京都大學物質-細胞綜合系統研究所 (Integrated Cell-Material Sciences, iCeMS) 的研究者們透過調整和最適化結構，提高了目前比較流行的染料敏化太陽能電池*1的太陽能-電能轉化效率。該團隊在由美國化學會志（JACS）發行的報告中稱，透過進行一系列適當的改造和分子設計，他們開創了新的太陽能電池技術，使該種染料敏化太陽能電池的能源轉化效率達到最高(10.7％)，這也是首次使該類電池轉化效率超過10%。
目前比較流行的染料敏化太陽能電池由包覆有分子染料的多孔二氧化鈦層構成。當太陽光被吸收時，染料分子受太陽光照射後由基態躍遷至激發態，再由染料分子與二氧化鈦組成的異質接面能帶結構將電子從激發態的染料分子轉移到陽極的半導體二氧化鈦的傳導帶中，以完成電池充電並將來用於能量供給。隨後電子擴散至導電基底並流入到外電路中。被外電路利用後，電子會流到陰極上，使恢復到還原狀態的電解質將氧化鈦的染料分子還原再生，來完成一個電池循環。由於這種染料敏化電池重量輕且密度低，它們作爲當前屋頂太陽能電池板的替代材料具有相當高的行業吸引力。
但是該太陽能電池的組織方法有很多種，其中將融入到卟啉*2中的芳香環作爲敏化劑最具吸引力，因爲能夠充分吸收太陽光中的紅光。然而這種方法也有它的缺點：被激發的電子很容易被復合消失，壽命很短，使能源轉換變得十分困難。爲了提高轉化效率，該團隊嘗試了與卟啉融合的亞甲基橋接材料。他們相信，透過抑制電子-電洞對復合和加強能量轉化，他們將克服該方法的這一缺點。藉助於新的染料分子—DfZnP-iPr, 該團隊確實實施了比之前報導更高的轉化效率，這一新研究成果將重振對該種高性能太陽能電池芳香族稠合卟啉敏化劑的探索。
「人們越來越關注化石燃料的使用和環境保護問題，迫使我們更加努力地去改善可持續能源利用系統。我們的這一研究工作有效提高了低重量密度太陽能技術的轉化效率，希望這將促進用於高性能染料敏化太陽能電池的芳香族稠合卟啉敏化劑的進一步探索。」 京都大學物質-細胞綜合系統研究所（iCeMS）的今堀 博說道。
圖1. 一種可提高太陽能電池效率的新分子染料（繪圖：高宮泉水）
供稿 鍾維
編輯修改 JST 客觀日本編輯部
[用語註解]
原發表文章：J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 25, 9910-9919 [DOI]
