Grätzel 的 TiO2 海綿讓單分子層染料製成 7% 太陽能電池

1991 年《Nature》論文以一個鮮明的數字開篇：商用太陽能電池的電力成本約為傳統發電的十倍。染料敏化是個老構想——1970 年代初，氧化鋅電極上的葉綠素已展示光子轉電能的轉換——但平面電極只能容納單層染料，僅吸收約 1% 的入射光。整個方法看似毫無希望。

Brian O'Regan 與 Michael Grätzel 於 1988 年在加州大學柏克萊分校共同展開這項工作，他們改變的不是化學，而是幾何結構。他們製成 10 微米厚的光學透明二氧化鈦薄膜，由數奈米大小的顆粒燒結成海綿狀，表面積約增大 1,000 倍，並在其內表面塗覆單層電荷轉移染料。這一分子層如今可收集 46% 的入射太陽能通量，以超過 80% 的光子轉電流效率將電子注入 TiO2 導帶，並由碘電解質再生。

該電池將模擬陽光的 7.1–7.9% 轉換為電能——對 1991 年而言具商業現實性——並將漫射日光的 12% 轉換為電能，維持超過 12 mA/cm² 的電流，且至少經歷五百萬次循環而不分解。由於電子經由塊體導帶而非跨越接面表面傳輸，半導體可以低純度且廉價：論文自身的表述是，該電池「透過低成本製程，由低至中等純度材料製成」。

將光吸收與電荷傳輸分離

矽光伏因超高純度晶體與接面級製程主導成本，而在大規模發電中價格過高；染料電池的設計則旨在容忍廉價、不完美的材料。

瓶頸在於吸收，而非化學：單層只能捕捉有限的光，因此表面積增加千倍解決了二十年的失敗，而無需新染料。

電荷分離在染料將電子注入 TiO2 導帶的瞬間發生，早於複合——這正是讓分子裝置能與 p–n 接面競爭的物理原理。

碘電解質持續恢復褪色的染料，因此穩定性來自再生化學：每分子五百萬次循環，而非光降解。

當某個元件昂貴或脆弱時，將其功能與結構解耦：單分子層負責吸收，廉價塊體負責傳導。奈米級粗糙度將這種解耦轉化為裝置。

1991 年的論文成為光伏領域被引用最多的論文之一（《Nature》自身頁面顯示 27,000 次引用），並催生了全球性的 Grätzel 電池領域。它並未在發電廠中取代矽——電解質穩定性與建築整合所需的 25 年壽命仍然困難，因此商用 DSSC 落腳於便攜式與室內光充電器等利基市場。其最深遠的遺產在於架構：鈣鈦礦太陽能電池——2010 年代進步最快的光伏技術——最初便是塗覆於相同介孔 TiO2 海綿上的鈣鈦礦「染料」。