第二章 實驗原理
2.0 前言
太陽能電池功用是將太陽能轉換成電能，所以太陽光譜對太陽能
電池的效率影響極大，因此本章將先介紹太陽光譜，並以染料敏化太 陽能電池(DSSC)為例，說明太陽能電池的工作原理，以及相關之光 伏參數。
2.1 太陽光譜
太陽的能量是來自太陽內部中心(溫度約 1500~2000 萬 K)，
此處充滿著高速運動的原子核和自由電子，當高速的原子核互 相碰撞時，它們產生融合反應而釋放出極大的能量產生高溫。
但這並非太陽表面的黑體(black body)輻射溫度，因為大部分的電磁輻 射會被太陽表面的氫原子層再吸收，所以太陽的表面溫度會比內部溫 度低許多，大約在6000 K 左右。圖(2-1)為太陽光譜圖，其中包括 6000 K 黑體輻射光譜，以及 AM 0、AM 1.5 太陽光譜。1
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 0.0
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2
Spectral irradiance (W m-2 nm-1 )
Wavelength (nm)
AM1.5G AM1.5 AM0
圖 (2-1) 太陽光譜圖(solar spectrum)。AM1.5G：單位入射強度定義為 100mW/cm2，AM1.5：考慮環境因素的干擾，強度較 AM1.5G 低。
首先必須介紹空氣質量(air mass，AM)的意義，當太陽光入射到 地表時，會受到大氣層中空氣分子和塵埃的散射，以及氣體分子的吸 收，所以太陽光會隨著在大氣層中行經路徑之長短而有不同的衰減。
空氣質量(air mass，AM)定義為：
1cos Air Mass= θ
其中θ為入射太陽光和垂直地表的法線之夾角，如圖(2-2)所示。簡單 的說，空氣質量可定義為：太陽光入射到海平面在大氣層經過的距
離，與垂直入射至海平面在大氣層所經過的距離之比值。
圖(2-2) 空氣質量(air mass)示意圖，依序是 AM 0、AM 1、AM 2。
表(2-1)列出美國太空總署(NASA)所定出之空氣質量與單位面積 入射功率的標準。對於太空中使用的太陽能電池，我們常使用AM 0 的照光條件進行測試，以模擬在外太空使用的狀況，而在地表使用的 太陽能電池，則多用AM 1.5(入射角 θ=48.19o)的照光條件。
表(2-1) 不同空氣質量定義之太陽光輻射，其單位面積之入射功率。
2.2 染料太陽能電池之原理
染料敏化太陽能電池與傳統型太陽能電池最大的差異，在於其運 作原理將光子吸收(light absorption)及電荷分離(charge separation)兩個 機制分開獨立進行，光子的吸收由染料執行，而電荷分離則發生在染 料與其化學吸附的半導體氧化物界面上。染料敏化太陽能電池的運作 機制如圖(2-3)所示，染料分子吸收光子後，形成激發態染料分子(S*)，
將電子注入半導體金屬氧化物的傳導帶後，變成氧化態染料分子 (S+)，此時電解液會提供電子給氧化態染料分子，自身發生氧化反應，
最後再由外電路的陰極得到電子發生還原反應，如此形成一完整迴 路。以下為此運作原理中的幾個簡單反應式：2, 3, 4
空氣質量條件 單位面積入射功率(mW/cm2
)
AM 0 135
AM 1 100
AM 1.5 83.2
AM 1.5G 100
AM 2 69.1
2 3
3
*
* ( )
2 3
3
dye h dye
dye dye e TiO
e I I
I dye I dye
ν
+ −
− − −
− + −
+ →
→ +
+ →
+ → +
（2.1）
圖(2-3) 染料敏化太陽能電池(DSSC)運作機制圖。2
在整個迴路中，其中有三個路徑會降低染料敏化太陽能電池的整 體效率，即為圖(2-4)中的三個路徑：5, 6, 7, 8, 9
﹙1﹚ 為暗電流(Dark Current)，TiO2 接受染料激發態的電子後，電 子往反方向於電解質注入，即在電解質上發生電子–電洞對的
再結合，除了能量的損失外，此所產生的反方向電流會降低光 電流值，也會對整體效率造成影響。
﹙2﹚ 為注入TiO2 的電子與表面染料基態之電洞表面發生再結合效 應，同樣會造成能量損失以及對整體電子的迴路不利。
﹙3﹚ 為染料自身的電子–電洞對再結合，會釋放出熱能。
圖(2-4) 染料敏化太陽能電池中產生電子再結合的機制。
染料敏化太陽能電池在結構上，包含幾個主要部分：
(1)電極基板：
使用透明導電玻璃(Transparent Conducting Oxide，TCO)，目的是讓太 陽光能夠穿透而被染料吸收。
使用寬能隙(Wide Band Gap)的半導體氧化物，如二氧化鈦、氧化鋅。
二氧化鈦的多孔性(Mesoporous)結構其孔隙平均大小約為 15nm，奈米 顆粒大小約為10~30nm，此結構可吸附大量的染料分子，而使光子被 吸收的機率和光子吸收量大幅提昇。此部分負責接收染料分子所注入 的電子，經由傳導帶(Conduction Band)傳至工作電極再流至外線路。
(3)有機金屬化合物染料：
要藉由光激發二氧化鈦而產生反應，須要低於388nm之紫外光，但紫 外光所佔太陽光能中只有6％，是故必須利用太陽光能佔最高比例的 可見光，而染料能夠幫助二氧化鈦的吸收波長提高到可見光區，因此 染料能藉由可見光的驅使電子躍遷至二氧化鈦半導體電極，並接受來 自電解質的電子。一般染料必須符合以下幾種條件，第一，最好在可 見光區有寬吸收；第二，要有能和半導體氧化物表面產生良好鍵結的 連接團(Attachment groups)，如Carboxylate、Phosphonate；第三，染 料的電子激發能階必須符合金屬氧化物的傳導帶能階，以降低電子傳 導過程中的能量損失。
(4)電解液：電解液作為一中和電性的離子傳輸層(Mediator)，提供電 子給受光激發後失去電子的氧化態染料分子，使其能快速還原，而電 解液自身行氧化還原反應，由外電路獲得電子後發生還原反應，形成 迴路。
2.3 光伏參數
太陽能電池的電性量測，是在模擬太陽光的照射條件下，進行電 流電壓(I-V)的關係測量，圖(2-5)為太陽能電池的 I-V 量測圖，圖中標 出太陽能電池的重要參數，如開路電壓、短路電流、填充因子、轉換 效率等，以下將逐一介紹：10
(1) 開路電壓(open circuit voltage，Voc)：
當太陽能電池負載無限大的狀態下，也就是外部電路斷路時的輸出電 壓，在圖(2-5)中，I-V 曲線和 X 軸(I=0)的交點，即為 Voc。
(2) 短路電流(short circuit current，Isc)
當太陽能電池負載為零的狀態下，也就是外部電路短路時的輸出電 流，在圖(2-5)中，I-V 曲線和 Y 軸(V=0)的交點，即為 Isc。
(3) 填充因子(fill factor，FF)
定義為太陽能電池的最大輸出功率(Pmax)與 Isc 、Voc乘積的比值。I-V 曲線上任意(I、V)點皆可和原點圍出的一方形面積，在圖(2-4)中，
(Imax、Vmax)點與原點所圍出之方形面積為最大，即為最大輸出功率 Area = Pmax = Imax ●Vmax，而填充因子可表示為
max Im max
100% ax
oc sc oc sc
P V
FF =V I = V iI
i i i (2.2) (4) 轉換效率(conversion efficiency，η)
定義為太陽能電池的最大輸出功率(Pmax)與入射光功率(Pin)的比值，根
據(2.2)式可得到
max max Imax oc Isc
in in in
P V V FF
P P P
η= = i = i i (2.3)
因此只要知道Voc、Isc、 FF、η 以及入射光功率 Pin，即可換算出轉換 效率η。
圖(2-5) 光伏參數圖，I-V 曲線上任意點和原點所圍成之方 塊面積即為功率，而Pmax 則為曲線下可圍成之最大面積。
2.4 參考文獻
2 B. O’Regan and M Grätzel, Nature 1991, 353, 737–740.
3 M. Grätzel, Nature 2001, 414, 338–344.
4 M. Grätzel, J. Photochem. and Photobio. A:Chem. 2004, 164, 3–14.
5 A. Hagfeldt and M. Grätzel, Chem. Rev. 1995, 95, 49–68.
6 K. Kalyanasundaram and M. Grätzel, Coord. Chem. Rev. 1998, 177, 347–414.
7 M. Grätzel, Current Opinion in Colloid and Interface Science
1999, 4, 314–321.
8 Cahen et al., J.Phys.Chem. B 2000, 104, 2053–2059.
9 A. Fujishima et al., Sol. Energy Mater. Sol. Cells 2004, 81, 197–203.
10 物理雙月刊（二十七卷五期）, 2005 年 10 月
