可再生能源和綠色能源是驅動未來經濟發展的動力。作為重要的可持續能源技術之一，太陽能電池將成為主要能源以滿足全球對能源的需求。在各類太陽能電池中，染料太陽能電池以其較高的性價比而得到了廣泛應用。

 

傳統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換效率。然而這些都是基于二維的平面結構，從而限制了此類光電池效率的進一步提高。美國佐治亞理工學院（Georgia Institute of Technology）王中林教授領導的研究小組研制開發出納米和光纖技術相結合的三維染料太陽能電池。其獨特的三維結構大大提高了同類太陽能電池的光電轉換效率。這一最新成果近期發表在德國《應用化學》（Angewandte Chemie） 上。

 

王中林教授，魏亞光博士和研究生本杰明·溫超布將太陽能電池結構和光纖技術結合在一起，利用納米結構實現了三維光電池的設計。光纖和納米線混合結構的三維染料太陽能電池主體結構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計思想在于入射光在光纖內傳播過程中多次反射。每一次反射過程中，入射光會通過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，從而大大增加了對光線的吸收以及光電子的輸運效率。實驗結果表明，對于同一個三維染料太陽能電池，相對于光線照射在光纖側壁，光線延軸向傳播將太陽能電池的能量轉換效率提高了六倍。在一個太陽（AM 1.5）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換效率達到3.3%。這一效率比此前報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際應用中具有以下突出特點。從物理學的角度來看，以納米線為基礎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。增加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散長度的限制。三維染料太陽能電池的獨特結構克服了上述困難：入射太陽光在光纖內多次反射，在不增加電子輸運距離的情況下多次與納米線表面的染料相互作用，大大增加了對光線的吸收以及光電子的輸運效率。在應用上，三維染料太陽能電池具有以下主要優點：首先，光纖的使用使得太陽能電池得以遠程工作和具有高移動性。它可以工作在太陽光無法到達的地層和海洋深處；其次，三維染料太陽能電池可以有更小的尺寸，更高的效率，更大的流動性，更可靠的設計，更靈活的形狀，并有可能降低生產成本；第三，三維染料太陽能電池可以在不同的光強下有效工作，具有較高的動態工作范圍。此研究成果為設計使用光纖和有機、無機材料混合結構的三維高效多功能太陽能電池開辟了嶄新方法和思路。

 

光纖和納米線混合結構的三維染料太陽能電池結構和基本工作原理示意圖。A)三維染料太陽能電池包括光纖和垂直生長于光纖表面的氧化鋅納米線陣列。圖中上半部為傳統光纖用于光線的遠程傳輸，下半部為太陽能電池用于光電轉換。B) 三維染料太陽能電池的細節結構。