太阳能电池板，如通常栖息在屋顶或阳光普照的田地上，静静地收集太阳的辐射能量，是绿色能源运动的标准承担者之一。但它们能否更好 - 更高效，耐用且价格合理?这就是德雷克塞尔大学和宾夕法尼亚大学的工程师在借助一点纳米技术和大量数学模型试图找到的东西。

国家科学基金会(National Science Foundation)提供的为期三年的资助使该团队走上了探索如何使新光电电池更高效，耐用和更实惠的方法。该小组正在研究“染料敏化”太阳能电池板，它通过光敏染料捕获辐射并将其转化为电能。他们的目标是：简化太阳能电池板内部的电子转移过程，使其更有效地将辐射转化为电能。

目前，染料敏化太阳能电池板将约11%至12%的阳光转化为电能。研究人员正在努力使这些面板至少与它们的硅同类产品一样高效，目前这些面板的转换量是染料敏化面板的两倍。

尽管这种相对低效，但染料敏化板比硅电池具有许多优点。染料敏化太阳能电池的优点之一是成本低，易于制造和建造稳定和丰富的资源材料。此外，与标准硅基太阳能电池板相比，染料敏化面板的耐久性，以及它们每表面积吸收更多阳光的能力，使其成为主流使用的吸引力。还有可能使染料敏化细胞变得灵活，这将使它们开放到各种新的应用，这些应用不是更硬的硅板的选择。然而，由于染料敏化电池的能量转换率滞后，它们不像硅板那样广泛使用。但在该小组的研究帮助下，这一障碍很快就会被克服。

“我们的最终目标是通过计算优化设计，合成和整合来设计和测试高效染料敏化太阳能电池阵列，”Drexel项目首席研究员Masoud Soroush博士说。

该小组提出的主要策略涉及将辐射激发或“光生成”电子的不规则运动组织成更有序的流动，并通过精炼其电解质基板中的材料来保持流过太阳能电池内部的电流。

“我们正在寻求电解质和电极材料以及电池设计的组合，以提供最高的功率转换效率，”Soroush说。“最终设计应该在光电阳极和电池电解液中的电导率损失最小。”

走一条路

目前，太阳能电池中的能量收集和分配过程的功能类似于狂热的消防演习。太阳辐射撞击光敏染料，光敏染料激发电子并通过包含电极的纳米颗粒场以带电的狂热发送它们，最后进入电路的其余部分。

工程师们试图通过插入碳纳米管，直径小于10纳米的微小圆柱形石墨碳管来引导这种光生电子的快速外流，以作为它们逃逸的畜栏。

“为了使太阳能电池产生电流，光电阳极中的光生电子必须通过二氧化钛纳米粒子网络，并且在运输过程中它们会在纳米粒子之间遇到许多边界，”项目负责人Daeyeon Lee博士说。宾夕法尼亚大学的研究员。“由于电子的这种随机传输路径，它们中的大部分在到达氧化铟锡玻璃之前在纳米粒子网络中丢失，从而无法产生电力。”

根据Lee的说法，碳纳米管为电子提供了不间断的通路，同时还防止了从太阳能电池传输到外部电路的光生电子的损失。随着纳米管的添加，预计太阳能电池的总电荷收集效率将增加。

完成循环

该研究的第二部分旨在用更有效的聚合物物质代替将太阳能电池内部的电极分开的电解质溶液。电解质用作带负电离子的内部通路，以将电子从阴极(负电极)传送到阳极(正电极)，从而完成电路。目前，染料敏化太阳能电池使用液体电解质，因为海绵状多孔电极更容易吸收液体以最大程度地接触。然而，难以密封液体，导致泄漏问题。此外，据该组织称，带负电的物质通过液体的传输效率远远低于通过聚合物的传输效率。

“用聚合物代替液体电解质将有助于我们制造更高效的太阳能电池。与液体不同，聚合物不会从电池中泄漏出来，为打造柔性太阳能电池打开了大门，”Kenneth Lau博士说。项目的Drexel联合首席研究员。“固体聚合物也将通过关闭导致使用流动液体发生电子丢失的门来减少电池中的一些主要转换损失。”

Lau的研究小组还设计了一种将聚合物加入海绵状电极的方法 - 这是在当前太阳能电池中使用液体电解质基板的主要原因之一。“简而言之，我们已经发明了一种直接在海绵状电极内制造聚合物的方法，而不是想办法将已经制成的固体聚合物挤压到电极中，”Lau说。

建模细胞

研究中的变量，包括纳米管放置和聚合物成分，可以使原型制造和测试成为一项昂贵且耗时的工作。但是，在Soroush开发的计算材料设计程序的帮助下，该团队将利用快速数学建模来确定最有效的材料和布局组合。Soroush的计划是Drexel在染料敏化太阳能电池领域的研究所独有的，并为该团队在实现其目标方面提供了明显的优势。

“我们的预测固态染料敏化太阳能电池模型将使我们能够建立电池性能和电池设计及其材料参数之间的重要关系，”Soroush说。“然后我们将使用预测模型来评估整个电池设计参数空间的电池性能。通过这样做，我们将能够系统地搜索并达到优化电池运行的设计规范。”