染料敏化太陽能電池主要由工作電極(Working electrode)、光敏染料 (Photo sensitizer)、電解液(Electrode)及對極電極(Counter electrode)所組成，
如圖 2-1 所示。當工作電極上的染料分子受到光照射(hν)，染料分子由基態
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圖 2-3 影響元件效率之損失機制
圖 2-4 元件反應電子傳遞速度示意圖[7]
(1) (2) (3)
電流方向 電解液電位
對極電極 電解液
光敏染料 工作電極
- 9 - system)、能帶間隙(Band gap)、晶格常數(Lattice constants)等物理性質[11]如表 2-1 所示。其中最常見及廣泛應用的為銳鈦相與金紅石相，而板鈦相因穩定
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λ=1240/E(band gap)……….(5) λ：入射光波長(nm)
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圖 2-5 奈米顆粒與奈米管之電子傳遞示意圖[14]
奈米管具備較好電子傳遞功能，若管長越長，電子傳遞功能越好。2008 年，由 James R. Jennings 等研究學者[15]說明電子在 TiO2 nanotube 內的傳遞 為一維方向且擴散長度為 100 μm，因 TiO2 nanoparticle 電子擴散長度約 20~30 μm，這說明 TiO2 nanotube 若製備出 20 μm 以上之結構，能夠使得元件轉換 效率大幅提升。
2009 年，國內中央大學簡淑華教授等研究學者[16]針對 TiO2 nanotube 長 度對於染料敏化太陽能電池的探討，利用電化學方式製備出 3、7、13、24 及 33 μm 之管長，圖 2-6 是不同長度 3~33 μm 之光伏特表現。Voc約 0.71~0.77 V，隨著管長增加而減少；FF 約 0.42~0.50，隨著管長增加而增加，但 Voc 及 FF 變化不大。當管長為 24 μm，ISC為最大值 11.2 mA/cm2；當管長為 33 μm 時，ISC下降至 8 mA/cm2左右，因此，得知光電轉換效率主要受 ISC影響。
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圖 2-6 不同長度 3~33 μm 之光伏特表現。(a)開路電壓(Voc)；(b)短路電 流(ISC)；(c)填充因子(FF)；(d)光電轉換效率(η)與管長的關係圖[14]。
2-2-2 光敏染料
太陽光可分為紅外光(佔 43%，> 750 nm)、可見光(佔 50%，400~750 nm) 及紫外光(佔 6%，<400 nm)，但 DSSC 元件中的 TiO2奈米結構只能吸收紫外 光的波段，失去可見光及紅外光的比例優勢，且故選用於可見光中捕獲能力 較好的染料分子為主，但並非所有染料分子皆適用太陽能電池之光染料，須 符合下列等條件[17]：
1. 染料需兼具高吸收係數，且能吸收可見光至近紅外光之範圍，有效 利用太陽光能，助於提升短路電流，改善元件之效率。
2. 染料分子激發後之能階必需高於 TiO2導帶之能量，以確保電子能順 利注入 TiO2結構內，有效產生光電流。
3. 染料之基態能階必需低於電解質之氧化還原電位，以確保失去電子
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的染料分子能被電解質還原，進行染料再生。若染料再生的驅動力 不足，則會發生 TiO2結構的電子電洞再度結合，降低元件效率。所 以染料與電解質需互相搭配，方可改善電子損失。
4. 染料分子需與 TiO2結構表面緊密結合，以確保電子能順利由染料傳 遞至 TiO2的導帶，有效地形成電荷分離。
以釕金屬離子系列(如 N3、N719 及 black dye 等)為目前最高效率的錯合 物，如圖 2-7 所示此三種常用的染料結構式[18, 19]。吸收範圍均在可見光波段，
從 380 nm ~780 nm，全質子化的 N3 染料在 398 nm、538 nm 有最大吸收峰 值[19]，但 N3 染料最大的缺點就是無法有效吸收紅外光波段，其是因 N3 染 料吸收光譜僅能到 750 nm，造成無法充分利用太陽光。促使學術研究學者 陸續開發比 N3 染料更能提升可見光區吸收的新型染料，譬如說 N719 及 Black dye 等，N719 染料改善提升 N3 染料的缺點，促使太陽能電池能具有 較好的轉換效率；而 Black dye 將可見光吸收光譜延伸至 920 nm，有效地利 用紅外光區，圖 2-8 為 N719 和 Black dye 的 UV-vis 吸收光譜[20]。
圖 2-7 N3、N719 及 Black dye 的染料結構式[18, 19]
N3[18] N719[18] Black dye[19]
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圖 2-8 N719 及 Black dye 的 UV-vis 吸收光譜[20]
2-2-3 電解液
在元件反應過程中，電解液之氧化還原對一般為 I-/I3-為主，其作用是還 原失去電子的染料分子，電解液中的 I3-會與由外部電路所傳回至對極電極上 的電子進行還原反應，而染料分子會與 I-反應，使染料分子還原成基態，故 電解液需具備比染料氧化態更強的還原電位。可分為固態電解質、膠態電解 質及液態電解液。
1. 固態電解液：
學術研究上較多以無機 p-型半導體材料和有機電洞傳輸材料兩 種。無機 p-型半導體材料主要以 CuI[21, 22]、CuSCN[23, 24]等。2005 年，
G.R.A. Kumara 等研究者，以 N3 染料所製備的元件中，有效面積為 0.25 cm2，經 100 mW/cm2的強光下檢測，Voc為 620 mV，JSC為 13.0 mA/cm2，FF 為 0.58，光電轉換效率為 4.7%，光電流-電壓特性曲線
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與光電轉換效率如圖 2-9 所示[25]；以有機電洞傳輸材料主要是 OMeTAD[26]、P3HT[27]、P3OT[28]、PTPD[29]等，以 OMeTAD 為電洞 傳輸材料製備元件，在 9.4 mW/cm2弱光下檢測，該元件短路電流密 度為 0.32 mA/cm2，開路電壓為 0.34 V，填充因子為 0.62，光電轉換 效率為 0.74%[26]，以上可作為染料敏化太陽能電池之電洞傳輸材 料，優點在於固態電解液較不易漏液及揮發等問題產生，封裝材料 也易選購，但高製備成本與低光電轉換效率等缺點，該如何改善電 洞傳輸材料與半導體材料的接觸，提高電洞傳輸，降低元件電阻，
其需各位學者深入探討。
圖 2-9 MgO 塗上 TiO2於固態太陽能電池之光電流-電壓特性曲線與 光電轉換效率圖[25]
2. 膠態電解液：
因液態電解液內含有機溶劑易揮發，元件封裝過程中較易於洩 漏，而影響元件使用壽命。2003 年 Wataru Kubo 等研究者在液體電 解液中加入有機小分子或有機高分子化合物，讓液體電解液內形成 膠網狀結構而固化，進而發展成膠態電解液[30]。雖然可有效防止電 解液的洩漏與暫緩有機溶液的揮發，但隨著工作時間的影響，還是
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無法改善有機溶劑揮發的問題，因此有以離子性液體介質為基礎的 電解液。
3. 液態電解液：
液態電解液由於擴散速度快，光電轉換效率高，易滲透於奈米 多孔膜中，主要以有機溶劑、氧化還原對跟添加劑此三種組成。有 機溶劑常用的有腈類跟酯類，跟水相比，這些有機溶劑對電極是惰 性的，不與電極產生反應，助於有機溶劑跟染料不易脫落及分解。
在氧化還原對中以碘離子還原對(I-/I3-)為主，有些學者研究其他物質 來取代碘，但尚無突破性，而含碘離子電解液具備無毒、低熔點、 揮 發性低、不易燃及高介電常數等，是必為未來使用趨勢[31, 32]。
- 17 - 件上等因素。在2004年，Xiaming Fang等研究學者[34]研究鉑膜厚度對染料敏 化太陽能電池之影響，利用濺鍍機將鉑鍍在導電玻璃上 ( Fluorine doped SnO2, FTO)。實驗條件從0 nm至415 nm，元件轉換效率結果如表2-2及圖2-10 所示。但由濺鍍原理可瞭解，鍍膜厚度約2~25 nm，金屬形成為顆粒狀；而 鍍膜厚度超過100 nm以上，金屬形成為薄膜，可瞭解厚度越厚並無提升光電 轉換效率，故催化層可採用2~25 nm即可。
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(1) 開路電壓(Open-circuit voltage, Voc)
在無負荷狀態下，外部電路短路時所產生的電流，指元件所能產生 之最大電流。
理想狀態：元件之短路電流 = 照光時所產生電流
(2) 短路電流密度(Short-circuit current density, Jsc)
在負載無限大之狀況下，外部電流斷路時所量測之電壓為開路電壓。
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(4) 轉換效率(Solar energy to electricity conversion efficiency, η)
呈現最大元件轉換效率數值，定義為元件的最大出輸功率與入射光
(5) 入射光電子轉換效率(Incident photo-to-current conversion efficiency,IPCE) 指單射光照射將元件有效面積區的光子轉換成電子效能，可用通過外部
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