未来的太阳能城市将由可以发电的窗户驱动

让“智能窗户”具有发电的能力是未来的发展方向，而科学家们则更进一步，他们将让“智能窗户”广泛应用在人们的日常生活中。

染料敏化太阳能电池是模仿光合作用原理，研制出来的一种很薄的柔性材料，可以产生透明的电子电路，将这种材料嵌在窗户里装上墙，该建筑物就可以使用这种窗户供电。总有一天，这种材料将会比现在的太阳能电池板技术更具备优势，但是，由于对分子水平上光敏染料与半导体表面是如何相互作用的缺乏了解，使得该技术至今仍然无法进一步提高效率。


今年早些时候发表在《Nanoscale》期刊上的一项研究进一步揭示了染料和半导体表面相互作用的机理。来自剑桥大学的科学家们在美国能源部阿贡国家实验室研究出的这项结果，可以帮助研发一项新技术，通过利用窗户的表面产生电能，来帮助城市变得更节能。

该研究模拟了有机染料和半导体表面之间组装完全的太阳能电池窗户，以及其中工作电极的分子结构，该电极为导体，电流将从此经过。敏化染料则吸附在纳米多孔二氧化钛膜面上，从防晒霜到颜料、食用色素，到处都有二氧化钛的身影。此前的研究已经模拟了组成太阳能电池窗的单个部件的分子结构，但并没有考虑到太阳能电池的每一个部件的化学成分可能对太阳能电池的效率所造成的影响。

该研究的作者，剑桥大学分子工程研究小组组长Jacqui Cole在一份声明中说道：“我们的研究已经证明了某些化学成分能够明显对太阳能电池的光伏性能造成影响，而其中的一些成分此前一直都被忽略了。我们只需要适当地提高这些太阳能电池的性能，就可以使得它们更加具有竞争力，因为价格与性能的关系决定了太阳能电池产业的经济性。与其它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便宜。”

最近也有一些其它研究正在研制类似的技术，期望可以有效地在广泛的范围内吸收阳光获得电能。来自密歇根州立大学的研究人员建造了类似的透明太阳能电池板，据科学家称，如果该技术能够应用于该国数十亿平方米的可用玻璃表面，那就可能可以完全替代掉化石燃料。而来自麻省理工学院的另一项研究则将人工DNA螺旋结构与染料结合在一起来获取光能，尽管这种特殊的机制目前还没有被制成像窗户或纺织品这样的材料。

在Cole的研究中，进一步了解染料与二氧化钛结构之间的相互作用，将可以通过合理的设计，为获得更加合适的染料敏化太阳能电池的染料的分子工程提供一个“工具”。这种染料可以帮助人工材料从太阳中获取光，类似于植物在光合作用过程中采光的方式。染料分子在阳光照射中被激发出来，使得能量通过可导电的二氧化钛流动，这样染料就被吸收了。

Cole表示：“这便激发了回路中的电流。”

而他们使用了一种名为“MK-2”的有机染料，该材料目前还处于实验室的试验阶段。但金属有机染料已经开始商业化了。Cole还指出，一幢位于奥地利格拉茨的塔型建筑已经在塔顶部分使用了发电窗户。

“至此，使用这种技术的太阳能窗户的商业化正在积极地推进当中，而部分由它们提供动力的示范性建筑也已经建造出来了。”