染料敏化型太陽能電池專題系列(一) 004 利用太陽光與化學能的濕式電池

要瞭解染料敏化型太陽能電池之前，有必要先解釋一下化學能(chemical energy)，因為它的原理與一般熟知的傳統式物理電池大不相同。化學能 指的是由化學反應所產生的能量(energy)。產生化學能的物質除了由煤、木材、木炭、石油等物質燃燒所產生的燃燒熱外，尚有多種的產生方式，化學電池也是形式之一。若將一條金屬線的兩頭分別連接一根銅棒和一根鋅棒，然後將兩根棒子浸在電解液中，一道電流便會流過金屬線。因為鋅棒與電解液產生化學變化，放出一連串的電子，這些游離電子在電解液中流動，聚集在銅棒的四周與帶正電的離子結合。因此，銅棒和鋅棒間的金屬線就不斷的有電流通過，直到化學反應完畢為止。這種化學反應所產生的電能作功，就是化學能。而染料敏化型太陽能電池利用的就是這種光化學反應的光化學電池，因需要液態電解質(electrolyte)來穩定及幫助導電，所以又被稱為濕式電池(hybrid cells)。
Sun in X-Ray
對地球而言，說太陽是萬能之源一點也不為過。在太陽內部，核子的融合反應一直不斷地以每秒鐘有3.9×1045個原子參與核反應，然後能量也不停地向外釋放，這種太陽輻射(solar radiation) 能量以太陽光(sunlight) 也就是電磁波(electromagnetic radiation) 的形式傳到地球上。
若不考慮地球大氣層對太陽光的吸收和散射效應，太陽所產生的能量從太陽表面散發出輻射能(radiant energy) ，照射到在地球地面上的瓦數約為180PW (P=peta=1015)，平均每平方公尺約為1367焦耳/秒(太陽常數)。這數字看似龐大，其實地球只穫得了太陽總輻射量的22億分之一，約136瓦(watt)/平方公尺(太陽常數)。若扣掉大氣層的吸收和散射，實際照射到地球上太陽光約為1PW。雖然只有1PW，但我們每天從太陽接收這類免費能量，以現有技術卻只有極少數有效的方法可以擷取它，並把它轉化成更有用的能量形態，而其中一種方法是利用太陽能電池。它的原理是利用某種特殊材料吸收陽光，以化學能的形式儲存或直接變成電能。
屬於濕式電池的染料敏化型太陽能電池示意圖