染料敏化型太陽能電池專題系列(二) 022 染料敏化型太陽能電池技術介紹：敏化染料

染料是染料敏化型太陽能電池中的非常重要的部分。雖然在近十年的研究中，科學家們已嘗試合成了900多種的染料，但其中只有一小部分具有良好的光敏化性能，而且以釕的多吡啶錯合物為主。
染料 (Solaronix)
染料的重要性在於其性能優劣將直接影響到電池的光電轉換效率，所以對染料的要求很嚴格，因為它的地位就像是驅動分子內電子的馬達一般。由於光激發二氧化鈦的反應須要藉助低於388nm的紫外光，但紫外光所佔太陽光能中只有6%，所以必須利用太陽光能佔最高比例的可見光。而染料能夠幫助二氧化鈦的吸收波長提高到可見光區，並藉由可見光的驅使讓電子躍遷至二氧化鈦半導體電極，再接受來自電解質的電子。
染料敏化示意圖
一般染料必須符合以下幾點條件 ：
(1) 緊密吸附在二氧化鈦表面。也就是說能夠快速的達到吸附平衡且不易脫落，所以染料分子母體中，應含有易與奈米半導體表面結合的基團，如-COOH、-SO3H、-PO3H2。例如染料上之-COOH官能基會與二氧化鈦膜上的-OH官能基形成成酯類，而增強了二氧化鈦導帶3d軌域和色素染料π軌帶電子的耦合，使電子轉移更為容易。
(2) 對可見光具有很好的吸收特性，即是能吸收大部份的入射光
(3) 其氧化鈦(S+)和激發態(S*)要具有較高的穩定性和活性。
(4) 激發態壽命足夠長，並具有很高的電荷(電子、電洞)傳輸效率。
(5) 具有足夠的激發態氧化還原電位，以保證染料激發態電子注入二氧化鈦導帶。
(6) 在氧化還原過程(包括基態和激發態)中要有相對低的勢位，以便在初級和次級電子轉移過程中的自由能損失最小。
多孔性奈米結構電極
以釕的多吡啶錯合物為主的染料敏化劑是藉由吸附在二氧化鈦表面，其提供主要的光子吸收及隨後發生的電子注入之步驟。典型的釕的多吡啶錯合物的化學結構最早是由Michael Graetzel的團隊所研發出來，此類形的染料因其具有較強的可見光吸收能力、良好的光電化學性質、激發態穩定性高及與二氧化鈦表面具有強的作用力，且可接受約5×107次的氧化還原反應，因此成為廣泛使用的染料敏化劑。
cis-bis(4,4’-dicarboxy-2,2’-bipyridine)dithiocyanato ruthenium (II) (RuL2(NCS)2 Complex)的染料又稱為N3 dye(或red dye)，其吸收光的範圍為400nm～800nm，可達可見光區，全質子化的N3 dye在538nm、398nm有最大的吸收峰 ，其激發態的生命週期為60ns 。另外，最具效能的染料thithiocycanato 4,4’4”– tricarboxy–2,2’：6’2”– terpyridine ruthenium(II)(RuL’(NCS)3 Complex)又稱為black dye，其吸收光的範圍含蓋了可見光且可達近紅外光區(900nm)，單一質子化的black dye在610nm、413nm有最大的吸收峰，在拉曼振動光譜的研究中也指出，單一質子化的black dye與二氧化鈦的表面鍵結與N3 dye相同是由bidentate chelate或bridging的型式與二氧化鈦配位鍵結，其差別在於black dye是一個COO-與TBA+和二氧化鈦產生配位鍵結 。
然而，以上這些染料可在可見光及近紅外光區有吸收主要可歸因於metal-to-ligandcharge transfer(MLCT)的性質，由金屬(Ru)的電子傳遞到位於外圍的羧基化吡啶配位鍵的π反鍵結軌域，之後在少於100fs的時間內將電子傳入二氧化鈦的導帶。因此，理論上光子轉換為電子的比例可達到100%。
就目前而言，使用釕錯合物可得較佳的光電轉換效率，但此染料在合成上的成本很高，因此有了其他方向的研究。例如：多孔性奈米結構電極、高效率染料分子的開發。因此使用不含金屬的有機染料太陽能電池也成了研發的重點之一。
另一方面，在染料分子與二氧化鈦的鍵結方式，根據文獻可分為unidentate、chelating以及bridging bidentate三類 。其鍵結方式的不同，則取決於二氧化鈦與染料分子上所含有可鍵結之官能基數目，較少的官能基鍵結則傾向於unidentate形式，反之染料分子上含有較多的官能基時鍵結則傾向於chelating以及bridging bidentate。此外，當二氧化鈦上鍵結越多染料分子的官能基，則可產生越大的短路電流(Isc, short circuit)。
染料分子與二氧化鈦的鍵結方式
Solaronix染料價格(2011.09)
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