科學(xué)家研發(fā)出基于光纖的三維隱蔽型太陽(yáng)能電池

　　可再生能源和綠色能源是驅動(dòng)未來(lái)經(jīng)濟發(fā)展的動(dòng)力。作為重要的可持續能源技術(shù)之一，太陽(yáng)能電池將成為主要能源以滿(mǎn)足全球對能源的需求。在各類(lèi)太陽(yáng)能電池中，染料太陽(yáng)能電池以其較高的性?xún)r(jià)比而得到了廣泛應用。

　　傳統的染料太陽(yáng)能電池利用納米顆粒和納米線(xiàn)來(lái)提高其光電轉換效率。然而這些都是基于二維的平面結構，從而限制了此類(lèi)光電池效率的進(jìn)一步提高。美國佐治亞理工學(xué)院(Georgia Institute of Technology)王中林教授領(lǐng)導的研究小組研制開(kāi)發(fā)出納米和光纖技術(shù)相結合的三維染料太陽(yáng)能電池。其獨特的三維結構大大提高了同類(lèi)太陽(yáng)能電池的光電轉換效率。這一最新成果近期發(fā)表在德國《應用化學(xué)》(Angewandte Chemie) 上。

　　王中林教授，魏亞光博士和研究生本杰明•溫超布將太陽(yáng)能電池結構和光纖技術(shù)結合在一起，利用納米結構實(shí)現了三維光電池的設計。光纖和納米線(xiàn)混合結構的三維染料太陽(yáng)能電池主體結構包括光纖和垂直生長(cháng)于光纖表面的氧化鋅納米線(xiàn)陣列(如圖所示)。太陽(yáng)光從光纖一端延軸向入射并傳播。三維太陽(yáng)能電池的核心設計思想在于入射光在光纖內傳播過(guò)程中多次反射。每一次反射過(guò)程中，入射光會(huì )通過(guò)氧化鋅納米線(xiàn)與其表面附著(zhù)的染料相互作用。多次反射增加了入射光子與納米線(xiàn)表面的染料相互作用的次數，從而大大增加了對光線(xiàn)的吸收以及光電子的輸運效率。實(shí)驗結果表明，對于同一個(gè)三維染料太陽(yáng)能電池，相對于光線(xiàn)照射在光纖側壁，光線(xiàn)延軸向傳播將太陽(yáng)能電池的能量轉換效率提高了六倍。在一個(gè)太陽(yáng)(AM 1.5)光照下，基于氧化鋅納米線(xiàn)的三維染料太陽(yáng)能電池的光電轉換效率達到3.3%。這一效率比此前報道的同類(lèi)型二維染料太陽(yáng)能電池的最高效率高出 120%，比使用帶有二氧化鈦薄膜涂層的氧化鋅納米線(xiàn)的染料太陽(yáng)能電池效率高出47%。

　　新型的三維染料太陽(yáng)能電池在科研和實(shí)際應用中具有以下突出特點(diǎn)。從物理學(xué)的角度來(lái)看，以納米線(xiàn)為基礎的二維染料太陽(yáng)能電池的表面面積較小，從而限制了染料的加載和對太陽(yáng)光的吸收。增加納米線(xiàn)的長(cháng)度可以增大表面積，但納米線(xiàn)的長(cháng)度受到材料制備和電子擴散長(cháng)度的限制。三維染料太陽(yáng)能電池的獨特結構克服了上述困難：入射太陽(yáng)光在光纖內多次反射，在不增加電子輸運距離的情況下多次與納米線(xiàn)表面的染料相互作用，大大增加了對光線(xiàn)的吸收以及光電子的輸運效率。在應用上，三維染料太陽(yáng)能電池具有以下主要優(yōu)點(diǎn)：首先，光纖的使用使得太陽(yáng)能電池得以遠程工作和具有高移動(dòng)性。它可以工作在太陽(yáng)光無(wú)法到達的地層和海洋深處;其次，三維染料太陽(yáng)能電池可以有更小的尺寸，更高的效率，更大的流動(dòng)性，更可靠的設計，更靈活的形狀，并有可能降低生產(chǎn)成本;第三，三維染料太陽(yáng)能電池可以在不同的光強下有效工作，具有較高的動(dòng)態(tài)工作范圍。此研究成果為設計使用光纖和有機、無(wú)機材料混合結構的三維高效多功能太陽(yáng)能電池開(kāi)辟了嶄新方法和思路。