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成大DSSC產學技術聯盟 打造染料敏化太陽能電池產業生態圈
出刊日期：第98期 2016-07-31作者：成大研究總中心
成大DSSC產學技術聯盟 打造染料敏化太陽能電池產業生態圈 
NO 20(2016-3) 作者:郭靜蓉
隨著工業文明的迅速發展，現今世界對能源的需求量逐年大增，然而，由於人類過度的開發，使得地球能源儲存量日益減少，進而引發能源危機，在此情況下，開發高效率且低汙染的替代能源，已成為當務之急。
而在多種替代能源中，太陽能發電普遍被認為是較具發展潛力和應用價值的再生能源之一，主要原因是：太陽具有源源不絕的能量。如何將太陽能有效率的轉換為電能，已成為人類解決能源危機和環境污染的重要途徑和希望。
太陽能電池的三個世代演進
一般說來，法國物理學家Edmund Becquerel博士在1839年發現光伏特效應後，太陽能的發展歷史於焉展開，截至目前為止，太陽能電池大致可分成三個世代。
第一代是矽晶圓太陽能電池。種類包括有單晶矽、多晶矽、非晶矽等。矽晶圓太陽能電池的發明起源自1954年，由 D. M. Chapin、C. S. Fuller與G. L. Pearson在美國紐澤西貝爾實驗室，利用矽晶體材料發明單晶矽太陽能電池，第一代的太陽能電池因而誕生。
事實上，單晶矽太陽能電池的製造原理與過程和半導體產業相當接近，在技術上已相當成熟，市場滲透也十分快速，不過，矽晶圓本身具有較脆弱的特性，加上製程難度較高，消耗的能源及勞動力也較密集，所以整體生產資本也較高。
第二代是薄膜型太陽能電池。種類包括有多晶矽、非晶矽、碲化鎘(CdTe)、銅銦硒化物(CIS)、銅銦鎵硒化物(CIGS)、砷化鎵(GaAs)等。其是在1976年時，由PCA公司研究員D.E.Carlson和C.R.Wronski兩位博士，共同製造出非晶矽薄膜型太陽能電池元件。
第二代太陽能電池的技術通常是在玻璃或柔性基板上，藉由沉積一層光敏材料及金屬箔，通常使用非晶矽、碲化鎘或銅銦鎵硒化物做為半導體，使其在製造上減少損壞性，但效率仍低於第一代太陽能電池，且在製程上會有毒物殘留的問題。
第三代則是有機型太陽能電池。種類包括染料敏化太陽能電池(Dye-sensitized Solar Cells；DSSC)、有機太陽能電池(Organic Photovoltaic；OPV)以及量子點太陽能電池等。
第三代太陽能電池中的染料敏化太陽能電池是1970年時，由日本H. Tsubomura與M. Matsumura首先發表利用多孔性氧化鋅(ZnO)當作電極的研究；
1991年再由瑞士Brian O Regan、Michael Gratzel 等教授，提出具採奈米結構電極材料及適切的染料(N3-Dye)發展而成染料敏化太陽能電池，後續Michael Gratzel的多項改良研究成果也帶動DSSC的發展，使其轉換效率提升、壽命更加延長。
DSSC具獨特優勢，市場潛力可期
近年來，在節能減碳議題發酵下，台灣的光電產量已在全球光電產業中佔有一席之地，新世代的太陽能電池包含染料敏化太陽能電池及有機太陽能電池等，相較以往的矽晶圓及薄膜太陽能電池，具有低成本、可撓性、低照度發電、可透視性及環保等優勢。
事實上，染料敏化太陽能電池的特點是微弱光源也可發電，亦即室內光源即可發電，另外，染料敏化太陽能電池具有透明與多彩性等特點，尤其是製程相當簡單，不必投入昂貴的設備以及無塵室廠房等設施，加上材料價格便宜，生產成本低廉，因此極具市場競爭力。不過，目前染料敏化太陽能電池的光電轉換效率僅有12.3%，效能較低，為其缺點。雖然染料敏化太陽能電池轉換效率不高，但由於其不受日照角度影響的特性，加上吸收光線的時間長，在相同時間的發電量可優於矽晶圓太陽能電池，因此在日照充足、氣溫炎熱的地區，競爭力有機會更勝矽晶圓太陽能電池。
成大建立核心實驗室 籌組產學聯盟
由於染料敏化太陽能電池發展潛力十足，很早就投入研究的成功大學被譽為國內研究領域先驅，由化工系教授楊毓民、特聘教授李玉郎以及光電科學與工程學系副教授陳昭宇等人組成研究團隊，並建置染料敏化太陽能電池核心實驗室，備有30餘項高科技製程設備及10餘項專用檢測儀器，成為學術研究成果商品化及產學合作交流的有效平台。
楊毓民教授說：「染料敏化太陽能電池核心實驗室，是2011年由健鼎科技捐贈3,000萬元購置DSSC相關儀器設備開始的，整體實驗室的架構理念，始於從原料進來到最後的元件產出，可以一貫作業完成，採用的正是業界重視的一條龍作業程序概念。」
換句話說，也就是該核心實驗室，可被視為是試驗工廠(Pilot Plant)，具有小規模試量產能力，除了可將學術研究成果商品化之外，同時也可以視為產學合作的縮影。
但是，光有硬體設備是不夠的，為了要串聯產業鏈，楊毓民、李玉郎以及陳昭宇等成大研究團隊，共同籌組染料敏化太陽能電池產學聯盟，在經過多番奔波後，目前已有昶瀚應用材料、台灣永光化學、廣集企業、光焱科技、永豐餘投資控股公司以及台灣染敏光電等廠商參與。當這些上、中、下游廠商有需求時，可利用染料敏化太陽能電池核心實驗室進行相關試驗，業者無需自行耗費大筆金額投資建置。楊毓民笑著說：「我們就是運用喝牛奶不必養一頭牛的概念，來建立核心實驗室的。」
台灣有化工原料產業背景優勢 適合發展DSSC產業
除此之外，染料敏化太陽能電池核心實驗室與成大研究團隊，也肩負著重責大任，楊毓民說：「我們希望可以扮演整合產學資源以及協助建立台灣DSSC產業的角色。」
為什麼台灣適合發展DSSC產業？陳昭宇說：「台灣有些傳統產業像是紡織或者是化工原料產業，亦或者是PCB、TFT-LCD等高科技產業的製程與染料敏化太陽能電池製程相近，部分設備亦可共用，所以台灣是很適合發展DSSC產業的。」
除了製程與設備可相互支援外，染料敏化太陽能電池所需要的染料、電解液以及二氧化碳等原料，台灣也可充足供應；另外，值得一提的是，染料敏化太陽能電池，可使用質輕可撓的電極基材，採用全印刷製程，可進行捲軸式(Roll to Roll)的大量生產。台灣以製造見長，相當適合投入。
陳昭宇指出：「染料敏化太陽能電池從上游至下游的生產製程、相關原料以及技術等面向，台灣均可自給自足，我們具有可發展DSSC產業的利基是無庸置疑的。」
「由於台灣在染料敏化太陽能電池的原物料供應與整體產業鏈的生產上，佔有先機與優勢，因此一旦這個產業發展起來，可望帶動台灣在太陽能產業的創新，進一步在世界舞台上發光發熱，這也是我們為什麼要積極推動染料敏化太陽能電池產學聯盟與建立核心實驗室的原因。」李玉郎進一步補充。
縱使台灣在染料敏化太陽能電池的上游製造可望佔有一席之地，但其中比較令人沮喪的是，截至目前為止，染料敏化太陽能電池在下游的應用部分，仍是相當缺乏。「由於系統端多掌握在歐美廠商身上，但相關應用發展較為遲緩，不過，我們認為染料敏化太陽能電池未來在穿戴式裝置、物聯網以及電子標籤上，將會具有相當大的發展潛力。」陳昭宇說。
萬事俱備 欠「終端應用」東風
事實上，染料敏化太陽能電池可應用的範圍相當廣泛，由於其擁有半透明特性，可在低照度下發電，顏色又多樣，因此相當適合作為建築窗材、玻璃帷幕大樓使用，加上具有遮陽、絕熱及發電利用的功能，更可達到建築物節能的效益。
陳昭宇說：「染料敏化太陽能電池可以接收室內燈光而產生電，加上外觀也比一般太陽能電池色彩繽紛，現在歐洲有些建築物已經開始採用染料敏化太陽能電池作為玻璃視窗，可搭配環境做各種不同的設計，並與建築物整合在一起，兼具環保與創意的雙重功能。」
除了應用在建築物之外，染料敏化太陽能電池較被看好的應用是在3C產品電池的輔助商品上，例如：電子計算機、手錶、電子字典、手機等用電量較小的產品。而染料敏化太陽能電池首次的商業運用，是瑞士商羅技（Logitech）針對蘋果（Apple Inc.）iPad平板電腦推出的Solar Keyboard Folio太陽能鍵盤折疊保護組。這個裝置底部安裝了太陽能板，可以協助無線鍵盤進行充電，透過自然光或是室內光即可直接充電，在每天使用2小時的情況下，充滿電能連續使用2年。
除此之外，業界也看好染料敏化太陽能電池與手機產業結合的商機，或者是做成可摺疊的外接式裝置，有趣的是，染料敏化太陽能電池亦可結合紡織品，採用衣物塗佈的方式，作為隨身發電使用。值得一提的是，近來業界傳聞，蘋果為改善移動裝置電池的續航力，可能採用染料敏化太陽能電池，未來可能應用在iWatch及iPhone7上。若是蘋果真在新產品上採用染料敏化太陽能電池，未來可望吸引其他廠商跟進，進一步引爆該產業迅速發展，台灣也有望卡位第三代太陽能電池商機。
縱使看好染料敏化太陽能電池產業前景，但李玉郎指出，「要催生一個產業並不容易，尤其在商品化的過程中，為符合國際產業技術標準和要求，相關檢測標準的制定也非常重要，因此，成大除了成立產學聯盟、建置核心實驗室外，也著手制定DSSC產業技術標準，並已在2014年11月通過SEMI的認可，成為全球第一個染料敏化太陽能電池的標準。」
染料敏化太陽能電池產業要成熟，或許還需要合適的時間點，目前最欠缺的還是終端應用這個「東風」。無論這個產業未來是否能夠茁壯發展，成大這個研究團隊，始終為提供世界更清潔、更環保的永續能源利用技術，而在背後持續努力著。
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圖說：
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圖說：
成大化工系楊毓民特聘教授（右起）、李玉郎特聘教授及光電科學與工程學系副教授陳昭宇等人，組成染料敏化太陽能電池研究團隊。
染料敏化太陽能電池團隊成員正在進行實驗。
大小不一、五彩繽紛的染料敏化太陽能電池，未來可望結合布料與電子產品打入民眾生活。
染料敏化太陽能電池透過光照(太陽光或室內照明)，即可轉換成為電能。
染料敏化太陽能電池產學技術聯盟之產業會員，包含台灣染敏光電與台灣永光化學等知名企業均投入此一領域。
染料敏化太陽能電池團隊成員正在進行實驗。
大小不一、五彩繽紛的染料敏化太陽能電池，未來可望結合布料與電子產品打入民眾生活。
染料敏化太陽能電池透過光照(太陽光或室內照明)，即可轉換成為電能。
染料敏化太陽能電池產學技術聯盟之產業會員，包含台灣染敏光電與台灣永光化學等知名企業均投入此一領域。