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染料敏化太陽能電池研發解決方案

太陽能電池市場在 2015 年的全球成長規模超過 350 億美元,根據 Global Market Insights 所做的研究,2016 年到 2024 年,該市場的 CAGR (年均複合成長率) 將高於 12.0%。驅使太陽能行業發展的原因,在於環境永續發展、技術創新以及經濟成長的底線需求。染料敏化太陽能電池的需求出現強勁的成長趨勢,因為這類電池可以發展出品質媲美其他矽基電池的輕巧型產品。然而,染料敏化太陽能電池的光電轉換效率卻讓研發及品管面臨棘手的挑戰。Waters 另闢蹊徑,運用各式各樣尖端的分析解決方案與有效率的方法來解決這些難題。

  • 太陽能電池的類型
  • 染料敏化太陽能電池的機制
  • 染料敏化太陽能電池及釕錯合物所用染料的類型
  • 以 Xevo G2-XS QTof 分析釕錯合物的範例
  • 分析染料敏化太陽能電池染料的系統化解決方案

太陽能電池的類型

太陽能電池是一種運用半導體將光線直接轉換為電能的物理電池。視製造所用的材料而定,太陽能電池概分為四類:矽基太陽能電池、多晶矽太陽能電池、化合物型太陽能電池以及有機型太陽能電池。

  • 矽基太陽能電池包括單晶矽太陽能電池,價格昂貴,但能發揮優異的能量轉換效率,效能非常高。
  • 多晶矽太陽能電池的製造價格低於單晶矽類,也能發揮良好的能源轉換率。矽薄膜太陽能電池的能量轉換效率低於晶矽型太陽能電池,但優點是易於大量製造。
  • 化合物型太陽能電池包括節約資源的 CIGS 太陽能電池 (能源轉換效率近似多晶矽太陽能電池) 以及 CdTe 太陽能電池。有機太陽能電池包括有機半導體及染料敏化太陽能電池。染料敏化太陽能電池的相關研究發現鋁有許多優點,例如運用傳統連續壓印技術就能輕鬆製造、具有半柔韌性和半透明度,而且成本相對低於矽基太陽能電池,因此可用於開發講究設計品質的輕量化產品。

染料敏化太陽能電池的機制

染料敏化太陽能電池的基本機制如下:

  1. 電池中的染料受光線照射後會被激發,因而放射出電子。
  2. 電子經氧化鈦 (TiO2) 轉移到透明電極,然後流出電極外。
  3. 在相對電極中,電解液中的三碘離子 (I3) 獲得電子,被還原為碘離子 (I)。
  4. 染料失去電子後成為陽離子,從 I 得到電子後再恢復原始狀態。

TiO2 本身就能產生電力,但 TiO2 只吸收紫外線。加入能吸收可見光波長範圍內之光線的染料後,就能運用各種波長的光線產生電力,從而提升光電轉換效率。染料敏化太陽能電池的優點包括色彩和形式彈性較大、體積比矽基太陽能電池小,而且構造簡單,不需要複雜的大型製造設備也能製作,因此,低成本量產是可行的。不過,染料敏化太陽能電池的光電轉換率只能達到 10% 左右,大約是矽電池的一半,即使高級品也不例外。因此,人們目前無不積極開發更有效率的染料敏化太陽能電池。

染料敏化太陽能電池及釕錯合物所用染料的類型

人們針對多類含不同發色螯合物 (包括多吡啶錯合物、金屬紫質和金屬酞青素等過渡金屬) 的染料,以及各類不含任何金屬的予體/受體染料在染料敏化太陽能電池方面的運用進行了諸多研究。

光物理學及光致氧化還原反應等領域已針對多吡啶釕金屬複合物研究多年。多吡啶螯合物共軛系統的轉變更有利於引進適當的官能基,因此推動了高效率敏化劑的發展。

以 UPLC/Xevo G2-XS QTof 分析釕錯合物的範例

釕錯合物具有吸附特性,以及會與逆相層析法所用管柱填充物 (如 ODS) 中的矽醇基發生不可逆交互作用,因此不易被沖提,以至於層析圖中會出現寬峰。經由不純物分析估算合成產率時,峰分離效果不佳而漏看不純物峰,會造成合成產率估算結果不準確。Waters 推薦使用 UPLC 系統及運用雜化顆粒技術的 BEH 管柱分析釕錯合物,以利獲得優異的峰形。這樣的組合能夠在不漏看合成不純物的前提下估算合成產率。分離主成分之後,可得到更可靠的質量資訊,以利改善不純物的結構解析。如此一來即可瞭解合成過程中產生不純物的機制,也有助於開發出能夠減少不純物的製程工藝。以 PDA 偵測器進行的峰純度測試很容易就能運用於染料的原料檢驗,有助於讓染料品管作業穩定進行。

分析染料敏化太陽能電池染料的系統化解決方案

UPLC/Xevo G2-XS QTof (超高效液相層析儀/四極桿串聯飛行時間質譜儀)

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