最新研究讓染料敏化太陽能電池更加高效. 圖片來源: ROLAND HERZOG, EPFL
想象一下永遠不必再為你的手機, 電子閱讀器或者平板電腦充電. 研究人員報告稱, 他們研製的太陽能電池可利用存在於建築物內部和陰天室外的低強度漫射光發電, 並且工作效率創下紀錄. 這些電池有一天或能催生不用插上電源便能持續為一些小配件充電的設備外殼.
漫射光太陽能電池並非新生事物, 但最好的電池依賴於昂貴的半導體. 1991年, 瑞士聯邦理工學院化學家Michael Graetzel發明了所謂的染料敏化太陽能電池(DSSC). 其在暗淡的光線下表現最好, 並且比標準的半導體組件更便宜. 然而, 在陽光充足的條件下, 最好的DSSC僅能將太陽光中14%的能量轉化成電力, 而標準太陽能電池可達到24%左右. 這主要是因為能量來得太快, 以至於DSSC處理不過來. 當能量以較慢的速度到來時, 比如在低強度室內光線下, Graetzel的DSSC可將其吸收的28%的光能轉化成電力.
DSSC仍擁有兩個收集負電荷和正電荷的電極. 但在中間, 它們擁有一種通常是二氧化鈦(TiO2)顆粒集合體的不同電子導體, 而不僅僅是矽. 不過, TiO2是一種很弱的光吸收劑. 為此, 研究人員在這些顆粒表面塗上可作為超強光吸收劑的有機染料分子. 被吸收的光子激發了這些染料分子上的電子和空穴, 就像在矽中一樣. 染料立即將被激發的電子 '移交給' TiO2顆粒, 而電子會沿著它們快速移動到正極. 與此同時, 空穴被傾倒進一種名為電解液的導電液體中. 在那裡, 它們不斷滲透並進入帶負電荷的電極.
DSSC的問題在於空穴無法非常迅速地穿過電解液. 因此, 它們常常在染料和TiO2顆粒附近堆積. 如果被激發的電子最終撞入空穴, 它們便會合并, 產生熱量而非電力.
為解決這一問題, 研究人員嘗試讓電解液變薄, 從而使空穴無須穿行很遠, 便能到達目的地. 不過, 這些薄層中的任何缺陷都會導致設備遭到致命打擊, 並且破壞掉整個太陽能電池. 現在, Graetzel和同事提出了一種可能的解決方案. 他們設計了一種染料和空穴導電分子的組合物. 它能使自己緊緊包裹在TiO2顆粒周圍, 從而建立沒有任何缺陷的緊身層. 這意味著緩慢移動的空穴在到達負極前穿行的距離變小. 研究人員在《焦耳》雜誌上報告稱, 緊身層將DSSC的漫射光效率提高到32%——接近理論上的最大值.
