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綠色合成化學與太陽能電池之跨領域結合
發佈日期:2018/01/05
資料來源:國立中央大學 化學與材料工程學系
內容:

國立中央大學 化學與材料工程學系 劉青原 副教授

壹、太陽能發電將成為再生能源主流

       隨著科技與人類生活越來越進步,我們對於能源的仰賴也就與日俱增。民眾目前過度依賴石化燃料,但石油終將消耗殆盡且過多的溫室氣體(例如二氧化碳)排放將造成無法挽回的各類汙染,而核能發電也存在著輻射安全疑慮的問題;因此,尋找相對綠色環保的再生能源是目前重要的課題之一。永續再生能源包括了太陽能、風能、生質能、水力、地熱、潮汐能等等,其中太陽能發電是最具發展潛能的再生能源之一。

       近十年來,以有機小分子或高分子為主的太陽能電池吸引了眾多科學家的目光,並投入了大量的人力與經費在此領域上。有機分子相較於傳統的矽晶圓太陽能元件具有眾多的優點:例如,較低廉的製造成本、靈活的分子設計、利用化學合成可輕易地做官能基轉換等等。其中,染料敏化太陽能電池(Dye-Sensitized Solar Cells, DSSCs)是第三代太陽能電池中最具發展潛力的技術之一。1991年,瑞士知名的科學家Grätzel的研究團隊利用具有透光性的多孔性TiO2工作電極 / 釕金屬錯合物N3染料 / 電解液(I-/I3-溶液) / 鍍上鈀金屬(Platinum, Pt)的導電玻璃組成如以上所示的染料敏化太陽能電池元件,得到相當不錯的光電轉換效率(7.1~7.9%)[1] 之後許多相關領域科學家投入研究,目前,DSSCs的光電轉換效率已突破12%

 

貳、以合成化學家的觀點切入有機太陽能電池領域

       碳氫鍵活化反應在有機合成化學領域相當熱門,論文發表數量眾多,但將此高效率省步驟的合成策略應用在有機太陽能電池領域卻相當罕見。反過來說,有機太陽能電池在能源材料領域的地位及重要性與日俱增,但是製備相關有機分子的合成方法卻總是依賴步驟繁鎖的傳統交叉耦合反應,這些反應通常會需要接觸或處理毒性較高的有機錫化合物。

       目前已有研究團隊提出其新研究成果,係以跨領域結合上述兩大重點研究方向,這項創舉是將高效率且相對環保的碳氫鍵活化/芳香環化反應,應用在合成染料敏化太陽能電池(DSSCs)所需的有機小分子,把傳統上至少需要六個合成步驟的方法,大幅地縮減為兩個步驟(反應式一),而且避開使用昂貴的有機硼或是具有毒性的有機錫試劑,對於使用者與環境是相當友善的。此新方法所合成之化合物產率最高可達優良以上(>85%),應用端的太陽能電池元件效能也展現了此步驟經濟合成策略在能源材料領域的實用性,染敏電池(DSSCs)的光電轉換效率達6%以上。有專家認為將綠色合成化學概念跨領域連結到有機能源材料領域,兼具學術與產業應用價值,應該是未來研究發展重要的趨勢之一。[2]-[5]

反應式一 傳統六步驟合成法 v.s. 綠色環保兩步驟合成法

 

參、綠色化學與太陽能電池界未來之星(鈣鈦礦太陽能電池)

       除了染料敏化太陽能電池(DSSCs)之外,以鈣鈦礦為主的太陽能電池(Perovskite Solar Cells, PSCs)近年來受到科學家相當多的矚目,因為其光電轉換效率已可達20%以上。[6] 其中,該元件的電洞傳輸層主要在於幫助電洞遷移以及防止電子與電洞未經過外部電路傳輸並產生電流前,即發生再結合的現象,因此設計與合成新型的有機小分子電洞傳輸材料為當今重要的研究方向。

       而前段提到的創新作法,亦是同樣以綠色合成化學的概念出發,融入原子與步驟經濟的合成概念,進行分子設計並開發出有別於傳統的新合成途徑,目前的成果也已達成可有效地減少合成步驟與化學廢棄物產生的目的。同時,以此類有機小分子做為電洞傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池其光電轉換效率已可達17%以上(反應式二)[7]

反應式二 傳統六步驟合成法 v.s. 綠色環保兩步驟合成法

       目前國內學術界已經有這類的綠色合成技術,也有相當高意願與產業界合作,對於配合政府正在發展太陽能發電的廠商相信會更有吸引力,同時,推廣此類相對環保的合成技術也能提高民眾對綠色能源的接受度。

 

參考文獻:

[1] B. O'regan, M. Grätzel, Nature 1991, 353, 737740

[2] P.-H. Lin, T.-J. Lu, D.-J. Cai, K.-M. Lee, and C.-Y. Liu* ChemSusChem 2015, 8, 32223227.

[3] P.-H. Lin, K.-T. Liu, and C.-Y. Liu* Chem. Eur. J. 2015, 21, 87548757.

[4] Huang, P.-H. Lin, W.-M. Li, K.-M. Lee, and C.-Y. Liu* ChemSusChem 2017, 10, 22842290.

[5] Y.-S. Ciou, P.-H. Lin, W.-M. Li, K.-M. Lee, and C.-Y. Liu* J. Org. Chem. 2017, 82, 35383551.

[6] W. S. Yang, J. H. Noh, N. J. Jeon, Y. C. Kim, S. Ryu, J. Seo, S. I. Seok, Science 2015, 348, 6240.

[7] C.-Y. Liu* et al. 2018, submitted.

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