第二章 理論原理與文獻回顧
2.3 染料敏化太陽能電池
十九世紀末，科學家發現某些有機染料能夠延長鹵化銀照相膠捲對可見光的使用 週期和效率，因而得知可見光能有效地激發有機染料分子與半導體銀鹵化物微粒之間 的電子或能量轉移機制。最近科學家發現太陽光對部分染料分子和奈米半導體氧化物 微粒間的作用也具有類似於前述的敏化電子轉移效應，研發出一種可將太陽光能轉換 為電能的新型太陽能電池，稱之為「染料敏化太陽能電池」。也因染料有不同顏色，
也有人稱它為「彩色太陽電池」(Rainbow PV）。
染料敏化太陽電池材料本身穩定又無污染、成本低廉、製程簡便不需真空設備、
可大面積製作、可彎曲性、半透明以及低光量下仍有高轉換效率等優點，被公認為最 有發展潛力的再生能源之一，它的構造類似三明治夾層如圖 2-6，在上、下兩層的導 電玻璃間夾有染料、奈米二氧化鈦微粒和電解液。上、下兩層的導電 基板可以是 玻璃或是透明可彎曲的高分子薄膜，覆以一層透明且可導電的金屬氧化物做為導電電 極。中間層則混有奈米二氧化鈦微粒薄膜以及染料，奈米等級的二氧化鈦微粒具有廣 大的表面積可以讓負責吸收光線且激發電子-電洞對（electron-hole pairs）的染料附 著。另外，在上、下兩層電極之間，須注滿可導電且進行氧化還原反應的電解質溶液，
通常是碘及碘化鉀的有機溶液。
圖 2-6 染料敏化太陽能電池構造示意圖
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染料敏化太陽能電池的工作原理如圖 2-7，染料敏化太陽能電池的發電原理，是利用 有顏色的染料，將吸收的太陽能轉換成可利用與儲存的電能。其光電轉換的運作方式，
是由染料被光照射、激發；激發態分子會藉由電子轉移過程（或稱電子注入），將電子傳 遞到半導體奈米粒子的導電帶上。這種經由染料吸光而使半導體帶電的過程稱為「染料 敏化」，能夠將其中的電子傳導出來，就能夠成為我們所需要的電能。另一方面，激發態 的染料分子也會受到分子間聚集造成淬熄效應（quenching）而回到基態，而沒有將電子 轉移至半導體。對於一個理想的染料而言，其激發態分子必須能迅速的將電子傳遞到半 導體的導電帶上，而所受到的淬熄效應則是愈低愈好。 同時，電池中被激發的染料，會 由電解質捕獲電子回到基態；而氧化態的電解質，則從電極接收電子而還原，達到系統 平衡。
圖 2-7 染料敏化太陽能電池原理圖
染料吸收太陽光能後，使得染料分子內的電子獲得足夠能量從基態躍遷到高能階 的激發態如(式2-1)，在染料分子中處於高能階激發態的電子比較不穩定，容易被緊鄰 的奈米等級的二氧化鈦微晶所吸引，而注入到二氧化鈦中。 獲得額外電子的二氧化 鈦則形成ｎ型半導體，而失去電子的染料則轉為帶正電的離子態如(式2-2)。進入二氧 化鈦的電子，會在奈米二氧化鈦中的微晶網路傳遞並匯集於導電玻璃上，再藉由外部
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迴路傳遞至另一個導電玻璃上，而產生電流，被氧化的電解質會透過對電極上的電子 還原如(式2-3)，失去電子的染料，會從液態電解質中補充電子而回到基態(式2-4)。
染料敏化電池工作原理的工作原理反應式[6]:
Dye + light→Dye*...(2-1) Dye* + TiO2 → e-[TiO2] + Dye+...(2-2) 1/2 I3
+ e- → 3/2 I-...(2-3) Dye++ 3/2 I-→1/2 I3-
+ Dye... ...(2-4)
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