弱光下工作的太陽能電池可能開創室內給設備充電先河

讓我們想像一下以下場景：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，並且工作效率達到一定的值。這種太陽能電池或許在未來將解放充電設備，設備的外殼即可不斷給設備充電，從而無需插入插座來充電。

漫射光太陽能電池並不是什麼新東西，基本很依賴昂貴的半導體材料才能達到最好的效果。在 1991 年，瑞士洛桑聯邦理工學院的化學家 Michael Graetzel 就發明了所謂的染料敏化太陽能電池（DSSCs），這種電池能夠在昏暗的光線下達到最好的工作效果，而且比標準的太陽能電池更便宜。在太陽光下，最好的 DSSCs 卻只能將 14% 的太陽能轉換為電能，而標準的太陽能電池的轉換效率是 24%。背後的主要原因是光能來的太快，DSSCs 並不能及時轉換。因此，當光能以一種緩慢的步伐照到它時，就比如低強度的室內光，DSSCs 的轉換效率能提高到 28%。

DSSCs 與標準的硅太陽能電池有點不同：標準的硅太陽能電池中，吸收的陽光將硅原子上的電子激發到更高能級，從而使得它們能夠跳過相鄰原子向正極移動。電子被正極收集並分流到電路中，使得電路可以工作。離開的電子在硅原子留下了空穴，空穴也是可以移動的，並且隨著時間累積，空穴會流向負極，在負極處和外部電路中的電子重合，現在太陽能電池的硅原子電荷重新平衡，使其可以持續發電。

圖 | 染料敏化太陽能電池已經在世界各地的建築中捕獲能量。（ROLAND HERZOG, EPFL）

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，不再單純僅僅是硅，而是其他材料，典型的用料是二氧化鈦（TiO2）顆粒。二氧化鈦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鈦顆粒上，再經由二氧化鈦顆粒移動到正極。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鈦顆粒附近，一旦激發的電子一遇到空穴，它倆一碰上，產生的就是熱能而不是電能了。

為了解決這個問題，研究人員試過使用薄一點的電解質層，方便空穴以最近的距離到達目的地。但是，電解質薄層的任何一個缺陷都可能導致器件短路，隨時一個致命一擊就可以讓整個太陽能電池崩潰。現在，Graetzel 和他的同事們想出了另一個可能的解決方案，他們設計了一種染料和空穴傳導分子的組合體，再緊密包裹在二氧化鈦顆粒周圍，從而形成沒有任何缺陷、緊密貼合的層，這就解決了移動速度慢的空穴要走很長一段路才能去到負極這個問題。他們 23 日在 Joule 雜誌上發表報告稱，這種緊密層將DSSCs對漫射光的轉換效率提高到32%——接近最高的理論值。

西北大學的化學家 Michael Wasielewski 說：「這真是一個很不錯的進步。」儘管這種新的染料敏化電池對太陽光直射的轉換效率僅為 13.1%，但他指出，由於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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