科学家研制可折叠光纤3D太阳能电池

    佐治亚理工学院的研究人员研制出了3D光伏光纤太阳能电池，这是一个革命性的新进展，它为新一代超柔性太阳能系统做了很好的铺路石。

    可再生能源和绿色能源是驱动未来经济发展的动力。作为重要的可持续能源技术之一，太阳能电池将成为主要能源以满足全球对能源的需求。在各类太阳能电池中，染料太阳能电池以其较高的性价比而得到了广泛应用。
 
    传统的染料太阳能电池利用纳米颗粒和纳米线来提高其光电转换效率。然而这些都是基于二维的平面结构，从而限制了此类光电池效率的进一步提高。美国佐治亚理工学院（Georgia Institute of Technology）王中林教授领导的研究小组研制开发出纳米和光纤技术相结合的三维染料太阳能电池。其独特的三维结构大大提高了同类太阳能电池的光电转换效率。这一最新成果近期发表在德国《应用化学》（Angewandte Chemie） 上。
 
    王中林教授，魏亚光博士和研究生本杰明・温超布将太阳能电池结构和光纤技术结合在一起，利用纳米结构实现了三维光电池的设计。光纤和纳米线混合结构的三维染料太阳能电池主体结构包括光纤和垂直生长于光纤表面的氧化锌纳米线阵列（如图所示）。太阳光从光纤一端延轴向入射并传播。三维太阳能电池的核心设计思想在于入射光在光纤内传播过程中多次反射。每一次反射过程中，入射光会通过氧化锌纳米线与其表面附着的染料相互作用。多次反射增加了入射光子与纳米线表面的染料相互作用的次数，从而大大增加了对光线的吸收以及光电子的输运效率。实验结果表明，对于同一个三维染料太阳能电池，相对于光线照射在光纤侧壁，光线延轴向传播将太阳能电池的能量转换效率提高了六倍。在一个太阳（AM 1.5）光照下，基于氧化锌纳米线的三维染料太阳能电池的光电转换效率达到3.3%。这一效率比此前报道的同类型二维染料太阳能电池的最高效率高出120%，比使用带有二氧化钛薄膜涂层的氧化锌纳米线的染料太阳能电池效率高出47%。
 
    新型的三维染料太阳能电池在科研和实际应用中具有以下突出特点。从物理学的角度来看，以纳米线为基础的二维染料太阳能电池的表面面积较小，从而限制了染料的加载和对太阳光的吸收。增加纳米线的长度可以增大表面积，但纳米线的长度受到材料制备和电子扩散长度的限制。三维染料太阳能电池的独特结构克服了上述困难：入射太阳光在光纤内多次反射，在不增加电子输运距离的情况下多次与纳米线表面的染料相互作用，大大增加了对光线的吸收以及光电子的输运效率。在应用上，三维染料太阳能电池具有以下主要优点：首先，光纤的使用使得太阳能电池得以远程工作和具有高移动性。它可以工作在太阳光无法到达的地层和海洋深处；其次，三维染料太阳能电池可以有更小的尺寸，更高的效率，更大的流动性，更可靠的设计，更灵活的形状，并有可能降低生产成本；第三，三维染料太阳能电池可以在不同的光强下有效工作，具有较高的动态工作范围。此研究成果为设计使用光纤和有机、无机材料混合结构的三维高效多功能太阳能电池开辟了崭新方法和思路。

光纤和纳米线混合结构的三维染料太阳能电池结构和基本工作原理示意图。A)三维染料太阳能电池包括光纤和垂直生长于光纤表面的氧化锌纳米线阵列。图中上半部为传统光纤用于光线的远程传输，下半部为太阳能电池用于光电转换。B) 三维染料太阳能电池的细节结构。