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

~ 你可以想像吗？未来或许有一天，整座摩天大楼的窗户通通都可以拿来做太阳能发电！近年来，「染料敏化太阳能电池」 (dye-sensitized solar cell, DSSC) 因为成本相对便宜、结构简单，型态可塑性高，受到各方关注。本文特别采访中兴大学化学系叶镇宇教授，分享染敏太阳能电池的研发近况，以及太阳能电池的全新样貌。
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！

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眉山市17754627232： 染料敏化电池的染料敏化太阳能电池——研究历史 - ？
慎爽甘露： 染料敏化太阳能电池的研究历史可以追溯到19世纪早期的照相术.1837年,Daguerre制出了世界上第一张照片.两年后,Fox Talbot将卤化银用于照片制作,但是由于卤化银的禁带宽度较大,无法响应长波可见光,所以相片质量并没有得到很大...

眉山市17754627232： 下图是一种染料敏化太阳能电池的示意图.电池的一个电极由有机光敏染料(S)涂覆在TiO2纳米晶体表面制成,另一电极由导电玻璃镀铂构成,电池中发生... - ？
慎爽甘露：[选项] A. 电池工作时,I-在镀铂导电玻璃电极上放电 B. 电池工作时,是将太阳能转化为电能 C. 电池的电解质溶液中I-和I3—的浓度不会减少 D. 电池中镀铂导电玻璃为正极

眉山市17754627232： 什么叫染料敏化太阳能电池,它是由哪几部分构成的?传统的光伏电池材料是什么? - ？
慎爽甘露： 染料敏化(Dye-sensitized)太阳电池主要是模仿光合作用原理,研制出来一种新型太阳电池.由纳米多孔TiO2薄膜,染料光敏化剂,电解质,反光极等几个主要部分组成. 传统的光伏电池多为晶体硅材料,有单晶和多晶,效率较高,较稳定,技术也成熟.

眉山市17754627232： 染料敏化电池的染料敏化太阳能电池——目前情况(截至2014年) - ？
慎爽甘露： 通过近二十年的研究与优化,染料敏化太阳能电池的效率已经超过了13% .这种电池的突出优点是高效率、低成本、制备简单,因此有望成为传统硅基太阳能电池的有力竞争者.

眉山市17754627232： 染料敏化太阳能电池的介绍 - ？
慎爽甘露： 染料敏化太阳电池主要是模仿光合作用原理,研制出来的一种新型太阳电池.

眉山市17754627232： 求一篇纳米材料二氧化钛染料敏化太阳能电池研究发展的论文,急!急!急! - ？
慎爽甘露：[答案] 能源短缺与环境污染是目前人类面临的两大问题.太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的绿色能源是解决能源危机的最佳途径之一,因此太阳能利用技术研究引起了各国科学家的广泛重视.染料敏化纳米晶太阳能电池是当前纳米技...

眉山市17754627232： 染料敏化电池的染料敏化太阳能电池——结构组成及原理 - ？
慎爽甘露： 染料敏化太阳电池结构示意图 ⑴ 染料分子受太阳光照射后由基态跃迁至激发态; ⑵ 处于激发态的染料分子将电子注入到半导体的导带中; ⑶ 电子扩散至导电基底,后流入外电路中; ⑷ 处于氧化态的染料被还原态的电解质还原再生; ⑸ 氧化...

眉山市17754627232： 染料敏化太阳能电池中二氧化钛所起到的作用是什么?有什么可以代替他? - ？
慎爽甘露： 吸收电能 染料敏化纳米晶太阳电池的基本结构主要由透明导电基片、多孔子西莱纳米二氧化钛薄膜、染料敏化剂、电解质和对电极组成.在光照情况下,染料分子吸收光由基态变为激发态,激发态很容易发射电子,由于染料激发态与纳米二氧化钛导带的能级差,电子注入纳米二氧化钛导带,染料基态空缺电子处马上由包含氧化还原系统的电解质施与的电子填充,而氧化还原电解质所失去的电子由注入对电极的电子所补充,从而形成整个光生电子的循环回路.暂时没有

眉山市17754627232： 我们如何才能更好的利用太阳为人类造?在未来,我们如何才能更好的利 ？
慎爽甘露： 【利用太阳能的历史】 据记载,人类利用太阳能已有3000多年的历史.将太阳能作为一种能源和动力加以利用,只有300多年的历史.真正将太阳能作为“近期急需的补充...

眉山市17754627232： 举例说明怎样利用纳米技术提高太阳能电池的转化效率 - ？
慎爽甘露： 染料(纳米材料)敏化技术提高太阳能转化效率就是具体例证.