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染料敏化太阳能电池

信息来源:nooeoo.com  时间:2008-02-15  浏览次数:161

  此型光电池可是源自19世纪,人们照相技术的理念,但一直到超过100年后的1991年,瑞士科学家Gratzel采用奈米结构的电极材料,以及适切的染料,组成光电效率超过7﹪的光电池,此领域的技术研究开发,才引起大家积极而热烈的投入。此项成功结合奈米结构电极与染料而创造出高效率电子转移接口的技术,跳脱传统无材料固态接口设计,可说是第三代太阳能电池。目前全世界有八家公司已得到Gratzel教授授权,其中包括了Toyota/IMRA、 Sustainable Technology International(STI)等著名公司。
  此类型光电池的工作原理是藉由染料做为吸光材。染料中价电层电子受光激发,要升至高能阶层,进而传导至奈米二氧化钛半导体的导电层,在经由电极引至外部。失去电子的染料则经由电池中电解质得到电子,电解质是由I/I3+溶于有机溶剂中形成。
  此型电池的结构一般有两种,实验室制备的通常为三明治结构,上下均为玻璃,玻璃内源则为TCO。中间有两部份,包括含有染料的二氧化钛,以及溶有电解质的有机溶液。为利用已发展较成熟的其它薄膜光电池制备技术,Gratzel等,于1996年发展出三层式的monolithic cell structure,采用碳电极取代一层TCO电极,各层的制备可直接沉积在另一层TCO上。玻璃并非必然的基材,其它具挠屈性透明材料亦可使用,因此roll-to-roll的制程亦可应用于此类型电池制备。德国的ISE公司已发展出包含网印方式的生产流程(如下图),制程非常简单。关于DSSC的制造成本,由于该型电池为新世代产品,目前并无量产市场,因此有不同的评估值,依据Gratzel 1994年的估算,如以5﹪光电效率为基础,其制造成本约US$1.0~1.3/Wp(年产能5~10 NWp/year),Solaronix SA 1996年的钴算则为US$2.2/Wp/year(年产能4MWp/year);相较于技术开发较久的CdTe(US$1.1/Wp,20MWp/year)、薄膜硅晶型(US$1.78/Wp,25 MWp/year)两类型,成本差距似乎不大。
  DSSC发展的最大利基,咸认在于其简单的制程,不需昂贵设备与高洁净度的厂房设施。其次所使用材料二氧化钛、电解质等亦非常便宜。至于铂金属触媒以及染料,相信生产规模变大时,价格亦会下降。其次就如同其它部分薄膜光电池,因为可以使用具挠屈性基材,因此应用范围可大幅扩张,不似目前硅晶圆式,只适用于屋顶等少数场合。
  未来DSSC如要成为具商业竞争力,甚至达到高市占率,仍有几件事需要证明:一、光电池本身的长期使用性。虽然实验室以较严苛条件测试,推估使用十年以上没有问题,但毕竟还是缺乏对商业产品长期使用的实测数据。二、对大面积的制备技术,有待努力发展。目前此方面工艺研究投入较少。三、对整体电池模块细部的基础研究,仍有许多工作要做,此方面研究可促进产品质量与规格的确立。
  高能阶差半导体,光稳定性较高,因此如能以此类物质取代二氧化钛,学理上应较易获得耐久性DSSC产品,关于这方面研究,有部分研究单位也积极投入,惟至今仍未获得良好成果。开发新式染料以取代目前公认最佳的染料,有机钌金属(简称N3),亦是一项热门研究主题。有机染料化学是发展很久的一学术与产业领域,因此许多人相信经由适切的构思与系列实验,应有机会开发出吸光能力比N3好的有机染料,如此除可免除使用贵重的钌金属外,染料成本也可获得大幅降低。

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