据日本东京工业大学官网近日报道，该校与金泽大学的科研团队开发出一款对环境友好的设备，它采用太阳能来高效地催化电化学氧化反应。
背景

由于目前的环境危机以及避免不可再生能源（化石燃料）的需要，绿色能源被认为是一个全球性的热门研究领域。数十年来，研究人员们一直在寻找各种途径来利用和采集太阳能。而且，将光转化为电的光伏设备的需求量也很大。

（图片来源：维基百科）
研究人员们对这些设备的兴趣最后一次爆发，是在上世纪70年代油价引发的经济冲击之后。从那时起，这些设备的研究就取得了许多进展。虽然大部分的进展都是关于硅基太阳能电池，但是科学家们已经证明，有机光伏设备也能实现可接受的性能。采用有机材料好处很多，它们可印刷且可喷涂，从而可成为一种环境友好的工艺，不像硅工艺那样。此外，有机材料的品种繁多，可以根据每一种特定应用来专门制作。

有机光伏太阳能电池以及电池结构的原理图。（图片来源：大阪大学）
有机光伏太阳能电池，是由一层“活性层”像三明治一般夹在两个不同的电极（一个透明的前电极和一个背电极）之间组成。活性层是奇迹开始的地方。来自入射光的光子能量，通过碰撞转移至材料的电子，激发电子并使之运动，留下带正电的伪粒子，也称为“空穴”。这些空穴从技术上讲并不存在，但可用于近似地描述材料的电行为。这些电极的关键在于，每个电极都必须采集这些带电粒子中的一种（一个电极采集空穴，另一个电极采集电子），从而防止它们在活性层中重新结合。电子流过连接两个电极的外部电路，由光生电。

然而，在电极上采集巨量的电子与空穴，并高效地将光线转化为电力，是一项颇具挑战性的任务。

创新

某些研究人员提议出过一个有益的建议，在靠近活性层的地方直接使用化学反应生成的空穴和电子。

受这个建议启发，日本东京工业大学与金泽大学的博士 Keiji Nagai 所在的研究团队提出了一个简单的制造流程，用于制造有机光电化学设备，这些设备可以采集太阳能来促进化学氧化反应。

下图所示：研究人员提出的设备结构，展示了生成的空穴（h+）如何用于促进硫醇氧化。测量到的电流在光照以及施加轻微电势的条件下急剧增加。

设备结构与性能（图片来源：东京工业大学）
技术

一开始，他们的方案采用了一种传统有机光伏设备，该设备制造起来很简单，而且其特征也是众所周知的，并通过机械方式移除了采集空穴的背电极。暴露的活性层被涂上 ZnPc，并浸在硫醇中。这些由入射光生成的空穴直接用于硫醇氧化反应，该氧化反应受到 ZnPc 层的催化（促进）。激发的电子由遗留下的前电极流出，产生电流。

下图所示：一个传统的有机光伏电池被移除背电极，并被加工成采集大量电子和空穴的光电化学设备。

光电化学设备的制造(图片来源：金泽大学)
价值

这个制造方案的简单性和优点，以及采集光能时测量到的效率，都非常有前景。Nagai 博士解释道：“对于构造性能良好的光电化学电池来说，移除背电极是一项有前景且可重复的技术。”

研究人员们也研究了涂有 ZnPc 的活性层的地形学与电化学特性，以阐明其催化活性的原理。金泽大学的博士 Takahashi 表示：“ZnPc 涂层的效果，在我们的分析中被清晰观察到，并由光生空穴的有效积累组成。”

环境友好的设备，例如研究人员们提出的这一种设备，将为从太阳采集能量提供更多的途径，并让我们离更加绿色的未来更近。