最新研究讓染料敏化太陽(yáng)能電池更加高效
時(shí)間:2018-04-26 11:01來(lái)源:中國(guó)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(chēng)，他們研制的太陽(yáng)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(yáng)能電池并非新生事物，但最好的電池依賴(lài)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(yáng)能電池（DSSC）。其在暗淡的光線(xiàn)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(yáng)光充足的條件下，最好的DSSC僅能將太陽(yáng)光中14%的能量轉(zhuǎn)化成電力，而標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)能電池可達(dá)到24%左右。這主要是因?yàn)槟芰縼?lái)得太快，以至于DSSC處理不過(guò)來(lái)。當(dāng)能量以較慢的速度到來(lái)時(shí)，比如在低強(qiáng)度室內(nèi)光線(xiàn)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(guò)，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(wèn)題在于空穴無(wú)法非常迅速地穿過(guò)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(wèn)題，研究人員嘗試讓電解液變薄，從而使空穴無(wú)須穿行很遠(yuǎn)，便能到達(dá)目的地。不過(guò)，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(yáng)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?chē)瑥亩鴦?chuàng)建沒(méi)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(chēng)，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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