漫射光太陽(yáng)能電池在弱光下也可不斷充電

研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種能利用建筑物內(nèi)部和陰天下的低強(qiáng)度漫射光進(jìn)行發(fā)電太陽(yáng)能電池，并且工作效率達(dá)到一定的值。

讓我們想象一下以下場(chǎng)景：再也不用給手機(jī)、kindle 或平板電腦充電，是不是很驚喜?最近，有研究人員稱他們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種能利用建筑物內(nèi)部和陰天下的低強(qiáng)度漫射光進(jìn)行發(fā)電太陽(yáng)能電池，并且工作效率達(dá)到一定的值。這種太陽(yáng)能電池或許在未來(lái)將解放充電設(shè)備，設(shè)備的外殼即可不斷給設(shè)備充電，從而無(wú)需插入插座來(lái)充電。

漫射光太陽(yáng)能電池并不是什么新東西，基本很依賴昂貴的半導(dǎo)體材料才能達(dá)到最好的效果。在 1991 年，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的化學(xué)家 Michael Graetzel 就發(fā)明了所謂的染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSCs)，這種電池能夠在昏暗的光線下達(dá)到最好的工作效果，而且比標(biāo)準(zhǔn)的太陽(yáng)能電池更便宜。在太陽(yáng)光下，最好的 DSSCs 卻只能將 14% 的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，而標(biāo)準(zhǔn)的太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率是 24%。背后的主要原因是光能來(lái)的太快，DSSCs 并不能及時(shí)轉(zhuǎn)換。因此，當(dāng)光能以一種緩慢的步伐照到它時(shí)，就比如低強(qiáng)度的室內(nèi)光，DSSCs 的轉(zhuǎn)換效率能提高到 28%。

DSSCs 與標(biāo)準(zhǔn)的硅太陽(yáng)能電池有點(diǎn)不同：標(biāo)準(zhǔn)的硅太陽(yáng)能電池中，吸收的陽(yáng)光將硅原子上的電子激發(fā)到更高能級(jí)，從而使得它們能夠跳過(guò)相鄰原子向正極移動(dòng)。電子被正極收集并分流到電路中，使得電路可以工作。離開(kāi)的電子在硅原子留下了空穴，空穴也是可以移動(dòng)的，并且隨著時(shí)間累積，空穴會(huì)流向負(fù)極，在負(fù)極處和外部電路中的電子重合，現(xiàn)在太陽(yáng)能電池的硅原子電荷重新平衡，使其可以持續(xù)發(fā)電。

圖 | 染料敏化太陽(yáng)能電池已經(jīng)在世界各地的建筑中捕獲能量。(ROLAND HERZOG, EPFL)

而 DSSCs 把發(fā)電這件事復(fù)雜化提高到另一個(gè)檔次。它兩端依然有收集正負(fù)電荷的電極，但是在中間，不再單純僅僅是硅，而是其他材料，典型的用料是二氧化鈦(TiO2)顆粒。二氧化鈦并不是好的光吸收材料，研究人員便嘗試在顆粒表面涂覆特殊的光吸收材料——有機(jī)染料分子。吸收的光子激發(fā)這些染料分子的電子和空穴，激發(fā)的電子立即轉(zhuǎn)移到二氧化鈦顆粒上，再經(jīng)由二氧化鈦顆粒移動(dòng)到正極。同時(shí)，這些空穴轉(zhuǎn)移到電解質(zhì) (導(dǎo)電液體) 中，并最后到達(dá)負(fù)極。

DSSCs 存在的問(wèn)題是空穴在電解質(zhì)中移動(dòng)速度慢，導(dǎo)致空穴往往堆積在染料和二氧化鈦顆粒附近，一旦激發(fā)的電子一遇到空穴，它倆一碰上，產(chǎn)生的就是熱能而不是電能了。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，研究人員試過(guò)使用薄一點(diǎn)的電解質(zhì)層，方便空穴以最近的距離到達(dá)目的地。但是，電解質(zhì)薄層的任何一個(gè)缺陷都可能導(dǎo)致器件短路，隨時(shí)一個(gè)致命一擊就可以讓整個(gè)太陽(yáng)能電池崩潰?，F(xiàn)在，Graetzel 和他的同事們想出了另一個(gè)可能的解決方案，他們?cè)O(shè)計(jì)了一種染料和空穴傳導(dǎo)分子的組合體，再緊密包裹在二氧化鈦顆粒周圍，從而形成沒(méi)有任何缺陷、緊密貼合的層，這就解決了移動(dòng)速度慢的空穴要走很長(zhǎng)一段路才能去到負(fù)極這個(gè)問(wèn)題。他們 23 日在 Joule 雜志上發(fā)表報(bào)告稱，這種緊密層將DSSCs對(duì)漫射光的轉(zhuǎn)換效率提高到32%——接近最高的理論值。

西北大學(xué)的化學(xué)家 Michael Wasielewski 說(shuō)：“這真是一個(gè)很不錯(cuò)的進(jìn)步。”盡管這種新的染料敏化電池對(duì)太陽(yáng)光直射的轉(zhuǎn)換效率僅為 13.1%，但他指出，由于對(duì)漫射光的轉(zhuǎn)換效率提高了近 20%，因此給了人們種下了能找到新方法來(lái)提高在全陽(yáng)光下轉(zhuǎn)換效率的希望。