薄膜太陽能電池 38
4-2-1 濕式研磨CuIn(S,Se)2粉末 38
4-2-2 製備CuIn(S,Se)2/CNTs-MA複合材料吸收層及分析 45
4-2-3 CuIn(S,Se)2/CNTs-MA太陽能電池元件分析 49
4-3 CNTs-MA-Ag應用於鋰電池正極材 53
4-3-1 CNTs-MA-Ag分析 53
4-3-2製備LiFePO4/CNTs-MA-Ag複合正極材料及分析 56
4-3-3 LiFePO4/CNTs-MA-Ag鋰離子電池分析 60
第五章 結論 74
參考文獻 76
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論文全文使用權限
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