染料敏化太陽能電池技術於3C的應用

工研院童永樑博士。

隨著全球石化資源的日益枯竭及CO2導致的溫室效應，綠色替代能源的研發已成為必要的發展趨勢。尤其以太陽能電池發展與應用最被矚目。為扶植我國太陽光電產業成為下一波的明星產業，工研院於2006年成立太陽光電科技中心，募集優秀頂尖之研發團隊，並結合產學研團隊與國際合作，開發各種嶄新且自主的太陽光電技術。在本次之DTF 3C產品節能技術與低功耗設計論壇中，由工研院太電中心童永樑博士，主講「染料敏化太陽能電池(Dye-Sensitized Solar Cell；DSSC)」技術，以及目前業界的相關產業鏈、專利分析與3C產品的應用。

太陽能電池的發展，從第一代單晶矽PN半導體形式，到第二代非晶矽、砷化鎵(GaAs)等其他半導體材料，以薄膜化或多接面串接來提升轉換效率，逐漸進化到強調低成本、製程設備與原料取得容易，且可彎撓的第三代太陽能電池，而其中以「染料敏化太陽能電池」(DSSC)發展最被看好。1991年第一個能源轉換率8%的DSSC染料敏化太陽電池由Graetzel於Nature期刊上發表，其結構上大致是由兩片ITO或FTO導電玻璃層內，以奈米尺寸的TiO2二氧化鈦顆粒，塗佈特製染料分子與KI3電解質所組成。

雖然DSSC電池量產品轉換效率(5？11%)，尚不能與已發展數十年的量產單晶矽薄膜電池與結晶矽電池動輒10~24%相比，但其選用原料成本低廉且較為無毒，加上可運用印刷技術的簡單製程設備，每單位瓦特製造成本僅比矽晶型太陽電池的5~10%，同時DSSC轉換效率不受日照角度影響，轉換效率隨溫度上升而增加，有比較佳的累積發電量。矽晶太陽能電池受限於環境溫度拉高時轉換效率會降低，一般適合安裝在較高緯度(天氣較冷)地區；而染料敏化太陽能電池則是不受溫度與日照角度影響，因此在日照充足、氣溫炎熱地區如台灣，競爭力也會優於矽晶太陽能電池。

特別是DSSC產品具備可撓性與可透光性，能搭配不同顏料呈現不同顏色外觀，以及憑室內光源也能發電的特性，適合於需要大量空調與照明電力負載的現代化玻璃帷幕大樓，同時作為遮陽、絕熱及發電利用，達到建築物節能與再生電能的雙重能源效益，因此DSSC染料敏化電池極可能成為下一世代廣泛應用的太陽能技術，其應用市場可說相當廣泛。

2009年開始，如日本寫真印刷、Sharp、Panasonic、Sony、Samsung、TDK、Fujikura、Peccell、Solaronix等大廠均積極佈局。而從上游到下游，無論是TCO導電鍍膜玻璃，TiO2二氧化鈦、印刷技術、染料與電解液，以及產品的封裝技術，國內都有自給自足的製作技術，目前正是國內廠商趁早卡位佈局的時機。

若要做可攜帶的太陽能電池的3C裝置，動輒至少幾十到幾百平方公分面積的光電板模組設計，形成了可攜體積上的限制。但常在3C產品能見到的鋰電池，受限於能源儲存密度理論極限3,000mAh來看，下世代可攜式能源，也許可從太陽能電池免費充電，搭配鋰電池的儲存密度兩相配合來達成。

目前像英國G24發明可攜式可捲曲的太陽能充電塑膠墊，轉換效率僅2.5%，但可以充手機電源，整組售價20美元。在日本2009年Eco Products Fair環保產品展覽會上，也有不少大約如3.2吋螢幕的智慧型手機大小的太陽能充電器，可以憑藉日光或室內光源，來對較小型的3C裝置如Mp3隨身聽充電。但受限於目前太陽能電池轉換效率仍太低、製造成本與發電成本仍然偏高的情況下，產品的附加成本與售價能不能為消費者所接受，是一項嚴肅的課題。