6 光伏電池(Photovoltaic cell，簡稱PV cell)，其中的photo即表示光(light)
7 (Grid-Connected PV System, Si)(電力電子技術)。
7. 1991年Prof. M. Graëtzel發表DSSC[2]。
8. 1992年起歐美、日各國推動PV補助獎勵。
9. 2000年 建材一體型太陽電池應用(BIPV)。
太陽電池的種類繁多，依半導體材料的種類區分(表2-1)，除有前
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板內，形成p-n接面。p-n接面是由帶正電的施體離子與帶負電的受體 離子所組成，由正、負離子的存在，在此區域內形成一個內建電位 (built-in potential)。此內建電位驅動原存在於此區域內的可移動載子 分別向兩端移動，使得此區域的流動載子被驅離該區域，故稱之為空 乏區(depletion region)。
當太陽光照射具有p-n 結構的半導體時，光子所提供的能量，可 是以矽質材料為主的單結晶矽(single crystal silicon)、多晶矽
(polycrystalline silicon)和非晶矽(amorphous silicon，簡稱a-Si)太陽電池，
如表2-1所示。
由於材料特性上的限制，結晶矽太陽電池的轉換效率幾乎已經達
10 的新型太陽電池，稱之為「染料敏化太陽電池(Dye-sensitized Solar Cells, DSSC)」。
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1985年，隨著瑞士洛桑工業研究所的科學家Micheal Graëtze 教授 等人，首次使用高表面積半導體電極(如奈米晶二氧化鈦電極)進行敏 化研究[2-3]，在1991年，M. Graëtze等人發表了一種成本低，轉換效 率可以達到大約7% 的太陽能電池[4]，他們使用銳鈦礦晶型(Anatase) 的奈米TiO2顆粒製備半導體薄膜，近年來更將染料敏化太陽電池的光
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率 4.9%[5]。
5. 2001 年，K. Hara et al.發表有機染料”香豆素”(Coumarin)之 DSSC，
效率 5.6%。 ITO(Indium Tin Oxide) 薄膜。半導體電極是在基板上均勻塗佈上一層
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奈米等級之二氧化鈦。
染料敏化過程中，使奈米半導體電極上的 TiO2奈米粒周圍均勻 地吸附可以吸收太陽光的有機染料。通常此有機染料是採用含有釕離 子的錯合物，如 ruthenium polypyridyl complex。可將含多孔性塗佈層 浸入含有釕之染料、花青素或綠色的葉綠素等染料溶劑內。電解質溶
DSSC的工作原理的示意圖，如圖2-4，染料(D)吸附在TiO2電極 上，當光照射到染料時，染料中的電子由基態至激發態(D*)，隨後電
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15 漬法(Dipping)、化學氣相沉積法(Chemical vapor deposition，CVD)、
真空蒸鍍法(Vacuum coating)、真空建設法(Sputtering)等。這些製程方
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有很強的敏化作用。
2. 磷酸多吡錠釕：由 M. Graëtzel 等人發現，磷酸機團的附著能力 較羧酸強，在水中(ph=0~9)也不會脫落，但激發態壽命較短。
3. 純有機染料：純有機染料不含中心金屬離子，包括聚甲川染料、
氧雜蔥類染料以及一些天然染料。純有機染料的種類繁多，成本 較低，便於進行結構設計且電池循環易操作，但是純有機染料 DSSC 的光電轉換效率偏低，且染料的穩定性也是個問題。
天然染料中可行光合作用的色素，詳述如下：
1. 葉綠素-α(Cholorophyll α)：是綠色植物將輻射能轉變為化 學能的主要色素。葉綠素-α 溶解在有機溶液中具有兩個光 吸收峰，分別在 430nm 和 660nm。
2. 葉綠素-β(Cholorophyll β)：葉綠素-β 溶解在有機溶液中具 有兩個光吸收峰介於葉綠素-α 中，分別在 450nm 和 640nm。
3. β-胡蘿蔔素(β-Carotene)：普遍大量存在於蔬果中，屬於 胡蘿蔔素一種，這類色素為橘黃色，具有 450-470nm 的強吸 收波段與 280nm 附近的弱吸收波段。
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2-5 電紡絲(Electrospinning)
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電氣紡絲的原理最早被發現是在1900年，當時人們將熔融狀態的 封蠟(Sealing Wax)置於一個高壓電場中，便發現會有固態的纖維由高 壓端被射出，最後沈積在接地點形成薄膜狀沈積物。
西元1934年Anton Formhals發明的電氣紡絲技術是現今奈米纖維 的先驅，電氣紡絲是採用高壓電場的帶電荷噴嘴，將高分子聚合體溶 液之紡絲溶劑揮發乾燥後，形成奈米纖維網材，如圖2-5。嚴格來說，
奈米纖維是次微米級纖維的不織布材，可應用於靜電紡絲製成奈米纖 維網材，如：各種高分子天然、合成和生物可分解之聚合體。電氣紡 絲雖在70多年前就被發現，但直至20世紀末，搭上奈米科技的潮流才 開始受到重視，其中又以過濾、生醫、感測為主要應用領域。
電氣紡絲纖維直徑是1-100nm的纖維，約為人類頭髮千分之一，
其特點為高孔洞性、比表面積大（物體的表面積與體積之比稱為比表 面積），導致其表面能和活性增加，從而產生小尺寸效應、表面與界 面效應等。在物化性質方面表現獨特的優越性，可進一步應用於生醫 領域，其中又以藥物控制釋放、組織工程及創傷敷材為主。近年來電 氣紡絲在細胞生長支架的領域的研究應用有大幅增加的趨勢。
24 造出輕薄的不織布型態薄膜[12]。1970年任職於Dupont 的Baumgarten 發表了一系列利用高速攝影儀拍下的電紡相片，使得電紡的過程及其
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1. 纖維尺寸可達奈米級。
2. 纖維結構及直徑大小可由溶液黏度(Solution Viscosity)、電場強度 (Electric Field Intensity)等變因精準調控。
3. 成形後的不織布薄膜相當適合當作藥物載體，可加入抗生素 (Antibiotics)或生長因子(Growth Factor)等功能性載子，加強薄膜 的功能性。
4. 電氣紡絲技術是屬於單一加工過程(Single Process)[19-20]。
此外，電氣紡絲還具備有具有特高之纖維表面積，在催化劑或生 37.5mL 的 DMF 中，在工作電壓 15kV、流速 60μl/min，工作距離 10cm 進行電紡[21-25]。
2006 年 Hong 電紡絲法用於 DSSC 中將 PVA 粉末加到 95 度的去
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梨子水中，以磁石攪拌，當 PVA 完全溶解時， 此時的溶液為透明義 體，將其降溫至 40 度，加入適量醋酸鋅和冰醋酸(用來調整容易的 pH 值到 6)，再以磁石攪拌 20 分鐘， 將含氧化鋅前驅物的 PVA 容易加 進針筒中準備電紡絲實驗[26]。
2-6 高分子材料
2-6-1 聚醋酸乙烯酯(Polyvinyl acetate，PVAc)
1912 年 Dr. Fritz Klatte 發現聚醋酸乙烯酯(Polyvinyl acetate，簡稱 PVA 或 PVAc)是一種有彈性的合成聚合物。聚醋酸乙烯酯是醋酸乙烯 酯(VAM)的聚合製備而成，化學式為(C4H6O2)n，易溶於有機溶劑中，
如：酮、酯、氯碳化氫、甲醇、甲苯…等。
聚醋酸乙烯酯以在水中的乳劑的形式，作為多孔材料，特别是木 材的黏著劑出售。它是最常用的木材用膠，被稱作白膠水(白膠漿)。
白膠水也用廣泛用於黏合其他材料，如纸、衣料…等。聚醋酸乙烯酯 的主要物性為表 2-2。
2-6-2 聚乙二醇 (Polyethylene oxide, PEO)
聚乙二醇(Polyehtylene oxide)是一種線狀或枝狀以及中性的高分
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PEG(polyethylene glycol)，而大於兩萬者則稱為PEO(polyethylene oxide)。
聚乙二醇擁有很特殊的溶解特性，其可溶於水以及大多的有機溶 劑當中，像是甲苯、乙醇、丙酮等等，但不溶於己烷。有趣的是，與 其相似結構的聚合物，如poly(methylene oxide, HO-(C-O)n-OH)及 poly(propylene oxide, HO-(C-C-C-O)n-OH)等均無法溶於水中，因此可 以看出聚乙二醇重複鏈段(C-C-O)n 具有獨特的雙親性質。而聚乙二 醇的溶解度與溫度則呈現反比關係，其濁點(cloud point)大約為100℃，
因此當溶液升溫至100℃時，聚乙二醇在溶液中便會開始析出。另外 在溶液中額外加入鹽類或者有機物也會使得濁點下降。比如當溶液中
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含有40%的propylene oxide 時，則會讓濁點下降至37℃。
2-7 光電轉化效率的測定
習慣上，將白光下的能量轉換效率稱為總能量轉換效率，而單色 光下的能量轉換效率用表示 ( )，其中()為波長。
入射單色光子-光電轉化效率(monochromatic incident
photo-to-electron conversion efficiency，IPCE)，定義為外電路中產生 的電子束(ne)與總的入射單色光子數(np)之比。其數學表達式為：
填充因子(Fill factor，F.F.)：電池具有最大輸出功率(P )時的電opt
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2-7-1 空氣質量
空氣質量(Air Mass ,AM)如圖 2-8 所示，定義為太陽輻射經大氣 圈所通過的質量[27]。
1 cos( )
AM (4)
從天頂垂入射稱為 AM1.0，大氣圈外為 AM0，而 AM1.5 約為距 離天頂 48 度的空氣質量。
AM1.0 與 AM1.5 光譜能量分布情形，並與 6000K 之黑體幅射光 譜能量分布比較，如圖 2-9 所示。
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表 2-1 太陽能電池種類 Solar cells Semiconductor
materials
CdS、CdTee 10~12%
3 elements CuInSe2 10~12%
Nanotechnology and organic semiconductors
TiO2、ZnO 1%
表 2-2 不同電極之 DSSC 的光電性質[7]
Counter electrode Platinum Carbon ITO Glass
Voc/mV 495 485 370
Isc/μA 1700 850 260
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表 2-3 聚醋酸乙烯酯主要物性 標準
比重 1.2
軟化點(℃) 55
溶融點(℃) 88
接著力(kg/cm2) 200
耐水度 100
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圖2-1光伏效應
圖 2-2 矽基材太陽能電池
圖 2-3 染料敏化太陽能電池基本構造
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圖 2-4 染料敏化太陽能電池工作原理[4]
圖 2-5 電氣紡絲法示意圖[28]
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圖 2-6 泰勒錐[28]
圖 2-7 太陽能電池輸出電壓與電流之特性曲線
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圖 2-8 太陽輻射與空氣質量關係[27]
圖 2-9 不同條件下太陽光譜能量分布[27]
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