染料敏化太阳能电池3354的又一突破——访中兴化学系教授叶振宇

本文转载自科技大观园。原文为《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》作者/科技大观园特约编辑|陈一嘉你能想象吗？也许有一天，整个摩天大楼的所有窗户都可以用来太阳能发电！近年来，染料敏化太阳能电池(dye-sensitized solar cell，DSSC)因其相对低廉的成本、简单的结构和高可塑性而受到各方关注。本文特别采访了中兴大学化学系叶振宇教授，分享染料敏感太阳能电池的最新研发成果和太阳能电池的新面貌。

透明、轻薄又可挠的染料敏化太阳能电池

“一个又一个厚厚的深蓝色面板平躺在阳光下，闪闪发光”，这应该是大多数人对太阳能电池最深的印象。这些日常生活中常见的太阳能电池板，是目前太阳能电池行业发展时间最长、技术最成熟的“传统硅太阳能电池”。

多个串联的太阳能电池板。(图片//维基百科，Supertekenterprises1作品，CC BY-SA 3.0)除了众所周知的硅太阳能电池，近年来，染料敏化太阳能电池(dye-sensitized solar cell，DSSC)可谓是冉冉冉冉升起的未来之星。与厚而贵的硅太阳能电池相比，染料敏化太阳能电池(以下简称染料敏化电池)不仅相对便宜，结构简单，而且透明柔韧！

中兴大学化学系叶振宇教授是台湾省研究染料敏化电池的顶尖学者。2011年，他与一个国际研究团队合作，开发出以卟啉为染料的“YD”系列染料，将染料敏化电池的光电转换效率从11%提高到12.3%。研究成果发表于当年11月《科学》。

2020年，叶振宇及其研究团队发表了新一代紫色染料“bJS”系列，与上一代“YD”系列染料相比，光电转换效率提高了11.9%。2020年11月发表在《应用化学》期刊上，入选非常重要论文(VIP，非常重要论文)，是本刊前5%的论文。

本次科技大观园特别采访了叶振宇教授，邀请叶教授与我们分享染料敏感太阳能电池的近期研发情况，为我们展示太阳能电池的新面貌。

首先，叶振宇指出，太阳能电池要想产业化，维持商业运行，必须满足两个基本要求：高光电转换率和高稳定性。光电转换效率是指电池将光能转化为电能的能力，而稳定性则是电池的耐久性。

00-1010传统的硅晶体太阳能电池主要用于阳光直射的炎热户外，在户外具有良好的光电转换效率。此外，由于暴露在阳光下时表面温度可高达50或60，因此太阳能电池的材料必须足够稳定才能在炎热的室外使用。以硅晶体太阳能电池为例，使用寿命在20年左右，稳定性好。

染料敏化电池不是专门在阳光直射的户外使用，染料敏化电池的稳定性不高。它们主要用于室内弱光和半室外环境。在室内弱光条件下，染料敏化电池的光电转换效率很高，可达30%。

虽然目前硅晶体太阳能电池在户外的光电转换效率和稳定性都高于染料敏化电池，但是硅晶体太阳能电池有一个致命的缺点：太贵了！此外，硅太阳能电池的制造工艺相对复杂精密，不仅需要高温、强酸、强碱的参与，而且结构也相对复杂。制造过程中消耗的能源需要两到三年才能恢复平衡。

另一方面，染料敏感电池具有非常简单的结构，并且其制造工艺和成本相对简单和便宜。可以在家里的厨房里完成，也是世界各地高中科学展的共同主题。只要制作得当，手工制作的太阳能电池甚至可以驱动小电机，让小灯泡发光，而且只需要六个月就可以把消耗的能量“赚回来”！

另外，太阳能电池的污染问题也是大家关注的焦点之一。硅晶体太阳能不仅在过程中消耗能量，结构复杂，而且造成大量的污染和浪费。染料敏感太阳能电池需要很少的染料，只需要不到10纳米的薄层。况且二氧化钛无毒，结构简单，污染远小于硅晶体，是“更清洁”的太阳能。

硅晶 vs. 染敏太阳能电池

染料敏化太阳能电池结构示意图。(图/，李，2019)染料敏化电池的组成部分包括染料、工作电极、电解液和对电极。

以叶振宇研究团队使用的染料敏化电池为例。它的工作电极由二氧化钛纳米颗粒组成，二氧化钛上吸附了一层薄薄的染料，阳光就是通过这些染料吸收的。当染料被照射时，染料的电子会从基态跃迁到激发态。这些电子有机会变成自由电子，跑到二氧化钛那里，然后随着连接二氧化钛和对电极的电路，它们会通过电解质接收电子，进行还原反应。

p>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，吸光範围大、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。其中染料的吸光範围会影响电流，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」的特徵一样，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。

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，染敏电池已经可以製作成各式各样的「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硅晶，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硅晶，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！

参考文献

• 陈祉云、李玉郎（2019）染料敏化太阳能电池专题报导。科学发展。564 期，32-37 页。

• 台湾杰出女科学家系列专访，持续更新中！