仿效葉綠素 捕捉太陽能-科學人雜誌
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仿效葉綠素 捕捉太陽能

2012-02-01 李名揚
每當科技遇到無法突破的難關時,人們就會回頭向大自然取經。這一次,古老的葉綠素或許可以幫助我們度過能源耗竭及氣候變遷的危機!
重點提要
■染料敏化太陽能電池的製作成本遠低於矽太陽能電池,有很高的發展潛力,但光電轉換效率一直無法提升。
■最新的研究結果顯示,以人工葉綠素——「紫質」做為染料,可大幅提高光電轉換效率。
■紫質染料敏化太陽能電池具有可撓曲、透明、多種顏色等特性,大幅擴增其應用範圍。

太陽能是大自然最好的恩賜,不但取之不盡、用之不竭,又不會排放二氧化碳。可是現有以矽為基材製作的太陽能電池,成本昂貴,難以普及;而頗被看好的「染料敏化太陽能電池」(dye-sensitized solar cell, DSSC),則受限於光電轉換效率無法提升,一直沒有重大進展。


現在這種局面有了改變,中興大學化學系葉鎮宇、交通大學應用化學系刁維光和瑞士洛桑聯邦理工學院化學系的格拉茲爾(Michael Gratzel)合作研發以紫質(porphyrin,或譯口卜口林)做為染料的DSSC,終於突破多年來的瓶頸,一舉將光電轉換效率從11%提升為13.1%。這項研究成果刊登於2011年11月4日的《科學》。


太陽能電池的限制

目前太陽能發電的材料仍以半導體矽為主,矽晶片必須在高溫、真空的環境中製作,製程非常複雜,建立工廠的成本也非常高,所以價格始終居高不下,因此格拉茲爾在1991年另起爐灶,發明了DSSC。DSSC的發電原理是將特殊的染料塗佈在二氧化鈦或氧化鋅等半導體上,染料照光後電子會躍遷到激發態,並有機會遷移到半導體上變成自由電子,這些自由電子會經由連接到半導體的導電玻璃或導電塑膠流出,形成電流。


染料的另一側是電解質,失去電子的染料分子會從電解質接受電子,恢復至原有的狀態。而一開始從染料流出的電子,則在經過負載後,流到和電解質連接的鉑電極,補充電解質失去的電子,成為完整的迴路。


DSSC不需要嚴格的製作條件,比矽太陽能電池容易許多,可大幅降低製造成本,因此很快就受到各界重視。然而實驗室中矽晶片太陽能板的光電轉換效率已可超過30%,量產的商品也可達15~16%,DSSC在這方面的進展卻停滯不前,自從1993年達到10%、2005年達到11%之後,就再也無法突破。


這一類光電轉換效率比較高的DSSC,所用的關鍵材料——染料,都包含了釕(Ru)金屬錯合物。釕是稀有金屬,價格昂貴,且在提煉過程中會污染環境,加上吸光率不佳、光電轉換效率也無法再提升,因此許多科學家都想研發其他染料來取代釕金屬錯合物。


以人工葉綠素為染料

在自然界中最廣為人知能吸收光能的,就是光合作用。光合作用中,葉綠素照光後電子被激發,引發後續的化學反應,前半段的「照光後電子被激發」正符合DSSC的需求。葉綠素是一種紫質分子,於是許多科學家開始研發不同的紫質分子,想製造出具有同等功能的「人工葉綠素」,做為新的光敏染料。


紫質有許多特性及功用(請參見74頁〈活躍的紫質家族〉),專門研究紫質的葉鎮宇在五年前開始投入以紫質分子做為DSSC染料這種新的研究趨勢。他指出,要做為DSSC的染料,需要的條件不只電子會受光激發,還必須照光後電子躍遷的能階正好與二氧化鈦半導體的能階相當,如此激發態的電子才會轉移到二氧化鈦基板上,形成電流。此外,染料吸光的頻譜範圍也要越寬越好,如此才能吸收較多光能,而提高光電轉換效率。


葉鎮宇先推算要幫紫質接上哪些官能基,所得到的紫質分子能階才會與二氧化鈦相當、有最寬的吸光頻譜,且電子停留在激發態的時間最長,這樣電子才容易經由二氧化鈦流出而形成電流;然後設法將這樣的紫質分子合成出來,再交由專精於DSSC電極、電解質且擅長組裝DSSC元件的刁維光做出成品並進行測試。


全世界約有20組研究團隊在進行類似的工作,但始終無法提升紫質染料的光電轉換效率,最高大約只能到7%,其中一個重要原因是紫質分子很容易彼此靠近而堆疊在一起,使激發態的電子無法有效注入二氧化鈦,因而降低光電轉換效率。


紫質染料必須透過浸泡來附著在二氧化鈦半導體表面,刁維光表示,釕金屬錯合物染料浸泡時間長達10幾個小時,若不慎多浸泡了幾個小時也不致影響性能;然而為了避免堆疊,紫質染料的浸泡時間必須嚴格控制在1~2小時,誤差不能超過半小時。此外,還要在染料中加入適當比例的「共吸附劑」,將紫質分子彼此隔開以減少堆疊。這些步驟都增加了紫質DSSC製程的困難度,而且製作條件只要有些微差異,就會大幅影響DSSC成品的光電轉換效率。


為了徹底解決紫質分子堆疊的問題,葉鎮宇和刁維光在紫質分子上接上長碳鏈,以加大紫質之間的距離,不再堆疊在一起。長碳鏈的另一用處是阻止電解質太靠近二氧化鈦表面,避免電荷再結合:電解質原本應該從另一側的鉑電極獲得電子,再傳給紫質,補充紫質因照光激發而失去的電子;若電解質太靠近二氧化鈦,反而會和紫質提供給二氧化鈦的電子結合,因而降低了光電轉換效率。


經過三年多研究,嘗試了無數種紫質分子,兩人終於在2009年合成出新的紫質分子「夜鵰一號」(YD1,夜鵰是取葉鎮宇和刁維光的姓氏諧音),光電轉換效率達到與釕金屬錯合物相當的11%;又經過兩年,他們終於超越了釕金屬錯合物,最新發表的「夜鵰二號」(YD2)紫質分子,在全太陽光照射強度下,光電轉換效率達到12.3%,而在太陽光一半強度照射下,更高達13.1%。



這項研究成果除了是葉鎮宇和刁維光的努力,同時也要歸功於DSSC的發明者格拉茲爾。葉鎮宇指出,合成染料分子以及把染料、半導體電極、電解質組裝成DSSC,各有一些特殊技巧,目前世界上光電轉換效率最高的DSSC,幾乎都是由格拉茲爾的實驗室組裝出來,如果夜鵰二號沒有格拉茲爾的組裝技術,很可能無法達到這麼高的效率。


許多研究DSSC的實驗室都希望和格拉茲爾合作,然而這一次卻是格拉茲爾主動找上葉鎮宇和刁維光。刁維光表示,2009年初他們剛合成出來的夜鵰一號,光電轉換效率只有6%,雖然不高,但這是在元件尚未最佳化的情形下所得到的結果,和刁維光自己用釕金屬錯合物做出的DSSC相當。那年4月他在日本一場研討會中報告這項成果,立刻引起格拉茲爾的注意,表達合作的意願,於是他們將夜鵰一號送到格拉茲爾的實驗室進行最佳化的元件組裝,很快就得到11%的光電轉換效率,於是又接著合作夜鵰二號的開發。


至於何謂最佳化?葉鎮宇舉例,釕金屬錯合物所用的電解質,以碘錯合物可達到的光電轉換效率較高,但是搭配夜鵰二號的,卻是較少人使用的鈷金屬錯合物。以鈷金屬錯合物做為電解質可以得到較高的電壓,但搭配釕金屬錯合物染料時,產生的電流減小,綜合起來光電轉換效率並不好,原因是鈷金屬錯合物和釕金屬錯合物的分子都比較大,接觸面小,影響效率,所以必須使用較小的碘錯合物;然而紫質分子比釕金屬錯合物小很多,可與鈷金屬錯合物有較大的接觸面,於是格拉茲爾使用鈷金屬錯合物來提高發電電壓,終於得到最好的光電轉換效率。


多樣化的太陽能電池產品


和傳統矽太陽能電池相比,DSSC的最大優勢在於製造成本可大幅降低,在價格上非常具有競爭力。在發電效率上,DSSC雖然低於矽晶片太陽能電池,卻優於非晶矽太陽能電池,而且光線變暗時光電轉換效率下降的幅度也小。夜鵰二號還有另一項重要優點,即吸光頻譜函括波長400~700奈米的全部可見光範圍,比釕金屬錯合物的吸光範圍大(見左圖),再加上外界溫度也不會造成很大影響,這些特性使得夜鵰二號的適用場合不局限於戶外陽光直射時,即使是陰天、下雨或在室內,也可以吸光發電。


DSSC的另外一些特色,則可增加其使用範圍:DSSC所使用的染料分子、二氧化鈦半導體、電解質,均只需薄薄一層,可以做到相當透明;外殼使用柔軟的導電塑膠,因此DSSC可撓曲;DSSC的雙面皆可吸光,不像矽太陽能板只能單面吸光。這些特性使DSSC可以做成軟性電池,安裝在像衣物、背包這些柔軟材質上。然而要成為衣物的一部份,美觀也是不可或缺的因素,而這正是使用紫質做為DSSC染料的另一優點:可以改變接在紫質大環上的官能基,雖然這樣會使光電轉換效率略微降低,但可調整出各種顏色。


不過目前葉鎮宇和刁維光製作的紫質DSSC尚無法同時做到透明又可撓曲,原因是他們無法讓透明的二氧化鈦直接附著在柔軟的導電塑膠上,只能附著在堅硬的導電玻璃上;如果先讓二氧化鈦附著在一層很薄的黑色鈦金屬上面,雖然可以附著上導電塑膠,但這樣就不透明。若要同時兼顧透明及可撓曲,必須讓二氧化鈦直接附著在導電塑膠上,而這樣往往會影響光電轉換效率,目前這方面技術以日本科學家宮?力的實驗室最為先進,台灣團隊還有努力的空間。


夜鵰二號的另一問題是合成步驟太過複雜。葉鎮宇解釋,紫質是用醛類和?咯合成,之後再加上各種官能基,在實驗室中需要數星期才能合成,而且一次只能製備幾百毫克,製作出的DSSC面積不到一平方公尺。如果想要量產,必須設法縮短合成時間。


另外,目前所有光電轉換效率較高的DSSC都是使用液態的電解質,必須封裝得非常嚴密,否則有漏液的疑慮;若能改用固態的電解質,封裝步驟會更簡單,且穩定性也會更高。刁維光指出,現在使用固態電解質的DSSC能達到的最高光電轉換效率只有7%,未來只要能達到10%,產業發展就會大幅增長,不過要達到這一步仍有待突破。


至於哪些產品適合使用DSSC,刁維光認為3C產品最有開發前景,例如直接安裝在手機或筆記型電腦的外殼上,利用DSSC在光線較暗的室內也可發電的特性,隨時為手機或筆電的電池充電;另外在夜晚具有指標、照明或裝飾作用的埋地燈,因為使用量大,若以DSSC取代現有的矽太陽能電池,也可節省很多成本。


向古老的葉綠素借智慧,讓葉鎮宇和刁維光發展出光電轉換效率大幅提高的紫質DSSC,使DSSC朝實用化邁進一大步。他們的下一步目標,是將DSSC的光電轉換效率提升到15%以上,使DSSC更有競爭力,讓便宜、高效能又多樣化的太陽能產品能夠全面走入民眾生活。


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