染料敏化電池是由Michal Gratzel於1991年發表，在10年內發展極為迅速，染敏電池被視為第三代太陽電池，並有在低太陽照度下，其光電轉換效率與全日照（1000W/m2）相比幾無損失，這與一般矽晶太陽能電池是很不一樣的。另外此技術製程容易、具量產潛力，是一種潔淨的可再生能源。雖說染敏電池具有低成本的優勢，但目前仍有瓶頸尚待克服，例如實際應用上較低的效率與長時間的穩定性，這些困難點都還需更多基礎的研究來克服。
太陽電池發電原理是基於光電效應（photovoltaic effect），太陽光子與太陽電池內感光材料相互作用產生電流；若要使太陽電池成為發電元件，則太陽電池必須在外部做封裝保護，並拉出導線提供電能，此完整發電元件稱為模組（module）。傳統結晶系太陽電池模組，在成本結構中仍以電池部分占最大的比重，加上目前矽晶太陽電池原料供不應求，因此在普及化上遇到了瓶頸，也因此加速次世代太陽電池的發展。
染料敏化電池（Dye-sensitized solar cell, DSSC）被視為新世代太陽電池明星之一，染料敏化電池自1991由O’Regan與Gratzel發表以來，由於具有製程簡易、易量產性、材料不貴等優點，近10幾年來無論在學術或產業界皆獲得極大的進展。在小面積（<1 cm2）染敏電池上，Gratzel團隊與已可成功突破10%，在未來實用化方面得到良好的基礎。另外在產業研究進展方面，日本、澳洲、德國、美國、歐洲等國分別發表大面積染料敏太陽電池與模組，也獲得不錯的轉換效率表現，為將來量產普及化開了先機。
染料敏化太陽電池結構
染料敏化太陽電池最早由O’Regan與Gratzel發表，其電池組成與結構如圖一表示，下列為其各個結構之簡介。
圖一、染料敏化太陽電池結構圖
1. 基板
染敏電池基本上包含了上下基板，目前以玻璃基板發展較為成熟，並鍍上一層透明導電膜用於傳導電流，雖然希望透明導電膜電阻越低越好，但電阻越低，則需要較厚的鍍膜，此會影響光穿透度與電池發電效率。不過由於在染敏電池製程中，玻璃基板會經過450~500度的二氧化鈦燒結程序，選用熱穩定性較高的FTO玻璃也較一般ITO為佳。
2. 二氧化鈦
二氧化鈦為具有寬能帶的半導體材料，在電池製造過程中，先在基板上塗佈一層二氧化鈦的漿料或溶液，再經過燒結後，可形成多孔性二氧化鈦層。二氧化鈦主要功能為光感染料的載體與電荷傳輸的功能，為了延長光在二氧化鈦傳遞的路徑，因此通常會在二氧化鈦層上再塗佈一層光散射層，增加染料在二氧化鈦的吸收效果。
3. 染料
染料中的酸基吸附在二氧化鈦上，其染料光電轉化原理是metal to ligand charge-transfer（MLCT）transition，金屬Ru d-orbital軌域電子（HOMO）與染料配位基（LUMO）錯合，染料吸收光子而激發出電子，並藉由二氧化鈦傳導至導電層，接受電解液中的電子達成平衡穩定的狀態。
4. 電解液
電解液包含參與氧化-還原反應的碘離子，通常碘離子來源來自於LiI、NaI、KI、碘化離子液體與碘，以適當比例溶在acetonitrile、methoxyacetonitrile、propionitrile等溶劑中。另外，電解液中可添加tert-butylpyridine減少二氧化鈦間的逆電流，增加電池效率。
5. 觸媒層
在電解液中碘離子伴隨著I- 與I3- 間氧化還原反應，而I3- 會藉由觸媒的催化重新還原為I-，觸媒必須有高催化活性，其材料通常以白金或碳為主，塗佈在另一導電基板上。
6. 封裝膠材
封裝對於電池除了要防止電解液漏液，也要防止外界水氣進入電池內造成電池老化。常見的封裝材料通常可分為有機與無機封裝材料，不過要特別注意的是，碘離子是高活性物質，會與有機物反應或吸附造成封裝材料的腐蝕。另外為了使紫外光不被二氧化鈦吸收，造成與表面接觸的染料與電解液氧化，通常電池外部還必須附上一層UV-cutter，延長電池使用壽命。
染料敏化太陽電池大面積製程模組化
為了將來染敏電池實際的應用，小面積的太陽電池在應用發展上受限，因此必須增加電池面積與工業化量產製程設計。然而由於基板上透明導電膜（TCO）電阻相對較高，因此電池內電流傳導距離必須小於1cm才可獲得較高效率，避免因內電阻損失電池發電效能。大面積化的染敏電池必須在內部做更多的電流收集導線，以提高電池的效率，最後再將電池做外部的導線與封裝成為模組。目前已發表染料敏化太陽電池模組內部結構如圖二表示，可分為下列四種：(a).W型模組；(b).Z型模組；(c).S型(monolithic)模組；(d). grid配線型(G型) 模組，簡介如下。
圖二、染料敏化太陽電池模板的構造斷面模式圖
(a)W型模組；(b)Z型模組；(c)S型(monolithic) 模組；(d) grid配線型(G型) 模組
1. W-type模組
其原理係將二氧化鈦與觸媒層在同一基板上相互交錯在一起，雖然也需在基板上做切割的動作，不過由於不需如Z型的電池內部串聯，可避免內部串聯造成內電阻增加，損失模組輸出功率。此種類型模組可雙面受光，也因此上下基板也必須透明才行，另外由於模組內部電池互相交錯，增加製程的複雜度，因此其光源路徑可能會先經過二氧化鈦再從觸媒層穿透出去，與一般電池光路徑相反。
2. Z-type模組
其原理係先將基板上的導電膜做（雷射）斷路切割，成為個別獨立的小電池，兩個鄰近的電池可利用導電材料形成電池內部串聯（interconnect），提高電池的輸出電壓，減少因電阻損失的發電效能。電池內部串聯導線也必須用封裝材料將導電材料包覆，可避免漏電流與電解液的腐蝕，由於電池內電流傳導路徑類似Z形狀，故稱之Z-type模組。
3. parallel-type（G-type）模組
此類模組原理是在10X10公分玻璃基板上，利用網印方式先將導電銀線印在玻璃導電基板上面，銀線外側必須用絕緣封裝膠包覆，防止漏電流與電解液的腐蝕。此種結構可不需切割透明導電膜，可獲得較高的活性面積，製程較為容易，是目前使用最廣泛的製程方式。
4. Monolithic serious（S-type）模組
此種是一種連續、一層接一層(layer by layer)的製程方式，具有工業量產的潛力，且只需在一層透明導電玻璃上作業即可，可降低材料成本，觸媒層可為碳電極，可作為導電與催化效果之用，是一種理想的結構與製程方式。
在國內方面，工業技術研究院也已成功製作出大面積染敏太陽能電池，在10X10 cm2玻璃基板上轉換效率可達6%以上，並可藉由外部金屬導線串聯組裝成大面積模版，其模板效率幾無損失（電池2X2串聯）。
圖三、工研院染料敏化太陽電池與大面積模板
未來努力的方向
1. 電池與模組效率的提升
雖說目前小面積（<1cm2）電池光電轉換效率可達10%以上，不過當製作成大面積模組後，效率往往只達到6％左右，所以如何發展更高吸收係數、更大光譜吸收範圍的染料，或改變/修飾半導體材料是未來可發展的方向。
2. 電池與模組耐久性的提升
目前Gratzel已發表可耐溫80度，經1000小時測試後效率幾無損失的小面積太陽電池（10~12），雖然目前仍缺少大面積模組與戶外測試實際驗證，但已為將來實用化打開了契機，不過此仍為液態的電解液，其穩定性與封裝的可靠度需要更長的時間去評估。
3. 材料成本的下降
目前染敏電池占材料成本比重最高的仍為透明導電玻璃，另外有機金屬染料中Ru也為地球稀有元素，若將來有市場需求則必須尋求大規模生產方法與更多替代性材料，以求材料成本下降。
作者：李元智 /工研院太電中心
出處：工業材料雜誌255期
★詳全文：https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=6706