Drexel University(德雷克赛尔大学)

所在州:宾夕法尼亚州所在城市:PhiladelphiaU.S.News排名:97

那些安装在屋顶上或者被阳光照射到的空地上的太阳能电池，都在悄悄收集太阳能辐射能，都是绿色能源运动的旗手。但是他们可以更高效，更耐用，成本更低吗？这是德雷塞尔大学和宾夕法尼亚大学的工程师借助小纳米技术和大量数学建模想要找到的答案。

一项为期三年的美国国家科学基金成立了一个团队，旨在探索制造新的光伏电池，使其更高效，更耐用，成本更低。该团队正在检验染料敏化太阳能电池，它可以通过光敏染料捕获辐射能，然后将其转换为电能。他们的目标是：简化太阳能电池中的电子转移过程，使其更有效地将辐射能转换为电能。

染料敏化太阳能电池目前的光电转换效率为11%-12%，科研人员正努力使其达到和硅基电池一样的效率。而目前硅基电池的效率大概是染料敏化电池的两倍。

尽管效率比较低，但是相对于轨迹电池，染料敏化太阳能电池还具有很多优势。染料敏化太阳能电池的成本低，易于生产，结构稳定，原材料丰富。而且其耐用性高，弱光下性能好，使得染料敏化电池在主流应用条件下比标准硅基电池更有吸引力。还有一点是染料敏化电池更具灵活性，可以进行一些新的应用，而这些应用可能就不适合死板的硅基电池。不过由于目前染料敏化电池效率较低，其应用还不能像硅基电池一样广泛。但是随着该团队的研究的进展，这个障碍很快就会克服掉。

"我们的终极目标是通过计算最佳的设计，分析和集成，从而设计和测试出一种高效的染料敏化太阳能电池阵列。"该项目的首席研究员，德雷克赛尔大学Masoud Soroush博士说。

该小组提出的主要策略设计使辐射的不稳定运动有机化，或者使电子更有序流动。此外，通过控制电解质基体中的材料，来维持电池内部电子的流动。

"我们正在寻求电解质和电极材料与电池设计的融合，这可以提供高的光电转换效率。" Soroush说，"最终的设计应该要使电池光电阳极和电解质间的电传导损失达到最小。"

制造一种路径

目前，太阳能电池的能量收集和输出工艺有点像狂热的消防演习。太阳能辐射撞击光敏染料，激发电子并以带电的形式发送其穿越包含电极的纳米粒子区域，并且最终输出至剩余的电路。

工程师试图通过嵌入碳纳米管来管理光生电子的快速外流，碳纳米管是一种小型圆柱石墨碳纳米管，尺寸小于10纳米，作为防止电子逃脱的围栏。

"为了使太阳能电池产生电流，光电阳极中的光生电子不得不穿越二氧化钛纳米颗粒网络，在运输过程中他们还遭遇了很多纳米界限，"该项目首席研究员，宾夕法尼亚大学的Daeyeon Lee博士说，"由于电子的随机的阐述路径，在他们到达透明导电玻璃之前一大批电子迷失在纳米颗粒网络中，也就不能发电了。"

Lee还说到，碳纳米管为电子提供了连续的路径，并且还阻止了光生电子从太阳能电池到回路电路的传输过程中的损失。随着纳米管的增加，太阳能电池总体的电荷收集效率有望提升。

完成循环

该研究的第二部分旨在替代分离太阳能电池中电子的电解质方案，转而使用一种更高效的高分子物质。电解质作为一个带负电荷离子将电子从阴极输送至阳极的内部通道，这就形成了一个电路。目前，染料敏化太阳能电池使用液体电解质，因为这易于像海绵一样的多孔电极以最大接触面积吸收液体。但是液体密封是困难的，这就会导致泄漏问题。除此之外，带负电荷粒子在液体中的传输比在高分子中的效率要低。

"使用高分子代替液体电解质可以帮助我们制造更高效的太阳能电池。和液体不一样的是，高分子不会从电池泄漏出来，并且可以使电池变得更灵活。"项目副首席研究员，来自德雷克赛尔大学的Kenneth Lau博士说，"固体高分子也可以通过关闭导致电子损失的门，来减少像使用松软液体状况下那样的电池中主要的传输损失。"

Lau的小组已经设计了一种方法使高分子嵌入海绵状的电极，这是一个挑战，也是在目前太阳能电池中使用液体电解质基体的一个主要原因之一。"简单地放置，我们已经发明了一种方法，可以直接使高分子嵌入海绵状电极，而不是将已经制备好的固体高分子压进电极。"Lau说。

制造电池

研究中的变量，包括纳米管的放置，高分子的构成，可以使原型制造和测试变成昂贵和耗时。但是有了由Soroush开发的计算材料设计程序的帮助，团队将利用自身的快速数学建模来确定材料和设计的最有效组合方式。Soroush的程序对于德雷克赛尔大学关于染料敏化太阳能电池的研究来说是独特的，且为让其达到目标给了其一个独特的优势。

"我们预测固态染料敏化太阳能电池模型将允许我们在电池性能、电池设计和材料参数之间建立一个重要的关系。"Soroush说，"我们将使用预测模型在整个电池设计参数空间去估算电池性能。通过这样，我们将能够有系统地探索并得到设计规格，这可以优化电池的运行。"

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