|
重點提要
■染料敏化太陽能電池的製作成本遠低於矽太陽能電池，有很高的發展潛力，但光電轉換效率一直無法提升。
■最新的研究結果顯示，以人工葉綠素——「紫質」做為染料，可大幅提高光電轉換效率。
■紫質染料敏化太陽能電池具有可撓曲、透明、多種顏色等特性，大幅擴增其應用範圍。
太陽能是大自然最好的恩賜，不但取之不盡、用之不竭，又不會排放二氧化碳。可是現有以矽為基材製作的太陽能電池，成本昂貴，難以普及；而頗被看好的「染料敏化太陽能電池」（dye-sensitized solar cell, DSSC），則受限於光電轉換效率無法提升，一直沒有重大進展。
現在這種局面有了改變，中興大學化學系葉鎮宇、交通大學應用化學系刁維光和瑞士洛桑聯邦理工學院化學系的格拉茲爾（Michael Gratzel）合作研發以紫質（porphyrin，或譯口卜口林）做為染料的DSSC，終於突破多年來的瓶頸，一舉將光電轉換效率從11%提升為13.1%。這項研究成果刊登於2011年11月4日的《科學》。
太陽能電池的限制
目前太陽能發電的材料仍以半導體矽為主，矽晶片必須在高溫、真空的環境中製作，製程非常複雜，建立工廠的成本也非常高，所以價格始終居高不下，因此格拉茲爾在1991年另起爐灶，發明了DSSC。DSSC的發電原理是將特殊的染料塗佈在二氧化鈦或氧化鋅等半導體上，染料照光後電子會躍遷到激發態，並有機會遷移到半導體上變成自由電子，這些自由電子會經由連接到半導體的導電玻璃或導電塑膠流出，形成電流。
染料的另一側是電解質，失去電子的染料分子會從電解質接受電子，恢復至原有的狀態。而一開始從染料流出的電子，則在經過負載後，流到和電解質連接的鉑電極，補充電解質失去的電子，成為完整的迴路。
DSSC不需要嚴格的製作條件，比矽太陽能電池容易許多，可大幅降低製造成本，因此很快就受到各界重視。然而實驗室中矽晶片太陽能板的光電轉換效率已可超過30%，量產的商品也可達15~16%，DSSC在這方面的進展卻停滯不前，自從1993年達到10%、2005年達到11%之後，就再也無法突破。
這一類光電轉換效率比較高的DSSC，所用的關鍵材料——染料，都包含了釕（Ru）金屬錯合物。釕是稀有金屬，價格昂貴，且在提煉過程中會污染環境，加上吸光率不佳、光電轉換效率也無法再提升，因此許多科學家都想研發其他染料來取代釕金屬錯合物。
以人工葉綠素為染料
在自然界中最廣為人知能吸收光能的，就是光合作用。光合作用中，葉綠素照光後電子被激發，引發後續的化學反應，前半段的「照光後電子被激發」正符合DSSC的需求。葉綠素是一種紫質分子，於是許多科學家開始研發不同的紫質分子，想製造出具有同等功能的「人工葉綠素」，做為新的光敏染料。
紫質有許多特性及功用（請參見74頁〈活躍的紫質家族〉），專門研究紫質的葉鎮宇在五年前開始投入以紫質分子做為DSSC染料這種新的研究趨勢。他指出，要做為DSSC的染料，需要的條件不只電子會受光激發，還必須照光後電子躍遷的能階正好與二氧化鈦半導體的能階相當，如此激發態的電子才會轉移到二氧化鈦基板上，形成電流。此外，染料吸光的頻譜範圍也要越寬越好，如此才能吸收較多光能，而提高光電轉換效率。
葉鎮宇先推算要幫紫質接上哪些官能基，所得到的紫質分子能階才會與二氧化鈦相當、有最寬的吸光頻譜，且電子停留在激發態的時間最長，這樣電子才容易經由二氧化鈦流出而形成電流；然後設法將這樣的紫質分子合成出來，再交由專精於DSSC電極、電解質且擅長組裝DSSC元件的刁維光做出成品並進行測試。
全世界約有20組研究團隊在進行類似的工作，但始終無法提升紫質染料的光電轉換效率，最高大約只能到7%，其中一個重要原因是紫質分子很容易彼此靠近而堆疊在一起，使激發態的電子無法有效注入二氧化鈦，因而降低光電轉換效率。
紫質染料必須透過浸泡來附著在二氧化鈦半導體表面，刁維光表示，釕金屬錯合物染料浸泡時間長達10幾個小時，若不慎多浸泡了幾個小時也不致影響性能；然而為了避免堆疊，紫質染料的浸泡時間必須嚴格控制在1~2小時，誤差不能超過半小時。此外，還要在染料中加入適當比例的「共吸附劑」，將紫質分子彼此隔開以減少堆疊。這些步驟都增加了紫質DSSC製程的困難度，而且製作條件只要有些微差異，就會大幅影響DSSC成品的光電轉換效率。
為了徹底解決紫質分子堆疊的問題，葉鎮宇和刁維光在紫質分子上接上長碳鏈，以加大紫質之間的距離，不再堆疊在一起。長碳鏈的另一用處是阻止電解質太靠近二氧化鈦表面，避免電荷再結合：電解質原本應該從另一側的鉑電極獲得電子，再傳給紫質，補充紫質因照光激發而失去的電子；若電解質太靠近二氧化鈦，反而會和紫質提供給二氧化鈦的電子結合，因而降低了光電轉換效率。
|
