染料敏化太陽電池(DSSC)的運作機制與瓶頸

作者:知識力   |   2019 / 02 / 26

文章來源:知識力   |   圖片來源:Koko


染料敏化太陽電池(DSSC:Dye-Sensitized Solar Cell)

使用矽或砷化鎵製作太陽電池都需要使用半導體製程,所以成本都不低,這也是太陽電池目前發展的瓶頸,有沒有一種成本低,製作容易的太陽電池材料呢?科學家發現,一些有機材料具有吸收光子產生電子的特性,這種有機材料稱為「染料(Dye)」,使用這種材料製作的太陽電池我們稱為「染料敏化太陽電池(DSSC)」。

染料敏化太陽電池(DSSC)的構造如<圖一>所示,通常使用兩片導電玻璃(玻璃表面濺鍍氧化銦錫薄膜)來製作,先在下方的導電玻璃上成長奈米結晶的多孔性二氧化鈦薄膜,再將染料溶解在電解液內,並且使用旋轉塗佈法將染料塗佈在多孔性二氧化鈦薄膜上。

由於氧化銦錫(ITO)透明而且可以導電,所以太陽光可以穿透導電玻璃到達染料層,由染料層放出電子,經由多孔性二氧化鈦薄膜流出,經過電子元件就可以使元件工作。基本上染料(Dye)在這裡所扮演的角色,和樹葉上的葉綠素一樣,可以吸收太陽光,並且將電子轉移出去。

值得注意的是,奈米結晶的二氧化鈦其實就是所謂的「奈米光觸媒」,科學家發現這種材料不但可以引起光催化反應,而且具有特別的光電特性,可以提高染料的能量轉換效率。

圖一、染料敏化太陽電池(DSSC)的構造示意圖

染料敏化太陽電池的技術瓶頸

DSSC 最大的優點是製程簡單,不需要昂貴的設備與高潔淨度的廠房,而且二氧化鈦與電解液也很便宜,至於鉑金屬觸媒與染料將來大規模生產時價格也會降低,而且使用有機染料製作薄膜並不一定要使用玻璃基板,也可以使用具有可撓性的基板,例如:塑膠,也可以直接塗佈在各種建材上,製作非常容易。

不過 DSSC 仍然有許多問題必須克服,例如:有機材料的光電性質較差,大部分的能量轉換效率都小於 5%,沒有實用價值。

更慘的是,有機染料長時間照射太陽光以後,分子結構會被紫外光破壞,光電轉換效率會大幅衰減,所以雖然許多實驗室宣稱可以製作出能量轉換效率接近 10% 的產品,但是大部分都只能停留在研究階段,無法長時間照射太陽光,距離量產還需要很長期的研發才行。

目前主要進行染料敏化太陽電池研發的機構有瑞士聯邦技術學院(EPFL)、澳大利亞國際永續技術(STI)公司、德國 INAP 研究所、歐盟的荷蘭國家能源研究所(ECN)、日本產業技術綜合研究所(AIST)、日本日立公司、日本富士公司、日本 Peccell 技術公司、瑞典 Uppsala 大學、瑞士 Leclanche S.A(Swiss)與 Solaronix(Swiss)以及美國 Konarka 公司等。

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知識力》授權轉載

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