染料敏化太陽能電池

染料敏化太陽能電池圖片來自slideplayer

染料敏化太陽能電池(DyesensitizedSolar Cells，簡稱DSSC)，^[1] 被稱為新一代的太陽能電池，其構造為兩片導電電極、奈米多孔性TiO2、染料、電解質及活性對電極，而其中電解質扮演著重要的角色，不論對於高性能或長效性問題的解決，甚至成為成為量產化的重要關鍵之一。並且染料敏化太陽電池具有低材料成本、製程容易及製程設備簡單的特色，整體的成本約為傳統矽基太陽電池的1/5~1/10，引起能源界積極地投入這方面技術研究開發。

具有许多吸引人的特征; 因为它可以用低廉的材料制成（但实际中已经证明它很难摆脱对于贵重金属铂和钌的限制，并且它的液态的电极对于各种天气的适应也是一个严重挑战），不需要用精细的仪器来制造，这种电池在技术上很有吸引力。而且，其制造过程比以前的电晶体电池要便宜。它可以被制成软片，机械强度大，不需要特别保护就可以防护树枝或者冰雹的撞击。虽然它的能量转换效率比最好的薄膜电池要低，但理论上它们的性价比已足够高，在完成市电平价的情况下可以与化石燃料相提并论。由于化学稳定性问题而被搁置的商业应用, 在欧盟光伏路线图（：European Union Photovoltaic Roadmap）中预测将在2020年之前显着促进可再生能源发电。

發明

染料敏化太陽電池最早是由Tsubomura et al.於1976年提出，利用多孔性的氧化鋅（ZnO）作為工作電極，但電池之光電轉換效率並不高。至1991年，O’Regan和Grätzel發表電池效率為7.12%的色素增感太陽電池，Grätzel團隊提出方法是在具有中孔洞性質的二氧化鈦（TiO2）薄膜上吸附釕（Ru）金屬衍生物之色素分子，此種色素分子能吸收近全可見光波長範圍的太陽光，截至2005年文獻記載，DSSC光電轉換效率最高可達到11.18%

雖然染料敏化太陽電池轉換效率是所有太陽能電池技術中最低者，但DSSC不受日照角度的影響，加上吸收光線時間長，在相同時間的發電量甚至優於矽晶太陽能電池，且矽晶圓太陽能電池發電效率會受到溫度升高而遞減，適合安裝在較高緯度天氣較冷的地區，但染料敏化太陽能電池則不受溫度影響，在日照充足、氣溫炎熱地區，競爭力會優於矽晶圓太陽能電池。

染料敏化太陽電池的工作原理

染料敏化太陽電池工作原理圖片來自energytrend

染料敏化太陽電池主要由奈米半導體多孔性材料、染料敏化劑、環化還原電對、對電極和導電基材所構成。工作流程圖如圖一，工作原理如下：
染料分子吸收太陽光後由基態躍遷到激發態。
激發態染料電子迅速注入到半導體材料的傳導帶中。
電子立刻傳遞到導電基材並傳導出去，經外線路傳至對電極。
處於氧化態的染料被電解質還原，回到原來的基態。
氧化態的電解質在對電極接受電子被還原，達到系統平衡。

電解質的組成

電解質在DSSC中所扮演著提供氧化還原電對的角色其組成可以包括氧化還原電對、溶劑、添加劑。以下將依次討論之： A. 氧化還原電對：現今於DSSC中最常使用的氧化還原電對為I3-/I-，使用原因如下：1.所使用I3-/I-氧化還原能階能與染料的HOMO能階相匹配。2.在氧化還原電對I3-/I-中，I3-在液體有機溶劑中的擴散速率較快。有人也嘗試其他氧化還原電對(ex.Br-/Br2、SCN-/(SCN)2或SCN-/(SeCN)2 )。 B. 溶劑：主要提供離子傳遞的環境，及溶解添加劑的溶劑，常見的有：腈類(如乙腈、甲氧基丙腈或戊腈等)、酯類(碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯等)，與水相比，這些有機溶劑對電極是惰性的，不參與電極反應，具有較寬的電化學窗口，不易導致染料的脫附和降解，其凝固點低，適用的溫度範圍寬。此外，它們也具有較高的介電常數和較低的粘度，能滿足無機鹽在其中的溶解和離解，並且溶液具有較高的電導度。 C. 添加劑：一般添加劑通常作為修飾TiO2相關性質改善電池效率；如: TBP、NMBI、LiI、NaI。當在電解質溶液中加入小體積的NaI或LiI時，Li+會吸附TiO2表面。此時吸附在表面的Li+可與導帶電子形成Li+-e-。由於表面的Li+-e-既可在TiO2表面遷徙，也有可能脫離TiO2表面遷移，其結果是明顯縮短了導帶電子在相鄰的或不相鄰的TiO2之間傳輸的阻力和距離。因此，在電解質溶液中加入Li+，可大幅度改善電子在TiO2表面的傳輸，從而提高太陽電池的Jsc。