最新研究讓染料敏化太陽能電池更加高效

時(shí)間:2018-04-26 11:01來源:中國科學(xué)報(bào) 作者:綜合報(bào)道
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  想象一下永遠(yuǎn)不必再為你的手機(jī)、電子閱讀器或者平板電腦充電。研究人員報(bào)告稱,他們研制的太陽能電池可利用存在于建筑物內(nèi)部和陰天室外的低強(qiáng)度漫射光發(fā)電,并且工作效率創(chuàng)下紀(jì)錄。這些電池有一天或能催生不用插上電源便能持續(xù)為一些小配件充電的設(shè)備外殼。
 
  漫射光太陽能電池并非新生事物,但最好的電池依賴于昂貴的半導(dǎo)體。1991年,瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院化學(xué)家Michael Graetzel發(fā)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(xiàn)最好,并且比標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)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(zhuǎn)化成電力,而標(biāo)準(zhǔn)太陽能電池可達(dá)到24%左右。這主要是因?yàn)槟芰縼淼锰,以至于DSSC處理不過來。當(dāng)能量以較慢的速度到來時(shí),比如在低強(qiáng)度室內(nèi)光線下,Graetzel的DSSC可將其吸收的28%的光能轉(zhuǎn)化成電力。
 
  DSSC仍擁有兩個(gè)收集負(fù)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(dǎo)體,而不僅僅是硅。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涂上可作為超強(qiáng)光吸收劑的有機(jī)染料分子。被吸收的光子激發(fā)了這些染料分子上的電子和空穴,就像在硅中一樣。染料立即將被激發(fā)的電子“移交給”TiO2顆粒,而電子會(huì)沿著它們快速移動(dòng)到正極。與此同時(shí),空穴被傾倒進(jìn)一種名為電解液的導(dǎo)電液體中。在那里,它們不斷滲透并進(jìn)入帶負(fù)電荷的電極。
 
  DSSC的問題在于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(fā)的電子最終撞入空穴,它們便會(huì)合并,產(chǎn)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(yuǎn),便能到達(dá)目的地。不過,這些薄層中的任何缺陷都會(huì)導(dǎo)致設(shè)備遭到致命打擊,并且破壞掉整個(gè)太陽能電池。現(xiàn)在,Graetzel和同事提出了一種可能的解決方案。他們?cè)O(shè)計(jì)了一種染料和空穴導(dǎo)電分子的組合物。它能使自己緊緊包裹在TiO2顆粒周圍,從而創(chuàng)建沒有任何缺陷的緊身層。這意味著緩慢移動(dòng)的空穴在到達(dá)負(fù)極前穿行的距離變小。研究人員在《焦耳》雜志上報(bào)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。
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