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科研人员认为粉红色太阳能电池捕获阳光的效率更高

2007-08-03 09:33
默菲
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据physorg网2007年7月30日报道,据俄亥俄大学研究人员称,当生产对地球环境友好的太阳能时,粉红色可能是一种新的“绿色颜色”。科学家们开发出一种新的染料敏化太阳能电池(DSSCs)。该电池所使用的红色染料和白色金属氧化物粉末混合物呈现出粉红色,可以捕获太阳光。

俄亥俄大学化学副教授吴翼鹰(音译)称,目前这些新粉红色材料是最好的光电转换材料,尽管转换效率仅为投入商业应用的硅太阳能电池的一半,但是其成本仅为硅太阳能电池的四分之一。吴正希望该材料太阳能电池能够甚至表现得更好。他说,“我们相信某天,染料敏化太阳能电池的效率可以达到其它太阳能电池的水平。染料敏化太阳能电池的最主要优势在于成本非常低。那就是我们对染料敏化太阳能电池感兴趣的原因,这一点非常重要。”

粉红色是染料敏化太阳能电池最典型的颜色。大多数染料都包含有钌,钌是红色的。与红色染料混合成粉红色的最常用金属氧化物粉末是钛氧化物或者锌氧化物,这两种金属氧化物都是白色的。但是吴教授制造的材料却具有更为新颖的色彩,他正在使用了更为复杂的金属,探索不同的粒子形状,以便提升光电转换量。

在《美国化学学会》杂志最近的一期中,他和他的研究小组发表了一篇有关他们使用锌锡酸盐制造新型染料敏化太阳能电池材料的论文。

这是研究人员首次使用非单一氧化物制造染料敏化太阳能电池。吴教授和他的同事们选择锌锡酸盐是因为锌锡酸盐属于具有可调特性复杂氧化物系列。他说,“这使未来剪裁染料敏化太阳能电池特性成为可能。”

为什么染料敏化太阳能电池是粉红色,而不是像硅太阳能电池一样的蓝色呢?

吴教授解释到,这些传统太阳能电池呈现出蓝色是因为抗反射覆盖层的原因。这些覆盖层改善了对绿光的吸收,绿光是太阳能光谱中能量最强的光。吴教授研制物材料并没有抗反射覆盖层。

颜色决定了太阳能电池能够捕获的光的波长,因此修改颜色可以让科学家对太阳能电池的特殊特性进行优化。目前,在开发染料敏化太阳能电池中,科学家们使用红色钌染料获得了最佳效果。

吴教授说,“如果你希望获得最佳效率,你就需要考虑到你能够获得的电压和电流。”电压是一种材料能够提供的潜在能量;电流是材料能够传输的电荷数量。他说,“如果你能够吸收一个非常宽范围内的波长,那你就会不得不牺牲电压。如果你吸收到的能量极限非常高,你就可以获得高电压,但是你又不得不牺牲电流。我们的想法就是找到某个平衡点。”

自二十世纪六十年代以来,硅太阳能电池就已经出现。科学家们自二十世纪九十年代开始开发染料敏化太阳能电池。在染料敏化太阳能电池中,染料分子覆盖住了微小金属氧化物粒子,并一起被塞入一个薄膜中。染料分子捕获光能,释放电子,而金属氧化物粒子却更像是电线,将电子传输到电路之中。

但是电子可能在粒子之间传输时流失。那就是吴教授正在设计将微小纳米线进行合并,以便将电子直接传输到电路中的原因。去年,他和他的研究小组在《物理化学B》杂志上发表了一篇论文,描述了包含粒子和钛氧化物纳米线的染料敏化太阳能电池。这种染料敏化太阳能电池的效率为8.6%,约为投入商业应用的硅太阳能电池15%效率的一半。

在《美国化学学会》杂志上发表的新论文中,他们介绍了一种使用锌锡酸盐粒子的染料敏化太阳能电池,但是这种电池没有使用纳米线,其效率是3.8%。现在他们正在对这两种战略进行结合的研究,即利用锌锡酸盐和其它氧化物制造纳米线。

他们同时还在探索使用纳米树的可能性——纳米线的形状像树枝一样。吴教授说,“我们问我们自己,哪种结构才是吸收光和传输电流的最好结构呢,那就是树形结构!树叶提供了很大的捕获光的表面面积,树枝将营养传输到根部。在我们的染料敏化太阳能电池设计中,覆盖染料的粒子将提供表面面积,纳米树将在这些树叶之间长出枝条,传输电子。”

因此未来染料敏化太阳能电池中将生长一棵微小粉红色的“树”,但是其它颜色也有可能。研究人员正在研究能够工作得更好的新染料和染料化合物。

英文原文链接参见:http://www.physorg.com/news105029887.html

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