未来的太阳能城市将由可以发电的窗户驱动

制造能够发电的“智能窗”是未来的发展方向，而科学家们更进一步，他们将使“智能窗”广泛应用于人们的日常生活中。

染料敏化太阳能电池是一种非常薄的柔性材料，是模仿光合作用原理开发的。它能产生透明的电子电路。这种材料可以嵌入窗户并安装在墙上。大楼可以用这个窗户供电。总有一天，这种材料会比目前的太阳能电池板技术更有优势。然而，由于缺乏对光敏染料如何在分子水平上与半导体表面相互作用的理解，该技术仍然不能进一步提高其效率。

特斯拉在波多黎各圣胡安儿童医院的太阳能农场正在提供稳定的电力。资料来源:阿尔文·贝兹/路透社

今年早些时候发表在《纳米尺度》杂志上的一项研究进一步揭示了染料和半导体表面之间的相互作用机制。剑桥大学的科学家在美国能源部的阿尔贡国家实验室开发了这一成果，该实验室可以帮助开发一种新技术，通过利用窗户表面发电来帮助城市变得更加节能。

该研究模拟了有机染料和半导体表面之间的完全组装的太阳能电池窗口以及工作电极的分子结构，工作电极是电流将通过的导体。敏化染料吸附在纳米多孔二氧化钛薄膜表面，二氧化钛无处不在，从防晒霜到色素和食用色素。先前的研究已经模拟了构成太阳能电池窗口的单个组件的分子结构，但是没有考虑太阳能电池的每个组件的化学成分对太阳能电池效率的可能影响。

该研究的作者、剑桥大学分子工程研究小组组长雅克·科尔(Jacqui Cole)在一份声明中表示:“我们的研究已经证明，某些化学成分会明显影响太阳能电池的光伏性能，其中一些成分以前被忽略了。我们只需要适当提高这些太阳能电池的性能，使它们更具竞争力，因为价格和性能之间的关系决定了太阳能电池行业的经济性。与其他太阳能电池技术相比，制造染料敏化太阳能电池的成本非常低。”

最近，一些其他的研究正在开发类似的技术，希望能有效地吸收大范围的阳光以获得电能。密歇根州立大学的研究人员已经建造了类似的透明太阳能电池板。根据科学家的说法，如果这项技术能够应用于该国数十亿平方米的可用玻璃表面，它将完全取代化石燃料。麻省理工学院的另一项研究将人工DNA螺旋结构与染料结合起来获得光能，尽管这种特殊的机制还没有被制成窗户或纺织品等材料。

中国山东省东营市，工人们正在安装太阳能电池板。资料来源:路透社

在科尔的研究中，进一步了解染料和二氧化钛结构之间的相互作用将为分子工程提供一个“工具”，通过合理的设计获得更适合染料敏化太阳能电池的染料。这种染料可以帮助人造材料从太阳获得光，就像植物在光合作用中的光一样。染料分子在阳光下被激发，让能量流过导电的二氧化钛，从而吸收染料。

科尔说:“这刺激了电路中的电流。”

他们使用了一种叫做MK-2的有机染料，这种染料仍在实验室的实验阶段。但是有机金属染料已经开始商业化。科尔还指出，奥地利格拉茨的一座塔式建筑在塔顶使用了发电窗。

“到目前为止，使用这种技术的太阳能窗户的商业化正在积极推进，一些由这种技术驱动的示范建筑已经建成。”

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