太阳能作为一种“取之不尽、用之不竭”的天然能源而备受青睐。长期以来，大自然光合作用给了人们很大的启示，叶绿体色素在光电转换中扮演着重要角色，是光合作用中吸收可见光和光电转换的重要物质。染料敏化太阳能电池就是模仿光合作用原理，借助光敏染料来实现光捕获，从而实现光电转化。近年来染料敏化太阳能电池发展迅速，极有可能取代传统硅系太阳能电池，成为未来太阳能电池的主导。
早在1839年，一位法国科学家首次观察到用氧化铜或卤化银涂在金属电极上会产生光电现象。20世纪60年代，这一领域的研究达到高潮。德国人发现，染料吸附在半导体上后，在一定条件下产生电流，这成为光电化学电池的重要基础。20世纪70年代至90年代，这类研究主要集中在平板电极上，电极表面吸附了单层染料后，虽然有效地拓宽了半导体的光谱响应范围，但单层染料分子对光的捕获率非常低。后来，人们试图采用多层染料分子以提高光的捕获率，但未获得进展，原因在于多层染料分子对电子来说是一个绝缘体，阻碍了电子的传输。
事实上到1991年以前，大多数染料敏化太阳能电池的光电转换效率比较低（<1%）。直到1991年，瑞士洛桑联邦理工大学（EPFL）的迈克尔?格兰泽尔教授领导的研究小组研发了首个太阳能电池，其灵感来自于植物的光合作用。研究小组采用二氧化钛纳米粒子作为染料载体，将纳米多孔薄膜引入染料敏化太阳能电池（Dye Sensitized Solar Cells，简称DSSC），其光电转换效率达7.1%—7.9%。这使得这种电池的光电转换效率有了大幅度的提高，开创了太阳能电池研究和发展的全新领域，继而迎来了染料敏化太阳能电池的新时代。目前，染料敏化太阳能电池的光电转换效率已达到了12.5%，成为最有希望得到应用的新型太阳能电池之一。相比硅太阳能电池，染料敏化太阳能电池以其低廉的成本、简单的工艺和相对较高的光电转换率而引起了全世界的广泛关注，并迅速掀起了研究热潮。
自然界中绿色植物的光合作用是最为有效的太阳光能转换体系。如果你知道树叶的结构，你会很好地理解染料敏化太阳能电池。从结构上来看，染料敏化太阳能电池就像人工制作的树叶，只是植物中的叶绿素被敏化剂所代替，而纳米多孔半导体薄膜结构则取代了树叶中的磷酸类酯膜。这种研制出来的新型太阳电池类似于三明治结构，主要由纳米多孔半导体薄膜、染料敏化剂、氧化还原电解质、对电极和导电基底等几部分组成。它的工作原理为：在入射光的照射下，镶嵌在纳米二氧化钛表面的光敏染料吸收光子，跃迁到激发态，然后向二氧化钛的导带注入电子，染料成为氧化态的正离子，电子通过外电路形成电流到对电极，染料正离子接受电解质溶液中还原剂的电子，还原为最初染料，而电解质中的氧化剂扩散到对电极得到电子而使还原剂得到再生，形成一个完整的循环。在整个过程中，表观上化学物质没有发生变化，而光能转化成了电能，染料敏化太阳能电池就像是由灿烂阳光驱动的分子电子泵，靠阳光的照耀，源源不断地对外供电。
传统的太阳能电池原料成本高、生产工艺条件苛刻、效率提高潜力有限，其光电转换效率的理论极限值为30%，因此其民用化受到技术性限制，至今未能大规模普及。但染料敏化太阳能电池与传统的太阳电池相比有以下一些优势：一、传统的硅太阳电池依靠的是光物理效应，而染料敏化太阳能电池则是通过光化学过程来实现光电转换。二、生产工艺简单，易于大规模工业化生产。三、制备电池耗能较少，能源回收周期短。四、通过近年来对染料敏化太阳能电池的研究，其光电转化效率已能稳定在10%以上，使用寿命可达15-20年。五、具有巨大的价格优势。生产成本较低，仅为硅太阳能电池的1/5—1/10，预计每峰瓦的电池的成本在10元以内，预计其性价比的优势在未来工业化和商业化方面将很快得到充分地体现，必将在太阳能电池领域占有一席之地，对它的研究将有利于缓解当今世界的能源危机问题，具有非常重要的现实意义。六、使用环保材料并可在较低的光照条件下正常工作。所有原材料和生产工艺都是无毒、无污染的，部分材料可以得到充分的回收；另外，二氧化钛是地球上储量十分丰富的矿物，在太阳光照射下会对有机污染物进行光催化降解处理，可将难以降解的有机污染物最终生成对环境无害的无机物如二氧化碳和水，对保护人类环境具有深远的意义。
世界最大的太阳能电池公司——夏普已开始研发染料敏化太阳能电池。该公司希望其第2代的太阳能电池能大幅降低生产成本，并帮助公司在充满竞争的市场上取得先机。这项研究主要在夏普结晶太阳能电池事业部进行，预计在2020年前后推出商业化产品。公司研究人员表示，高光电转换效率的雏形电池，大多为深绿色，因为这是最适合吸收太阳光的颜色，同时也不大会产生颜色不均的现象。
美国俄勒冈州立大学和波特兰州立大学的研究人员利用生物学而非传统的半导体生产方式，开发出了制作染料敏化太阳能电池的新方法。他们利用硅藻类生命结构开发最新太阳能电池技术的途径。新的制造方法基于硅藻类生命体，这些极小单细胞硅藻具有人们所需的纳米结构外壳，为制造染料敏化太阳能电池。研究人员先让硅藻“定居”在透明的导电玻璃板面上，然后去掉构成硅藻生命的有机物质，仅留下它们微小的硅壳构成所需的模板；接着，用一种生物制剂将溶解的钛沉积在模板硅壳中，获得了微小的二氧化钛纳米粒子，这些粒子形成的薄膜与染料敏化太阳能电池中的半导体具有相同的作用。于是，他们利用自然生物体轻而易举地获得了传统染料敏化太阳能电池中难以获得的半导体，同时用料简便且价格低廉。虽然利用新技术染料敏化太阳能电池的成本要略高于现有生产同类电池的成本，但是研究人员相信，最终产出的电能高出现在电池3倍。
中国科学院等离子体物理研究所在2004年建成500瓦规模的小型示范电站，光电转换率达到5%。这项成果为我国大面积染料敏化太阳能电池的研究提供了技术基础，进一步推动低成本太阳电池在我国的实用化进程，但目前国内企业尚未完全掌握染料敏化太阳能电池的生产技术。中科院长春应化研究所染料敏化太阳能电池研究组已经开展这方面研究并取得了一定成果。该机构与全球首先实现商用染料敏化太阳能电池美国G24i公司、澳大利亚DYESOL公司等多个国际大企业已建立了密切合作关系，致力于使这种新型太阳电池应用于中国的汽车、电动工具、便携电子产品等多个领域。为使这种新型太阳电池得到更为广泛的应用，研究人员正致力于开发成本更为低廉的产品，使其应用领域越来越广阔。有专家预测，未来五年，用染料敏化太阳能电池发电，将与常规能源发电成本相当。这意味着，随着技术的逐渐成熟，染料敏化太阳能电池将逐步产业化，从而为人们提供更大的便利。
（作者单位：上海科技馆）