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(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欤灾劣贒SSC處理不過來。當(dāng)能量以較慢的速度到來時，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，而電子會沿著它們快速移動到正極。與此同時，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導(dǎo)致設(shè)備遭到致命打擊，并且破壞掉整個太陽能電池。現(xiàn)在，Graetzel和同事提出了一種可能的解決方案。他們設(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。