廉價染料敏化太陽能電池走向商用

易於製備的太陽能電池採用染料捕捉光線，已經獲得一系列令人印象深刻的科學獎項，包括「2010年千年技術獎」（Millennium Technology Prize in 2010）。然而，它們沒有什麼商業影響，它們是1988年發明的。

　　西北大學（Northwestern University）的研究人員上周報導了一項新的設計，可以改變這種狀況，製成的設備可消除染料敏化太陽能電池固有的缺陷：就是容易發生洩漏，還有腐蝕性的液體電解質。

上圖：左邊的彩色窗戶是在韓國首爾政府大樓，這種窗戶可以發電，使用的技術來自澳大利亞染料型太陽能開發商戴索爾公司。

　　不同於薄膜和矽板，染料太陽能電池板的製備，可以採用廉價的卷對卷工藝，類似於印刷。因此，即使它們的效率低於矽太陽能電池，它們也確實具有成本效益。

　　西北大學的這項開發是最新的，有一連串的進展，史丹福大學（Stanford University）先進分子光伏中心（Center for Advanced Molecular Photovoltaics）主任麥可??麥格西（Michael McGehee）最近稱為「復興中」的染料敏化電池。在這一領域，這些最新進展最終可以把高雅的科學奇想轉化為實用的發電設備。

　　在染料敏化太陽能電池中，入射光激活一層多孔的二氧化鈦（titania），這層二氧化鈦塗有染料，會產生正負電荷。負電荷就是激發的電子，會穿過二氧化鈦流出電池，而正電荷會流入液體電解質。對於充滿電解質的鹼性電池而言，滲漏是一個永遠存在的危險，尤其是因為太陽能電池板會處於極端氣候。電解質受熱到80°C（例如，在屋頂上），就會擴張，裂開電池板的密封。染料電池的碘電解液腐蝕性也很強，可以蝕穿抗鏽金屬，如鋁和不鏽鋼。

　　西北大學化學家梅爾庫麗克·卡納其迪斯（Mercouri Kanatzidis），材料科學家羅伯特·昌（Robert Chang），還有兩個研究生，他們取代了染料電池的液體電解質，採用固態碘基半導體。雖然以前的固態設計會降低染料電池的輸出功率，但是，西北大學的這種設計實際上會提高性能，研究人員說，因為銫錫碘（cesium-tin-iodine）半導體取代了液態電解質，也可吸收光線。「其實，我們的材料比染料本身可吸收更多的光，」卡納其迪斯說。

　　在上周《自然》的一篇報導中，西北大學研究小組聲稱，他們的電池可以把10.2％的入射光轉換為電力，遠遠超過7％的效率，就是現有的最佳固態染料電池的效率。肖恩·沙欣（Sean Shaheen）是美國丹佛大學（Denver University）有機太陽能電池專家，他說，西北大學太陽能電池的效率更接近8％，在標準測量條件下就是這樣。但是，沙欣說，這仍然是染料電池的一個重要進展。

　　卡納其迪斯說，有可能商業化推廣這種設計，只要電池效率可以推進到11％以上。這低於12％至16％的商用薄膜太陽能電池板效率，也遠低於矽板的效率。但是，製造染料電池的成本也應該較低。

　　澳大利亞太陽能開發商戴索爾公司（Dyesol）正在尋求利用低成本工藝，推廣傳統的染料太陽能技術，包括液態電解質。它的戰略是把染料基太陽能集成到建築材料中，如高樓玻璃板和鋼結構屋頂板。今年三月，戴索爾公司的韓國合資夥伴蒂莫技術公司（Timo Technology），在首爾的一幢大樓上安裝了玻璃面板。而戴索爾公司正在聯合印度塔塔鋼鐵公司（Tata Steel）開發有染料太陽能電池塗層的鋼結構屋頂。

　　戴米恩·米利肯（Damion Milliken）是戴索爾公司的研究和開發經理，他堅持認為，可以包含液體電解質。「戴索爾公司和其他公司已生產出一些設備，具有優良的長期穩定性，已經過加速試驗，相當於25年的使用壽命，甚至更久，」米利肯說。「這項技術在商業上是可行的。」

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