爆米花球設計使染敏太陽能電池效率加倍

Popcorn-ball design doubles efficiency of dye-sensitized solar cells
http://www.physorg.com/news127054956.html

April 10, 2008

在廉價太陽能電池中創造出戲劇性改善的一種新方法，現已在實驗室中開發。

利用一種爆玉米花球（popcorn-ball）設計 -- 微小的核凝聚成更大的多孔球形 -- 在華盛頓大學的研究者能操縱光線並以超過二倍以上的效率將太陽能轉換成電流。這項發現今日將在 New Orleans 舉行的 American Chemical Society 國際會議中進行簡報。

"我們認為這能在染料敏化太陽能電池中，導致顯著的突破，" 領導作者 Guozhong Cao 說，UW 的材料科學與工程教授。

染料敏化太陽能電池（Dye-sensitized solar cells），在 1991 年的一篇科學文章中首度大眾化，更具有彈性、容易製造而且比現存太陽能技術更加便宜。研究者已嘗試過各種粗糙表面，並獲得愈來愈高的效能。目前的實驗室原型只能將進入太陽能量的 1/10 轉換成電流。這大約是商業化、基於矽太陽能電池，用於屋頂嵌板與計算機的一半效率。

UW 研究者並沒有企圖要最大化染料敏化太陽能電池的整體效率，與這些先前記錄相較量或勝出。

相反的，他們聚焦在開發新方法上，並以凝聚的（clumping）設計比較同質粗糙表面的效能。製造一種有效太陽能電池中的主要困惑之一是顆粒大小。較小顆粒在每單位體積中有較大的表面積，也因此能吸收更多光線。不過凝聚團塊愈大，會更接近可見光波長，導致光現在細薄的光吸收表面中反彈（ricochet），故它被吸收的機會很高。

"你會為了更大的表面積而將顆粒弄得更小，" Cao 說。"但如果你讓光線來回反射多次，那麼你就有更多機會捕捉能量。"

其他研究者已嘗試將更大的顆粒混合至較小的粒子中以散射光線，不過在提升效能上卻很少成功。UW 小組並不只有製造非常細微的顆粒，直徑約 15 奈米（將 3500 個顆粒排成直線，大小才等於人類頭髮寬度）。他們接著使其凝聚成更大的結塊（agglomerations），大約 300 奈米寬。

較大的球可散射入射光線，並迫使光線在太陽能電池中行進更長距離。這時，球複雜的內部結構，能以每公克的材料創造出大約 1000 平方英尺（約 93 平方公尺）的表面積。這種內部表面都以一種能捕捉光線的染料塗佈。

研究者預期效能會有些改善，不過他們所見超乎他們的預期。

"我們沒想到會加倍，" Cao 說。"這是個驚喜。"

僅使用小顆粒，整體效率只有 2.4%，這是此材料所能達到的最高效率。利用爆玉米花球設計，結果在今日的演討會中呈現 6.2% 的效率，比先前要超過 2 倍。

"最顯著的發現是利用這種獨特方式所增加的量，" Cao 說。

這些實驗利用氧化鋅完成，比更常使用的二氧化鈦，那是種較不穩定的化學物質，不過更加容易使用。

"我們首先要在一種更簡單的物質中證明這種概念。現在我們正研究將這種概念轉換到二氧化鈦，" Cao 說。基於二氧化態的染料敏化太陽能電池，現在具備 11% 的最大效率。Cao 希望他的策略能使染料敏化太陽能電池的效率超過該閾值。

※ 相關報導：

＊ 粉紅色的太陽能電池「樹」
＊ 更環保的高效率無溶劑染料敏化太陽能電池
＊ 特殊塗層大幅改善太陽能電池的效率
＊ Indoline 染料使太陽能電池效率破記錄
＊ 量子點讓「彩虹」太陽能電池不再是夢想

＊ V 型太陽能電池能產生更好的效率
＊ 蛾的眼睛，高效率太陽能電池的關鍵？
＊ MIT 衍生公司計畫製造便宜有效的太陽能電池

＊ DNA 是新結構的藍圖、承包商與建築工人
＊ 化學家創造「設計師酵素」
＊ 控制大多數原子現在成為可能
＊ 創造強韌金屬玻璃複合材料的新方法
＊ 研究：石墨薄片傳遞電子較矽快百倍
＊ MIT 測試獨特的核融合發電方式