可再生能源和綠色能源是驅(qū)動(dòng)未來經(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，太陽能電池將成為重要能源以滿足全球?qū)δ茉吹男枨蟆Ｔ诟黝愄柲茈姵刂校玖咸柲茈姵匾云漭^高的性價(jià)比而得到了廣泛應(yīng)用。

傳統(tǒng)的染料太陽能電池利用納米顆粒和納米線來提高其光電轉(zhuǎn)換效率。然而這些都是基于二維的平面結(jié)構(gòu)，從而限制了此類光電池效率的進(jìn)一步提高。美國佐治亞理工學(xué)院(GeorgiaInstituteofTechnology)王中林教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組研制開發(fā)出納米和光纖技術(shù)相結(jié)合的三維染料太陽能電池。其獨(dú)特的三維結(jié)構(gòu)大大提高了同類太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。這一最新成果近期發(fā)表在德國《應(yīng)用化學(xué)》(AngewandteChemie)上。

王中林教授，魏亞光博士和研究生本杰明•溫超布將太陽能電池結(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)的三維染料太陽能電池主體結(jié)構(gòu)包括光纖和垂直生長于光纖表面的氧化鋅納米線陣列(如圖所示)。太陽光從光纖一端延軸向入射并傳播。三維太陽能電池的核心設(shè)計(jì)思想在于入射光在光纖內(nèi)傳播過程中多次反射。每一次反射過程中，入射光會(huì)通過氧化鋅納米線與其表面附著的染料相互用途。多次反射新增了入射光子與納米線表面的染料相互用途的次數(shù)，從而大大新增了對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，關(guān)于同一個(gè)三維染料太陽能電池，相關(guān)于光線照射在光纖側(cè)壁，光線延軸向傳播將太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率提高了六倍。在一個(gè)太陽(AM1.5)光照下，基于氧化鋅納米線的三維染料太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到3.3%。這一效率比此前報(bào)道的同類型二維染料太陽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能電池效率高出47%。

新型的三維染料太陽能電池在科研和實(shí)際應(yīng)用中具有以下突出特點(diǎn)。從物理學(xué)的角度來看，以納米線為基礎(chǔ)的二維染料太陽能電池的表面面積較小，從而限制了染料的加載和對太陽光的吸收。新增納米線的長度可以增大表面積，但納米線的長度受到材料制備和電子擴(kuò)散長度的限制。三維染料太陽能電池的獨(dú)特結(jié)構(gòu)克服了上述困難：入射太陽光在光纖內(nèi)多次反射，在不新增電子輸運(yùn)距離的情況下多次與納米線表面的染料相互用途，大大新增了對光線的吸收以及光電子的輸運(yùn)效率。在應(yīng)用上，三維染料太陽能電池具有以下重要優(yōu)點(diǎn)：首先，光纖的使用使得太陽能電池得以遠(yuǎn)程工作和具有高移動(dòng)性。它可以工作在太陽光無法到達(dá)的地層和海洋深處;其次，三維染料太陽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)、無機(jī)材料混合結(jié)構(gòu)的三維高效多功能太陽能電池開辟了嶄新方法和思路。