染料敏化太阳能电池的再突破——专访中兴化学系教授叶镇宇
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发布时间：2023-04-24 13:48
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时间：2023-10-12 08:57
透明、轻薄又可挠的染料敏化太阳能电池
「一片又一片、厚重的深蓝色面板，平躺在大太阳底下闪闪发光着」，这应该是大多数人对于太阳能电池最深刻的印象，而这些日常生活中常见的太阳能板们，就是当前太阳能电池产业中，发展最久、技术最成熟的「传统矽晶太阳能电池」。
多具串联的太阳能电池板。（Wikipedia，Supertekenterprises1 的作品，CC BY-SA 3.0）
除了广为人知的矽晶太阳能电池之外，近年来在太阳能电池界，「染料敏化太阳能电池」 (dye-sensitized solar cell, DSSC) 可谓是冉冉升起的未来之星，比起厚重、昂贵的矽晶太阳能电池，染料敏化太阳能电池（后文皆简称之为染敏电池）不仅相对便宜、结构简单，甚至可以做成透明、可挠式的模样！
来自国立中兴大学化学系的叶镇宇教授，是中国中国内研究染敏电池的顶尖学者，2011年时，他与国际研究团队合作，以紫质（porphyrin，卟啉）做为染料，研发出「YD」系列染料，将染敏电池的光电转换效率从 11% 提升至 12.3% ，研究成果已刊登于该年 11 月的《科学》。
2020 年时，叶镇宇与研究团队又发表了新一代的紫质染料「bJS」系列，比起上一代的「YD」系列染料光电转化效率又提高了 11.9％，刊登于 2020 年 11 月的《应用化学》期刊，并且被选为非常重要论文 (VIP, Very Important Paper) ，其重要性为该期刊前 5％ 的论文。
本次科技大观园特别采访叶镇宇教授，邀请叶教授与我们分享染敏太阳能电池的研发近况，带我们看见太阳能电池的全新样貌。
首先，叶镇宇指出，若太阳能电池想要产业化、维持商业运转的话，必须满足两个最基本的要求：高光电转换率，以及高稳定性。光电转换效率指的是该电池将光能转换成电能的能力，而稳定性则是电池的耐用程度。
矽晶 vs. 染敏太阳能电池
传统矽晶太阳能电池主要应用于太阳直射的炎热户外，在室外有较佳的光电转换效率，此外，由于在阳光底下曝晒时，表面温度可高达摄氏五、六十度，因此太阳能电池的材料必须足够稳定，才可以在炎热的户外使用，以矽晶太阳能电池为例，寿命大约在二十年左右，有着很不错的稳定性。
而染敏电池并非专门用于在太阳直射的户外，染敏电池的稳定性并不高，主要应用于室内弱光、半户外。在室内弱光的条件之下，染敏电池的光电转换效率非常高，可以高达 30%。
虽然矽晶太阳能电池在户外的光电转换效率、稳定性目前都比染敏电池高，但矽晶太阳电池有着相当致命的缺点：太贵啦！此外，矽晶太阳能电池的制作过程相对复杂且精密，不仅需要高温、强酸、强碱的参与，结构也相对复杂，制作过程耗损的能量需要两到三年才可以平衡回来。
反之，染敏电池的结构非常简单，制程与成本也相对简便和便宜，在家里的厨房就可以完成，同时也是各国高中科展的常见主题，只要制作得当，亲手做的太阳能电池甚至可以驱动小马达、让小灯泡发亮，而且只需要短短六个月，就可以把消耗的能量「赚回来」！
此外，太阳能电池的污染议题也是大家关注的重点之一，矽晶太阳能不仅制程耗能、结构复杂，也会造成不少污染和废弃物，而染敏太阳能电池所需的染料非常少，只需要不到 10 奈米的薄薄一层，加上二氧化钛没有毒性、构造简单，污染程度远低于矽晶，是更「干净」的太阳能。
染敏太阳能电池的工作原理 染料敏化太阳能电池结构示意图。（陈祉云、李玉郎，2019）
染敏电池的组成成分包含染料、工作电极、电解液以及对电极。
以叶镇宇研究团队所使用的染敏电池为例，它的工作电极由二氧化钛的奈米颗粒组成，而二氧化钛的上面会吸附一层薄薄的染料，并透过这些染料来吸收太阳光。当染料照光后，染料的电子会从基态跃迁到激发态，这些电子有机会成为自由电子跑到二氧化钛，并随着连接二氧化钛的回路到对电极，再透过电解质接收电子发生还原反应。
不难想像，染料在染敏电池中扮演举足轻重的角色，如果染料设计得好，吸光范围大、吸光强度又强的话，就可以吸收比较多的太阳光，也比较可能达成较高的光电转换率。
整体而言，影响太阳能电池的光电转换效率因素有三个：电流、电压、填充因子。其中染料的吸光范围会影响电流，电解液可以增加电压，组装的技术与填充因子有关，若电流高、电压高、组装技术好，光电转换效率就会高，当前学术研究努力的方向，就是致力于找到提升电流与电压的方式与材料。
让电子乖乖顺着跑道跑的秘密！
在染敏太阳能电池中，若是电解液太靠近二氧化钛，二氧化钛上应该跑向对电极的电子，有可能会「逆流」跑向电解液，造成电荷再结合，就像是形成逆电流一样，浪费能量，并让电流、电压下降、降低光电转换效率，因此科学家们必须想办法阻止电子的「逆流」。
叶镇宇表示，由于电解液通常是带电荷的，就像是具备「亲水性」的特征一样，因此在 2011 年的研究成果中，叶镇宇与团队的「YD」系列染料，就是利用染料中的「长碳链」将染料设计成「疏水性」的，如此一来，当染料吸附在二氧化碳上之后，就像是在二氧化钛上面盖上一层油，如此一来，电解液和二氧化碳就不容易靠近，并且能抑制电子「逆流」，提高光电转换效率。
比起「YD」系列染料，2020 年的「bJS」系列紫质染料再度突破，将原本的长碳链数目增加至 2 倍，就像是把原本的一道栅栏变成两道栅栏，让电子更难反向偷跑，使光电转换效率更上一层楼。
染敏太阳能电池的应用
染敏太阳电池的主力战场在于室内的弱光，究竟为什么「室内版本」的太阳能电池这么值得令人期待呢？
大家不妨试想看看，未来，即将是 5G、物联网的时代，各式各样的物品都可能将需要连上网路、搭配不同的感应器，一栋建筑物里面甚至可能配有高达一万多个感应器，倘若每一个感应器都需要接电线、换电池，那一定会是一场大灾难！
然而，若染料敏化电池成功走向商业化，每一个感应器都可以搭配一个染敏电池、透过室内光自行发电，我们就会省去大幅的人力、时间成本，让将来的生活更加便利。
此外染敏电池具备「可挠性」，这种可以扭曲的电池不仅可以当作电子纸的能量来源，搭配纤维的材质后，甚至可以成为可携式电子装置的一部分！由此可知，轻薄可扭曲的太阳能电池，很有可能会成为科技时代的重要角色之一呢。
染料敏化电池未来也许可以当作电子纸的能量来源（pixabay）
目前染敏电池已经可以做得非常轻薄，以玻璃为材料时，厚度大约 0.5 公分，改以软板为材料的话，虽然光电转换效率会降低，但厚度可以达到 0.1 公分，更加轻盈，再加上染敏电池透明的、多彩的特性，以当前的技术，染敏电池已经可以制作成各式各样的「太阳能窗户」，更可以搭配不同颜色的染料，做出彩色的窗户拼贴艺术。也许，整座大楼的窗户都能发电的未来，真的不是梦！
染敏太阳能电池的未来
虽然目前染敏太阳能电池无法完全取代矽晶，无论是光电转换效率还是稳定性都有着很大的成长空间，但比起已经研究数十年矽晶，染敏太阳能电池还非常的「年轻」，具有相当的研究潜力，前景可期。
以现今的技术而言，染敏太阳能电池已经可以很有效率的在室内使用了，然而，在迈向商业化的道路上，染敏太阳能电池目前的价格尚有改善的余地，需要科学家持续研发以及相关产业推广，叶镇宇表示，自己非常期待当染敏电池价格与一颗小电池相当的那一天！
