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漫射光太陽能電池 阴天也可发电

2018-06-05   |  来源:炜业通科技

讓我們想象一下以下場景:再也不用給手機、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發現了一種能利用建築物內部和陰天下的低強度漫射光進行發電太陽能電池,并且工作效率达到一定的值。这种太陽能電池或许在未来将解放充电设备,设备的外壳即可不断给设备充电,从而无需插入插座来充电。

漫射光太陽能電池并不是什么新东西,基本很依赖昂贵的半导体材料才能达到最好的效果。在1991年,瑞士洛桑联邦理工学院的化学家MichaelGraetzel就发明了所谓的染料敏化太陽能電池(DSSCs),这种电池能够在昏暗的光线下达到最好的工作效果,而且比标准的太陽能電池更便宜。在太阳光下,最好的DSSCs却只能将14%的太阳能转换为电能,而标准的太陽能電池的转换效率是24%。背后的主要原因是光能来的太快,DSSCs并不能及时转换。因此,当光能以一种缓慢的步伐照到它时,就比如低强度的室内光,DSSCs的转换效率能提高到28%。

DSSCs与标准的硅太陽能電池有点不同:标准的硅太陽能電池中,吸收的阳光将硅原子上的电子激发到更高能级,从而使得它们能够跳过相邻原子向正极移动。电子被正极收集并分流到电路中,使得电路可以工作。离开的电子在硅原子留下了空穴,空穴也是可以移动的,并且随着时间累积,空穴会流向负极,在负极处和外部电路中的电子重合,现在太陽能電池的硅原子电荷重新平衡,使其可以持续发电。

而DSSCs把發電這件事複雜化提高到另一個檔次。它兩端依然有收集正負電荷的電極,但是在中間,不再單純僅僅是矽,而是其他材料,典型的用料是二氧化钛(TiO2)顆粒。二氧化钛並不是好的光吸收材料,研究人員便嘗試在顆粒表面塗覆特殊的光吸收材料——有機染料分子。吸收的光子激發這些染料分子的電子和空穴,激發的電子立即轉移到二氧化钛顆粒上,再經由二氧化钛顆粒移動到正極。同時,這些空穴轉移到電解質(導電液體)中,並最後到達負極。

DSSCs存在的問題是空穴在電解質中移動速度慢,導致空穴往往堆積在染料和二氧化钛顆粒附近,一旦激發的電子一遇到空穴,它倆一碰上,産生的就是熱能而不是電能了。

为了解决这个问题,研究人员试过使用薄一点的电解质层,方便空穴以最近的距离到达目的地。但是,电解质薄层的任何一个缺陷都可能导致器件短路,随时一个致命一击就可以让整个太陽能電池崩溃。现在,Graetzel和他的同事们想出了另一个可能的解决方案,他们设计了一种染料和空穴传导分子的组合体,再紧密包裹在二氧化钛颗粒周围,从而形成没有任何缺陷、紧密贴合的层,这就解决了移动速度慢的空穴要走很长一段路才能去到负极这个问题。他们23日在Joule杂志上发表报告称,这种紧密层将DSSCs对漫射光的转换效率提高到32%——接近最高的理论值。

西北大學的化學家MichaelWasielewski說:“這真是一個很不錯的進步。”盡管這種新的染料敏化電池對太陽光直射的轉換效率僅爲13.1%,但他指出,由于對漫射光的轉換效率提高了近20%,因此給了人們種下了能找到新方法來提高在全陽光下轉換效率的希望。

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