奈米材料在太陽能電池的應用與發展—刁維光教授的化學演講
刁維光教授的演講介紹了關於太陽能電池的發展,特別是有關於奈米技術的應用。以下是其整理。
關於奈米:
1. 奈米有何特性?
奈米結構的大小約為1 ~ 100奈米,即介於分子和次微米之間。在如此小的尺度下,古典理論已不敷使用,量子效應(quantum effect)已成為不可忽視的因素,再加上表面積所佔的比例大增,物質會呈現迴異於巨觀尺度下的物理、化學和生物性質。
例子ㄧ: 投影片 2金的奈米粒子(nanoparticle)呈紅色,說明了其光學性質因尺度的不同而有所變化。
2.何謂奈米科技?
a.
優點:可透光、可撓曲、大面積;製程簡單、成本低廉;轉換效率隨溫度上升而增加;轉換效率對入射光角度影響小(日照時間長)。
b.
缺點:液態電解質容易滲漏故封裝較困難;敏化染料的壽命較短;大面積元件的轉換效率有待提昇。
2.DSSC效率之增進→以TiO2奈米管陣列(nanotube array)取代奈米粒子
– 電子電洞分流,傳輸效率佳
– 染料吸附於奈米管壁,穩定性較佳
– 電解液封裝於奈米管內,較不易滲漏
– 電解質的改良(膠態或固態)2.何謂奈米科技?
所謂的奈米科技便是運用我們對奈米系統的了解,將原子或分子設計組合成新的奈米結構,並以其為基本「建築磚塊」(building block),加以製作、組裝成新的材料、元件或系統。因此,在製程的觀念上,奈米科技屬於「由小作大」(bottom up),與半導體產業透過光罩、微影、蝕刻等「由大縮小」(top down)的製程相當不同。
3. 奈米材料的基本定義
a.
奈米材料專指奈米大小的材料。讓我們說得更仔細一些,任何材料的尺寸,三個維度之中,至少一個維度的長度是奈米級(也就是介於1-100nm之間),就稱之為奈米材料。
b.

4. 奈米材料的基本特徵
a.
關於染料敏化太陽能電池:
1.現有主流太能電池簡介
a.
矽晶太陽能電池(第一代)
這種太陽能電池屬於單晶太陽能電池效率高、性能穩定,目前市佔率有九成。但缺點有三大:製作成本高、經濟效益差;只吸收直射光、效能達極限;矽原料短缺。

b.
薄膜式太陽能電池(第二代)
這種太陽能電池面積較大而且可以撓曲。同時直射/散射光均有效,而且矽材依賴度低、製作成本較矽晶電池低。但是發電效率不如單晶矽電池。

2.染料敏化太陽能電池(DSSC)
a.
基本結構:

b.
工作電極(導電玻璃及其上的塗佈層的製作)相關製程科技簡述:
(1991 ~ 1998)開始有了所謂的Spin coating技術→(1998 ~ 2001)有了 Doctor blading塗佈技術→(2001 ~ 2008)有了Screen printing技術。
c.
結合奈米粒子的DSSC製程:

d.
元件開發


關於DSSC可改進之處:
1.Grätzel Cell(現行最熱門的DSSC技術,亦即結合了奈米粒子的DSSC)之特性3. 奈米材料的基本定義
a.
奈米材料專指奈米大小的材料。讓我們說得更仔細一些,任何材料的尺寸,三個維度之中,至少一個維度的長度是奈米級(也就是介於1-100nm之間),就稱之為奈米材料。
b.
奈米材料在結構上可以分為以下三種形式:顆粒狀(代表零維奈米材料,0D)。柱狀或線狀(代表一維奈米材料,1D)以及層狀(代表二維奈米材料,2D)。

4. 奈米材料的基本特徵
a.
奈米材料的小尺寸,造就了表面原子數激增(也就是說表面積對體積的比例增)與量子效應的出現兩個基本特徵。

相關數據統計:

我們用金和鈀為例,金與鈀的原子半徑分別為0.16nm及0.12nm。附表是估算所得的,在不同大小奈米粒子中的原子數和在表面上的原子所占的比率。從這個表中的數字可以看出,粒子越小,裡面的原子數越少,暴露在表面上的原子所占的比率就越高。當奈米粒子的粒徑小到1nm時,其中的原子,幾乎全部是暴露在粒子的表面上!
b.
量子化效應:當材料的尺寸由巨觀縮小至接近於數個原子或分子的大小時,其能量狀態的分布由連續轉變為量化的狀態,繼而明顯地影響奈米材料的許多性質。



相關數據統計:

我們用金和鈀為例,金與鈀的原子半徑分別為0.16nm及0.12nm。附表是估算所得的,在不同大小奈米粒子中的原子數和在表面上的原子所占的比率。從這個表中的數字可以看出,粒子越小,裡面的原子數越少,暴露在表面上的原子所占的比率就越高。當奈米粒子的粒徑小到1nm時,其中的原子,幾乎全部是暴露在粒子的表面上!
b.
量子化效應:當材料的尺寸由巨觀縮小至接近於數個原子或分子的大小時,其能量狀態的分布由連續轉變為量化的狀態,繼而明顯地影響奈米材料的許多性質。


關於染料敏化太陽能電池:
1.現有主流太能電池簡介
a.
矽晶太陽能電池(第一代)
這種太陽能電池屬於單晶太陽能電池效率高、性能穩定,目前市佔率有九成。但缺點有三大:製作成本高、經濟效益差;只吸收直射光、效能達極限;矽原料短缺。

b.
薄膜式太陽能電池(第二代)
這種太陽能電池面積較大而且可以撓曲。同時直射/散射光均有效,而且矽材依賴度低、製作成本較矽晶電池低。但是發電效率不如單晶矽電池。

2.染料敏化太陽能電池(DSSC)
a.
基本結構:
釕錯合物染料敏化層TiO2薄膜-電子傳輸層/陰陽極-導電玻璃(白金塗佈在陰極)/
․碘液電解質填充在陰陽極之間的空隙



b.
工作電極(導電玻璃及其上的塗佈層的製作)相關製程科技簡述:
(1991 ~ 1998)開始有了所謂的Spin coating技術→(1998 ~ 2001)有了 Doctor blading塗佈技術→(2001 ~ 2008)有了Screen printing技術。
c.
結合奈米粒子的DSSC製程:

d.
元件開發


關於DSSC可改進之處:
a.
優點:可透光、可撓曲、大面積;製程簡單、成本低廉;轉換效率隨溫度上升而增加;轉換效率對入射光角度影響小(日照時間長)。
b.
缺點:液態電解質容易滲漏故封裝較困難;敏化染料的壽命較短;大面積元件的轉換效率有待提昇。
2.DSSC效率之增進→以TiO2奈米管陣列(nanotube array)取代奈米粒子
– 電子電洞分流,傳輸效率佳
– 染料吸附於奈米管壁,穩定性較佳
– 電解液封裝於奈米管內,較不易滲漏
– 透明導電陰極的改進
– 發展替代染料取代 N3-系列染料
刁維光教授還在此次演講中介紹了許多儀器來量測DSSC的方法。最終的目標是:
– 瞭解光能電池中的最基本反應過程。
– 結合奈米科技與物理化學基本原理開發出具潛力的太陽能電池材料。
– 培養優秀的高科技跨領域研究人才。
以上是演講內容,整理者:許立。
[延伸閱讀](關於染料敏化太陽能電池的相關資料):
[1.]刁維光教授實驗室:
http://diau08.ac.nctu.edu.tw/
[2.]關於染料敏化太陽能電池的論文:
Grätzel, M. Inorg. Chem. 2005, 44, 6841-6851
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