染料敏化電池自動化生產技術及室內發電應用

 

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蕭博聰、盧明德/工研院綠能所;洪萬墩、黃亮焜、施順瑋、陳浩維/台灣塑膠工業股份有限公司
前 言
染料敏化電池(Dye-sensitized Cell)最早起源於瑞士的Grätzel研究團隊,發現在具有奈米孔洞狀結構上吸附一層感光的染料分子,能夠展現非常優異的光電轉換效果。此研究被發表於1991年的《Nature》國際期刊上(1),當時的光電轉換效率已達到7.12%,往後便開始受到許多人的關注,紛紛投入研究其光電轉換效率提升的相關技術領域。
 
回顧當時,正值太陽能發電技術蓬勃發展之年代,各種結構的太陽能電池相繼被發明。太陽能電池分為三個世代,其中主流技術為以矽晶圓材料為主的矽晶太陽能電池,屬於第一代太陽能電池,其擁有發電效率高且長期穩定性佳等優勢。但受限於當時矽晶圓成本仍過高所導致價格昂貴的缺點,也因此造就第二代太陽能電池—薄膜太陽能電池的誕生,主打降低高單價矽晶圓原料的用量或者採用其他半導體材料,以降低製造成本。相較於前二代太陽能電池,第三代太陽能電池開始在結構中導入有機材料,其同樣具有低材料成本之優勢,且製造過程不需使用真空設備,大幅降低產線建置成本,染料敏化太陽能電池即為第三代太陽能電池中最受矚目之一。
 
然而受限於材料本質的特性,染料敏化太陽能電池針對戶外太陽光能轉換電力使用的應用情境,始終無法超越矽晶太陽能電池的轉換效率。加上戶外環境條件嚴苛導致使用壽命不佳,以及矽晶太陽能電池在2011年後價格急速崩跌等因素,染料敏化太陽能電池於國際間研發的投入程度亦隨之萎縮,逐漸退出戶外太陽能發電市場的競爭行列。所幸受惠於近期物聯網終端裝置需求量大增以及環境能量擷取晶片技術的提升,室內型發電技術開始蓬勃發展。
 
針對擷取室內環境光源而言,染料敏化太陽能電池相較矽晶太陽能電池具有較高的光電轉換效率,見圖一。此外,室內環境應用條件使染料敏化太陽能電池的使用壽命得以延長至產品化要求,也因此,染料敏化電池開始導向室內發電應用市場,名稱上除去太陽能字眼,與其他類型太陽能技術作出明顯的市場區隔,同時也使得光發電技術不再只局限於戶外太陽能發電。
 
圖一、染料敏化電池與矽晶太陽能電池在室內光源(白光LED)照射下的光電特性比較
圖一、染料敏化電池與矽晶太陽能電池在室內光源(白光LED)照射下的光電特性比較
 
電池結構與發電原理
分析染料敏化電池結構,係由二片電極與可氧化還原的電解質構成,電極又區分為工作電極與相對電極。一般而言,工作電極是在導電基材形成具有孔洞狀結構的金屬氧化物薄膜,薄膜表面再吸附一層染料分子。電解質可滲透到薄膜的孔洞中與工作電極接觸,另一端則與相對電極接觸,形成工作電極/電解質/相對電極的三明治狀結構,電解質便在工作電極與相對電極間進行氧化還原反應。
 
以材料觀點而言,工作電極包含電極基板、奈米級金屬氧化物、金屬導線、感光染料分子等單元;相對電極則是包含電極基板、金屬導線與觸媒。茲分述如下。
電極基板:一般常見為導電玻璃,另可使用鈦金屬板或是具有導電層的塑膠板,後二者可使染料敏化電池達成厚度薄。
② 奈米級金屬氧化物: 最常用的材料為二氧化鈦,其他還有氧化鋅、氧化鎳等,主要功能在於吸附染料分子且提供電子傳遞路徑至導電基材處。
③感光染料分子:能夠吸收可見光能量並轉換成電子,是染料敏化電池最關鍵的部位。透過分子結構調整,可以改變吸光的波段範圍,創造出各種顏色的染料,達到多彩效果。目前市售通用的染料有N3、N719、N907等,皆是釕金屬錯合物的分子結構---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
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