物理：高转换效率的染料光电池

科学家设计出一种新架构的染料光电池，在内光电转换效率(internal quantum efficiency，每吸收一个光子并将其转换成光电流的比例)上有很大的进展。

在能源需求不断成长，石油又即将在本世纪内消耗殆尽的处境下，人类一直在寻找可以取代石化燃料的能量来源；而从源源不绝的太阳光中获取所需的能量，一直是主要的研究方向。然而目前以半导体作为捕捉光子的材料，最大的瓶颈在于利用太阳能发电所需的成本太高，无法大规模地发展其应用：为了制造纯度够高的固态太阳能光电板，每一平方公尺需要投入5GJ的能量。

被提出的替代方案包括各种光电化学电池(photoelectrochemical cell)，虽然成本较低，但一直没有如固态太阳能电池般高的转换效率，因而也无法取而代之。在二月刊载于Nature上的论文中，McFarland和Tang设计出一种新架构，使得内光电转换效率可达到10%。

McFarland等人提出的架构为一多层结构：染料(汞红，merbromin，即红药水的成份)－金(10-50nm)－二氧化钛(200nm)－钛。在可见光照射下，汞红吸收了光子后，电子被激发至比金－二氧化钛界面所形成的萧基能障(Schottky barrier，~0.9V)还高的能阶；若这个被激发电子没有以放光或是热振动的方式放出能量，也没有在穿过金层时和其它电子碰撞失去能量，就能顺利跨过萧基能障到达TiO2层，之后被半导体的内电场加速而到达收集电流的金属层。而之所以能有高达10%的被激发电子可以转成光电流，关键在于被激发电子在金层中的平均自由径约是20~50nm，而金层亦只有10~50nm厚，因此许多电子可顺利穿过金层到达半导体层，而不发生碰撞失去能量。

尽管内光电转换效率达10%，但由于光子被汞红吸收的比例低，整体的转换效率仍低于1%。McFarland等人相信如能增加汞红分子的密度，降低反射光比例，再减低金层厚度以使电子能更顺利地到达半导体层，整体转换效率可望达到与固态光电电池不相上下的程度。到时候，可能车子不用添加石油，而是涂满红药水上路了。

原始论文：

A photovoltaic device structure based internal electron emission. McFarland, Tang. Nature VOL 421, 616-618, Feb 6 2003.

参考论文：

1) Photoelectrochemical cells. Grätzel. Nature VOL414, 338-344, Nov 15 2001.

2) Solar cells to dye for. Grätzel. Nature VOL 421, 586-587, Feb 6 2003.

参考来源：

• Nature: A photovoltaic device structure based on internal electron e

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