超高效率的太阳电池

BIPVHU

超高效率的太阳电池的技术发展，除了运用新颖的组件结构设计，来尝试突破其物理限制外，也有可能因为新材料的引进，而达成异想不到的进展。染料感光太阳电池dye- sensitized solar cell (DSC) 就是最近被开发出来的一种崭新的太阳电池。DSC也被称为Gr& #228;tzel cell，因为是在 1991年由Gr& #228;tzel等人发表。这种电池的构造和一般光伏特电池不同，其基板通常是玻璃，也可以是透明且可弯曲的聚合箔 (polymer foil)，玻璃上有一层透明导电的氧化物(transparent conducting oxide TCO) 通常是 SnO2:F) ，然后长有一层约10& #61549;m厚的porous奈米尺寸的TiO2 粒子 (约10~20 nm)形成一nano-porous薄膜。然后涂上一层染料附着于TiO2的粒子上。通常染料是采用ruthenium polypyridyl complex。上层的电极除了也是使用玻璃和 TCO 外，也镀上一层铂当电解质反应的催化物 (platinum catalyst) ，二层电极间，则注入填满含有 iodide/triiodide ( )电解质(electrolyte)。
染料感光电池的工作原理，可以简单地叙述如下：当染料被光激发后，将激发的电子注入TiO2导带，而留下氧化的染料分子，电子在TiO2 粒子间传输至电极，经过负载至另一电极，在此经由铂的催化，参与 的反应过程。 离子在电解液中传输至氧化的染料分子，产生 的反应提供额外的电子将氧化的染料分子复原，完成一个工作循环。
染料感光太阳电池的工作原理，基本上是运用光电化学(photoelectrochemical) 效应，而非光伏特效应。其电荷的传导是经由导电电子和 负离子，并没有像光伏特效应中尚有带正电的电洞。染料感光太阳电池一新颖的太阳电池，其优点为制造简易，模块具可挠性(flexible)，效率最高纪录也已经达11%。换言之，假以时日，高效率低成本的染料感光太阳电池，当其相关的可靠性的稳定性问题被解决，或许能被大量制造及广泛应用。
当然，更广泛而言，有机物(organic)或聚合物(polymer)都可用来当太阳电池，染料感光太阳电池为只是其中一种。我们知道，一般而言，LED和太阳电池都是的p-n二极管，只是LED是将电能转换成光能，而太阳电池是将光能转换成电能。既然有机物可以用来做LED(也就是 OLED)，当然也可以用来做太阳电池。有机物LED或有机物太阳电池的基本结构一般而言有三个部分：正电极、负电极、和有机分子。它须要有类似p型-金属接触的高功函数 (high work-function) 材料当正电极(也就是阳极anode)，例如使用铝金属。也要有类似n型-金属接触低功函数 (low work-function) 材料当负电极(也就是阴极cathode)，例如使用ITO透明导电氧化物。而主要作用的有机分子的能阶结构必须有功能像导带的highest occupied molecular orbital (HOMO)，和功能像价带的 lowest unoocupied molecular orbital (LUMO)。光子被吸收后，产生HOMO 的电子和LUMO 的电洞。但不同的是，一般的无机半导体的导带的电子和价带的电洞都是自由载子，但有机分子HOMO 的电子和LUMO 的电洞因为彼此的束缚较强，形成激子 (exciton)。通常这些激子是区域化(localized)，但也有些情况，激子也可能去区域化(delocalized)而成为polaron。使用有机物当太阳电池的要件，就是要寻找适当的有机分子能提供激子解离的场所(dissociation sites)，来分开正负电荷而解离激子成为自由电子和电洞。激子一旦解离成自由载子，HOMO 的电子就可以传输至低功函数的负电极，而LUMO 的电洞就可以传输至高功函数的正电极。有关于有机物太阳电池的详细细节，这里不做进一步的讨论，但必须注意的是，使用dye、conjugated polymer、 bulk heterojunction 或molecular heterojunction作太阳电池的都是值得注意的研究课题。