Abstract
本論文嘗試合成多種深共熔溶劑以做為染料敏化太陽能電池（Dye-sensitized solar cells, DSSC）之非揮發性電解液。深共熔溶劑 (Deep Eutectic Solvents, DES)為一種新型態之離子液體，主要是由四級胺塩鹵化膽鹼與氫鍵提供者諸如甘油、有機酸、脲素等以一定莫耳比例混和使其達到共熔點之共熔混合物。此類共熔混合物與傳統之咪唑類離子液體雷同，皆具有良好之溶劑性質、高電化學導電度與非揮發性。但是深共熔溶劑有別於傳統咪唑類離子溶液之優勢在於:(1)合成簡易，(2)原物料便宜，(3)高環保特性，因此極具潛力做為DSSC之非揮發性電解液。 本論文利用四級胺鹽鹵化膽鹼與尿素或甘油等氫鍵提供物合成多種深共熔溶劑：G.CI (eutectic mixture of glycerol and choline iodide)、U.CI (eutectic mixture of urea and choline iodide)、G.CC (eutectic mixture of glycerol and choline chloride) 及U.CC (eutectic mixture of urea and choline chloride)，並將之與氧化還原對Ｉ-/I3-及PMII（3-propyl-1-methylimidazoliu iodide）混合以形成二元離子液體電解液，且藉由實際組成DSSC以測試其光電轉換效能。目前，我們已成功開發出甘油碘化膽鹼(G.CI)此類深共熔溶劑，其二元離子電解液具有與其他文獻可比擬之電池效能：Jsc = 12.0 mA cm-2, Voc = 553 mV, FF = 0.582, η=3.88 %。實驗結果顯示，甘油碘化膽鹼(G.CI)電解液之導電度高達5.3 mS cm-1，且I3-離子在此電解液中的擴散系數更高達8.7 × 10-7 cm2 s-1。此兩項導電度指標相較於目前文獻中報導具有最佳電池效能表現的PMII/EMIB(CN)4電解液系統之導電性來得高。據Gratzel等人之研究，PMII/EMIB(CN)4電解液之導電度為4.77 mS cm-1，而I3-離子在此電解液中的擴散系數則為3.42 × 10-7 cm2 s-1。故由此可知，本研究研發出之甘油碘化膽鹼(G.CI)電解液的確為一高導電度之非揮發性電解液，其導電度優於眾多離子液體電解液，使得氧化還原對在其中之質傳較快，而此項特性亦反映在電池之高電流密度上。 然而，在此甘油碘化膽鹼電解液系統中，我們加入了15 wt. %的去離子水以降低甘油碘化膽鹼之熔點與黏度。但是在經過長達三個月的電池長期穩定性觀測中，發現水的確會影響該電解液之穩定性，使電池長期效能下降。經實驗研究，此可能肇因於水與電解液中之I3-反應而使得電解液與染料之崩解。 有鑑於此，本研究將嘗試將甘油碘化膽鹼電解液中之水分去除，以研發出一無水且高穩定性之深共熔溶劑電解液系統，並同時兼顧可接受之電池效能。最後成功開發出甘油丁酸基碘化膽鹼(G.BCI, eutectic mixture of glycerol and butyrylcholine iodide)此無水、無PMII之全深共熔溶劑電解液，其電池效能為：Jsc = 10.1 mA cm-2, Voc = 662 mV, FF = 0.696, η=4.35 %。綜合以上所言，深共熔溶劑電解液之高導電度、環保且成本便宜之特性使得其做為DSSC之非揮發性電解液的潛力大增。