染料敏化型太陽能電池專題系列(二) 017 染料敏化型太陽能電池原理

屬於濕式電池的染料敏化型太陽能電池(DSSC)，利用的是光化學反應，不同於一般太陽能電池工作原理，基本設計也和一般電池不同。其設計概念是用奈米尺寸的金屬氧化物半導體顆粒，以化學方法使其表面吸附染料分子，再將這種顆粒塗布在電池電路的陽極上做為感光層。在感光層和陰極之間則加上一層電解質幫助導電。基於這樣的設計所製成的電池即所謂染料敏化型太陽能電池，因為需要液態電解質來穩定導電，所以又被稱為濕式電池。
Graetzel cell基本設計
由於此機制裡「光能」轉換成「電能」的每一個步驟都屬於單一反應，所以非常穩定且能持續產生電流。以Michael Graetzel的N3-dye為例 ，其構造是由基板(玻璃或薄膜基板)、透明導電膜、半導體膜(光電極二氧化鈦)、染料、電荷輸送材(電解質、溶劑)，和由基板上鍍有透明導電膜、鉑(platinum, Pt, 白金)之相對電極等所構成。主要含有三個部份：
(1) 在氧化銦錫(ITO, indium tin oxide)導電基板 上，鍍上多孔奈米二氧化鈦(anatase)電極，用以吸附染料。
(2) 在ITO導電基板上的鉑電極 。
(3) 在兩電極中間則注入填滿含有iodide/triiodide電解質，作為氧化還原劑。
Solaronix二氧化鈦、染料、電解質
這三個主要部份可組成一個類似三明治結構的元件，形成染料敏化型太陽能電池。由於染料為絕緣體，無法導電，因此披覆在奈米孔洞裡的染料必須很薄，如此電子才可反覆進行氧化還原不至受阻。目前的限制是，要激發二氧化鈦反應的光源波長須低於388nm以下，不過經由染料吸附後的二氧化鈦可接受較大波長光源(可見光)的激發，因為紫外光在太陽光中的含量只有6%而已，若能利用可見光的能量將使得太陽能電池的能量利用範圍增加，其應用性將更為良好。
Michael Graetzel的DSSC發電原理示意圖
染料敏化型太陽能電池工作原理簡單敘述如下：吸附於二氧化鈦上的染料分子，在吸收光子能量後會被激發，由基態(S)躍遷到激發態(S*)，但激發態不是那麼穩定，所以電子會快速注入附近的二氧化鈦導帶。染料中失去的電子則是會很快的從電解質中得到補償，進入二氧化鈦導帶中的電子最終進入導電膜，然後通過外部迴路產生光電流，而染料自身被氧化，最後會被反電極上的電子還原，而形成循環。
此類型太陽能電池的特徵在於不使用矽半導體為基材，而是於具有導電膜的基板上將奈米尺寸的二氧化鈦微粒塗佈成糊狀，再以450℃進行燒結而得半導體光電極。至於相對電極，則是對透明導電膜進行鉑蒸鍍而形成的。二氧化鈦的厚度約為10μm，因為具有奈米大小的孔洞，所以比表面積可擴展至外觀基板面積的1000倍以上。充滿孔洞的二氧化鈦多孔質膜，能吸附更多光敏劑染料(釕的多吡啶錯合物，Ru-complex)，以便能吸收更多的光，從而大幅提升電流值。
染料敏化型太陽能電池感光層運作方式是由染料吸收入射光能量而躍遷到它的電子激發態。從這個激發態，染料可以把電子傳送到半導體奈米顆粒的傳導帶，而染料本身變成帶正電。這個過程被稱為電子注入(electron injection)，或更廣泛地被稱為電子轉移過程(electron transfer, ET)。電子被送到半導體之中，就比較容易經由與電極的接觸而流通到電路之中。這種經由染料吸光而使得半導體帶電的方式稱為「染料敏化」。
染料敏化型太陽能電池產生的開路電壓(Voc) 是根據二氧化鈦的費米能階(fermi energy level)和電解質氧化還原電位之間的差值所產生，電流則是依據染料本身對光能的應答速度及氧化還原性質來決定。除此之外，電子注入的效率和半導體本身的結構特性也是影響染料敏化型太陽能電池的關鍵因素之一。
染料敏化型太陽能電池元件材料之能階圖