染料敏化型太陽能電池專題系列(二) 018 染料敏化型太陽能電池技術上的優缺點

「染料敏化型太陽能電池」，也稱為染料增感型太陽能電池或濕式電池。此類型太陽能電池最重要的技術由1991年瑞士Michael Graetzel教授所發表 ，所以也稱為Graetzel cell。典型的Graetzel cell是利用奈米結構的電極材料，再加上適當染料的配合而組成，基本概念源自19世紀的照相技術與植物光合作用。
概念來自植物光合作用的染料敏化型太陽能電池
與傳統矽晶片太陽能電池相比，染料敏化型太陽能電池的光電發生機制顯得很不一樣。染料感光太陽能電池的工作原理，基本上是運用光電化學(photoelectrochemical)效應，而非光伏特效應。其電荷的傳導是經由導電電子和I-負離子，並沒有像光伏特效應中尚有帶正電的電洞。傳統矽晶片太陽能電池(P/N junction cells)與染料敏化型太陽能電池的比較如下列圖表。
傳統矽晶片與染料敏化型太陽能電池光電發生機制比較
傳統矽晶片太陽能電池(P/N or PE cells) 染料敏化型太陽能電池(DSSC)
電子-電洞對分離原因為P/N界面照光產生內建空間電場的電位差染料吸收光能激發電子，發生電子-電洞對的分離
介面為一結晶面，有很大的機會發生電子-電洞對再結合介面為多孔性奈米級結晶面，大幅提昇比表面積
光電壓(photovoltage)源自P/N界面的內建電場之電位差光電壓為二氧化鈦照光後傳導帶(CB)之fermi level與電解質氧化還原電位(ERodex)差
光電流的傳輸路徑存在多種可能光電流的傳輸路徑只有一種
Graetzel cell結構與運作示意圖
Konarka的可折式染料敏化型太陽能電池
由於染料敏化型太陽能電池的製程非常簡單，只要有材料與烤箱，幾乎人人都能製造。不但不需昂貴設備與高潔淨度的廠房設施，所使用材料二氧化鈦、電解質也非常便宜。唯獨鉑(platinum, Pt, 白金)金屬與染料價格偏高，但相信生產規模較大時，成本能降低。
另外，染料敏化型太陽能電池的最大優點是，可以使用具可撓性(flexible)基材，如塑膠甚至是纖維或織物上，所以應用範圍比起傳統以矽材為主的太陽能電池要大的多。
目前光電轉換率最佳的DSSC為Sharp所發表產品 ，使用的是black dye，有11.1%的成績。至於染料敏化型太陽能電池的技術上優點，中央研究院學術諮詢總會通訊中一篇「染料敏化太陽能電池中之超快光致電子轉移過程」的論文 有以下的闡述：
1. 感光顆粒塗布在陽極上的厚度僅約在微米尺度，而且奈米顆粒分布的方式是類似鐘乳石一般、有如碎形的結構。這使得感光層的有效受光表面積約變為電極表面積的1000倍，因此能以極少量物質達成高吸光效率。
2. 感光顆粒的製造，只需將半導體顆粒浸泡在含染料的溶液中約20分鐘，再用惰性氣體風乾即可；塗布在陽極表面上的平整度也沒有特別要求，製程簡單又便宜。
3. 一般染料在可見光範圍的吸收波段相當大，可以涵蓋數十到一百奈米的波長範圍(可見光波段是從400～700nm，共約300nm寬)，因此符合以同一元件利用大波段陽光的要求。
4. 染料敏化型太陽電池感光的量子效率極高。所謂量子效率在此是指當染料吸收一個光子後，在半導體中平均產生的電子數。目前有許多的染料/半導體的組合都表現出幾近百分之百的量子效率，可以說染料敏化型太陽能電池在轉換光能與電能的時候很有希望將損耗降至甚低。
染料敏化型太陽能電池示意圖