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新世代染料敏化太陽能電池
廣義來說,太陽是地球上所有能量的來源,不論是風力、潮汐、化石燃料甚至核能。各先進國家都很清楚能源供應與國家競爭力的關聯,無不積極發展能夠直接轉換太陽光為電能的技術。
 
 
 
21世紀解決能源問題,可能要從太陽能著手。廣義來說,太陽是地球上所有能量的來源,不論是風力、潮汐、化石燃料。甚至連核能也是在太陽星雲初形成的時候,就決定的地球內部放射性衰變物質所產生的。各先進國家都很清楚能源供應與國家競爭力的關聯,無不積極發展能夠直接轉換太陽光為電能的技術。

目前已經商業化的太陽能電池是以矽為主,實驗室做出的效率可以達到25 %,商業化模組也已經有18% 以上的成品。但這種看似環保的產品,在製作過程中需要花費很高的成本以純化矽原料。

因為地表上並沒有純矽存在,雖然周遭的灰塵岩石中含有很多的二氧化矽,但要去除其中的氧元素,得先製作成四氯化矽,再還原成元素矽,惟純度不夠,而電子工業級矽的純度要達到99.9999% 以上,光是純化就得花費相當多的能源。因此,一個可以用20年的太陽能電池,前面2~3年所產生的電力只是抵銷製造時所耗費的能源。著眼於此,科學界都在尋找耗能較少的新型製作技術,例如(第3代)化學太陽電池。

目前有兩類型的化學技術相互競爭,一個是有機太陽能電池,另一個是染料敏化太陽能電池。跟矽基的太陽能電池比起來,染料敏化太陽能電池的效率雖然略低,但製作時耗能少、成本低,且可在低照度下發電,顏色又多樣,因此可以在室內使用,並搭配環境做各種不同設計。

染料敏化太陽能電池的蓬勃發展大約從20年前開始的,科學家使特定材料的化學分子吸附在一層二氧化鈦的多孔洞材料表面上,利用奈米孔洞材料增加表面積以吸附很多化學小分子,扮演電子供給者的角色。當光線照到小分子上時,可把電子傳送到奈米孔洞材料,然後帶正電的小分子被電解液還原,氧化後的電解液擴散到陰極,陽極出去的電流就回到陰極把氧化後的電解液還原,形成一個循環。目前實驗室研發出來最好的效率可以達到10~12%。

清華大學化學系的季昀教授因為熟知配位過渡金屬錯化合物,累積了許多知識與技能,可用以解決染料敏化太陽能電池的分子設計瓶頸,因此最近幾年也投入這個領域。

季教授的主要選擇是釕金屬錯合物,以新設計提高對太陽光譜的吸收範圍以及對光的反應,同時藉由螯合效應增加材料的化學穩定性。目前最佳效率已可達到10~11%,吸收光譜也可以延伸至‭ ‬950‭ ‬nm,除了紫外線與可見光的吸收外,還包括部分的紅外線,整體成效優異。不過,釕元素在地球上含量少,因此成本較高,未來還需要持續提升效率,延長使用壽命,以增加產品商業化的可行性。

季教授指出最近有科學家利用含鉛的鈣鈦礦型錯合物,以簡單的元件結構讓光電轉換效率跳躍成長到15~17%,明顯優於任何類型的敏化染料,惟材料成分尚無法符合全球的現有環保規範。因此,未來他也會轉向發展無鉛、低成本暨高效能的鈣鈦礦型染料敏化太陽能電池,以提供更清潔、更環保的永續能源利用技術。
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