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可再生能源和綠色能源是驅(qū)動(dòng)未來(lái)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的動(dòng)力。作為重要的可持續(xù)能源技術(shù)之一，太陽(yáng)能電池將成為主要能源以滿足全球?qū)δ茉吹男枨蟆Ｔ诟黝?lèi)太陽(yáng)能電池中，染料太陽(yáng)能電池以其較高的性價(jià)比而得到了廣泛應(yīng)用。

 

傳統(tǒng)的染料太陽(yáng)能電池利用納米顆粒和納米線來(lái)提高其光電轉(zhuǎn)換效率。然而這些都是基于二維的平面結(jié)構(gòu)，從而限制了此類(lèi)光電池效率的進(jìn)一步提高。美國(guó)佐治亞理工學(xué)院（Georgia Institute of Technology）王中林教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組研制開(kāi)發(fā)出納米和光纖技術(shù)相結(jié)合的三維染料太陽(yáng)能電池。其獨(dú)特的三維結(jié)構(gòu)大大提高了同類(lèi)太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。這一最新成果近期發(fā)表在德國(guó)《應(yīng)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(jié)構(gòu)和光纖技術(shù)結(jié)合在一起，利用納米結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了三維光電池的設(shè)計(jì)。光纖和納米線混合結(jié)構(gòu)的三維染料太陽(yáng)能電池主體結(jié)構(gòu)包括光纖和垂直生長(zhǎng)于光纖表面的氧化鋅納米線陣列（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(shè)計(jì)思想在于入射光在光纖內(nèi)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)氧化鋅納米線與其表面附著的染料相互作用。多次反射增加了入射光子與納米線表面的染料相互作用的次數(shù)，從而大大增加了對(duì)光線的吸收以及光電子的輸運(yùn)效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于同一個(gè)三維染料太陽(yáng)能電池，相對(duì)于光線照射在光纖側(cè)壁，光線延軸向傳播將太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)換效率提高了六倍。在一個(gè)太陽(yáng)（AM 1.5）光照下，基于氧化鋅納米線的三維染料太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到3.3%。這一效率比此前報(bào)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(yīng)用中具有以下突出特點(diǎn)。從物理學(xué)的角度來(lái)看，以納米線為基礎(chǔ)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(duì)太陽(yáng)光的吸收。增加納米線的長(zhǎng)度可以增大表面積，但納米線的長(zhǎng)度受到材料制備和電子擴(kuò)散長(zhǎng)度的限制。三維染料太陽(yáng)能電池的獨(dú)特結(jié)構(gòu)克服了上述困難：入射太陽(yáng)光在光纖內(nèi)多次反射，在不增加電子輸運(yùn)距離的情況下多次與納米線表面的染料相互作用，大大增加了對(duì)光線的吸收以及光電子的輸運(yùn)效率。在應(yīng)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(yuǎn)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(dá)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(shè)計(jì)，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(qiáng)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(shè)計(jì)使用光纖和有機(jī)、無(wú)機(jī)材料混合結(jié)構(gòu)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。

 

光纖和納米線混合結(jié)構(gòu)的三維染料太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)和基本工作原理示意圖。A)三維染料太陽(yáng)能電池包括光纖和垂直生長(zhǎng)于光纖表面的氧化鋅納米線陣列。圖中上半部為傳統(tǒng)光纖用于光線的遠(yuǎn)程傳輸，下半部為太陽(yáng)能電池用于光電轉(zhuǎn)換。B) 三維染料太陽(yáng)能電池的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)。