本文介紹稀土元素、稀土元素之應用背景、太陽能電池背景及染料敏化太陽能電池、和以稀土發光材料提升染料敏化光電極性能。
稀土元素
於化學元素週期表中，稀土系列元素大致上可分爲「輕稀土元素」和「重稀土元素」。其中「輕稀土元素」指原子序數較小的鈧、釔、鑭、鈰、鐠、釹、鉕、釤、銪；「重稀土元素」則為原子序數比較大的釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、鎦。值得一提的是，稀土元素在地殼的含量並不稀少鉕除外，甚至比部分貴金屬元素金、銀、鉑等要豐富得多。其中鈰元素於地殼元素含量排行更高居第，其含量相近於眾所熟悉且廣為使用的銅、錫元素。然而稀土元素於地殼蘊藏較為分散，因此富集成礦區之處較為稀少，若能形成礦床，稀土元素大多以離子化合物形式存在礦物晶格中並被稱為稀土礦物。由於稀土元素最早是從瑞典生產的稀有似「土」狀礦物中發現，故而得名；實際上它們並非「土」，而是典型的金屬元素。稀土元素的金屬活潑性僅次於鹼金屬和鹼土金屬元素。由於稀土所具有的獨特的化學及物理性質，它們已經廣泛地應用於石油化工、冶金、軍事、電子、化學、鋼鐵、玻璃陶瓷、農業、新科技材料等領域，因此常被稱譽為「世間神奇之土」、「工業維他命」、「新材料之母」或「二十一世紀黃金」等名稱。本文中除了簡要介紹稀土元素在上述各領域的應用背景外，也將介紹其於新世代染料敏化太陽能電池dye-sensitized solar cellDSSCDSC DYSC之應用。
稀土元素應用背景
在冶金領域，使用稀土元素已有30~40多年的歷史。稀土元素及其氟化物或矽化物加入煉鋼程序中具有精煉作用與提升鋼的加工性能；添加至鎳、銅、鋅、鎂、鋁等有色合金中，可提高其合金於室溫及高溫下的機械性能。若同時結合稀土元素具有的優異光電磁等物理特性，將可大幅度提高其應用產品的品質和性能。因此相關產品常用於製造軍事用途的鋼材與合金以及高科技相關的領域(如：電子、雷射、核工業、超導等)。稀土元素在石油催化裂化過程可用來製成分子篩催化劑，具有高選擇性、高活性、抵抗重金屬毒化等優點，因而取代了傳統上常用的矽酸鋁催化劑。於氨的生產過程中，僅需使用少量硝酸化稀土作為催化劑，其處理量為使用傳統鎳鋁催化劑的1.5倍；複合稀土氧化物可以作為內燃機排氣淨化催化劑；環烷酸鈰則可用作油漆催乾劑等。稀土氧化物或經過加工處理的稀土精礦，可作為拋光粉廣泛用於光學玻璃、眼鏡片、顯像管、示波管、平板玻璃、塑膠及金屬餐具的拋光；在熔製玻璃過程中，可利用二氧化鈰對鐵有很強的氧化作用，降低玻璃中的鐵含量，來達到脫除玻璃中綠色的目的；添加稀土氧化物可以製得不同用途的光學玻璃和特種玻璃(如：能通過紅外線、吸收紫外線的玻璃、耐酸及耐熱的玻璃、防X-射線的玻璃等)；在陶釉和瓷釉中添加稀土，可以減輕釉的碎裂性，並能使製品呈現不同的顏色和光澤。部分研究還發現，稀土元素可以提高植物的葉綠素含量，增強光合作用，促進根系發育，增加根系對養分吸收。稀土元素還能促進種子萌發，提高種子發芽率，促進幼苗生長。此外還具有使某些作物增強抗病、抗寒和抗旱的能力。適當濃度稀土元素能促進植物對養分的吸收、轉化和利用。稀土釹鐵硼永磁材料，則被廣泛用於電子及航太工業和驅動風力發電機；稀土六硼化物可用於製作電子發射的陰極材料；鑭鎳金屬可作為貯氫材料；鉻酸鑭是高溫熱電材料；此外稀土元素也能以螢光粉、增感屏螢光粉、三基色螢光粉、複印燈粉等方式廣泛用於照明光源、投影電視、平板電腦等電子產品；在紡織工業中，稀土氯化物則廣泛應用於鞣製毛皮、皮毛染色、毛線染色及地毯染色等方面。稀土元素除了上述種種應用外，近年來在光電能源轉換的應用方面，以下介紹太陽能電池的背景與稀土元素在新世代染料敏化太陽能電池之應用。