綠色植物通過(guò)葉綠體進(jìn)行光合作用，從而將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化成化學(xué)能。受光合作用啟發(fā)，科學(xué)家們正在著手研制一種與葉綠體原理部分相似的新型電池——染料敏化太陽(yáng)能電池，它可將光能轉(zhuǎn)化成電能，實(shí)現(xiàn)真正“零排放”。
光伏產(chǎn)業(yè)作為新能源領(lǐng)域的生力軍，已成為江蘇增長(zhǎng)最快的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。但是，作為清潔能源代表的硅太陽(yáng)能電池，產(chǎn)業(yè)鏈上游的硅原料生產(chǎn)卻是高能耗和高污染產(chǎn)業(yè)。為此，科學(xué)家已著手研制用更多新材料制備太陽(yáng)能電池。
對(duì)于綠色植物的光合作用，大家可能并不陌生：通過(guò)葉綠體，吸收并利用光能，把二氧化碳和水轉(zhuǎn)化成儲(chǔ)存能量的有機(jī)物，并且釋放出氧氣。
整個(gè)過(guò)程中，只要有太陽(yáng)光，光合作用就能一直進(jìn)行下去。
一種名為“染料敏化太陽(yáng)能電池（以下簡(jiǎn)稱(chēng)DSC）”的工作原理與光合作用原理相類(lèi)似。不同的是，綠色植物的光合作用是通過(guò)葉綠體，DSC的光合作用中，借助的是類(lèi)似葉綠素的染料來(lái)吸收太陽(yáng)光，產(chǎn)生電子，電子再被電極收集，然后再通過(guò)外電路，回到反電極，產(chǎn)生光電流。
這種電池被認(rèn)為是太陽(yáng)能研究和開(kāi)發(fā)領(lǐng)域出現(xiàn)的又一“曙光”。南京工業(yè)大學(xué)教授馮曉東最近向記者透露，該電池將成為下一代的低成本太陽(yáng)能電池。如果這種電池實(shí)驗(yàn)成功，將使清潔能源的利用走入千家萬(wàn)戶(hù)。
有光就有電？
“整個(gè)循環(huán)過(guò)程，只要有太陽(yáng)光，并且與外電路接通，就能持續(xù)不斷地將能量轉(zhuǎn)換成電荷。”中科院等離子體物理研究所研究員戴松元介紹了該電池的工作原理：當(dāng)染料分子吸收太陽(yáng)光后，電子開(kāi)始變得活躍，并脫離原先的基態(tài)，與二氧化鈦發(fā)生氧化反應(yīng)，電子很快跑到表面被電極收集，通向外電路；而從另一端電極返回的電子被電解質(zhì)中的離子捕獲，送還給被氧化的染料分子，使其重新回復(fù)到基態(tài)，這就完成電子的輸運(yùn)循環(huán)過(guò)程。
但馮曉東同時(shí)表示，DSC的光合作用與植物的光合作用不同。植物中葉綠素分子可以說(shuō)就是DSC中所用的染料分子中的一種。它與植物的光合作用的相似點(diǎn)就是光吸收，分子受激發(fā)，電荷傳遞。區(qū)別就在于后面的步驟不一樣，對(duì)DSC來(lái)說(shuō)就是在兩個(gè)電極中收集傳遞過(guò)來(lái)的電荷，產(chǎn)生電能；而對(duì)光合作用，電荷傳遞到反應(yīng)中心，形成新的化學(xué)鍵，它將光能裝換成化學(xué)能。
新型電池造價(jià)幾何？
“DSC制作簡(jiǎn)單、成本低廉、環(huán)境友好，并可以制備在柔性基板上。”馮曉東介紹，與硅基太陽(yáng)能電池相比，作為薄膜光伏電池的DSC制備非常簡(jiǎn)單，這是該電池的一大優(yōu)勢(shì)。
此外，DSC的原材料豐富，成本低廉，性能穩(wěn)定。電池制作中主要工藝是大面積絲網(wǎng)印刷技術(shù)和簡(jiǎn)單浸泡方法，有利于大面積工業(yè)化生產(chǎn)，而且所有原材料和生產(chǎn)工藝都無(wú)毒、無(wú)污染，電池中的導(dǎo)電玻璃可以得到充分的回收，對(duì)保護(hù)環(huán)境有重要的意義。
戴松元表示，由于DSC可直接把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變成電能，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模光伏發(fā)電，對(duì)解決我國(guó)廣大中西部無(wú)電地區(qū)的能源問(wèn)題有重大意義。他算了一筆賬，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，如果DSC成本降到每峰瓦10元，其性?xún)r(jià)比就可與常規(guī)能源相當(dāng)。如果效率達(dá)到7%，每平方米電池供電將有70瓦，那么，14.3平方公里的面積就可達(dá)到1000兆瓦的供電能力。
新型電池瓶頸在哪？
要使光伏發(fā)電成為未來(lái)能源體系的組成部分，關(guān)鍵是要實(shí)現(xiàn)其性能價(jià)格比可與常規(guī)能源相當(dāng)。戴松元介紹，以DSC的成本優(yōu)勢(shì)，如達(dá)到6%的光電轉(zhuǎn)換效率，室外穩(wěn)定性達(dá)到10年以上，就具有了產(chǎn)業(yè)化潛力。但DSC作為一種長(zhǎng)期置于戶(hù)外的裝置，必將受到各種自然條件的影響。因此，研究長(zhǎng)壽命、高穩(wěn)定性的DSC是一個(gè)十分迫切的問(wèn)題。
馮曉東指出，染料敏化太陽(yáng)電池遇到的另一個(gè)問(wèn)題是染料分子問(wèn)題，目前它的光吸收效率還不夠高。照射到地球上太陽(yáng)光的光譜很寬，光譜中49%能量集中在紅外光，而目前的絕大多數(shù)染料分子對(duì)紅外光的吸收效率不高。所以合成具有高吸收效率的染料分子也成為一個(gè)很重要的研究方向。
會(huì)不會(huì)取代硅基太陽(yáng)能？
2004年，在產(chǎn)業(yè)化研究上，戴松元的研究團(tuán)隊(duì)在國(guó)內(nèi)居于領(lǐng)先地位。他們制備的大面積串聯(lián)電池組件（15×20cm2）的初始效率為5.9%, 穩(wěn)定效率達(dá)到5%。這為下一步工業(yè)化生產(chǎn)打下了良好的基礎(chǔ)。
他介紹，DSC的下一步主要目標(biāo)是在工藝和產(chǎn)業(yè)化制造技術(shù)上，爭(zhēng)取有新的突破，重點(diǎn)解決電池長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性和提高電池組件的效率，一旦推廣應(yīng)用，要求至少要有15—20年以上的穩(wěn)定期。但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)電池要真正做到低價(jià)應(yīng)用，使普通老百姓用得起，才是關(guān)鍵的出路。
馮曉東認(rèn)為，光伏電池會(huì)在未來(lái)成為一種重要的安全可靠的新能源。DSC作為光伏電池的一種，有它的特有應(yīng)用市場(chǎng)，當(dāng)然它還不可能取代目前硅基太陽(yáng)能的統(tǒng)治地位。
延伸閱讀
“人造樹(shù)葉”零排放
光伏產(chǎn)業(yè)作為新能源領(lǐng)域的生力軍，已成為江蘇增長(zhǎng)最快的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。但是，作為清潔能源代表的硅太陽(yáng)能電池，產(chǎn)業(yè)鏈上游的硅原料生產(chǎn)卻是高能耗和高污染產(chǎn)業(yè)。為此，科學(xué)家已著手研制用更多新材料制備太陽(yáng)能電池。
南京工業(yè)大學(xué)教授馮曉東向記者介紹，其中一種新型太陽(yáng)能電池，使用了廉價(jià)的性能很好的納米二氧化鈦為電池的負(fù)極，然后在納米二氧化鈦上吸附一層對(duì)太陽(yáng)光敏感的有機(jī)染料，所以叫染料敏化太陽(yáng)能電池。它制作的原材料簡(jiǎn)單易得，工藝并不復(fù)雜，功能如同于一片樹(shù)葉，所以被形象地稱(chēng)為“人造樹(shù)葉”。
和樹(shù)葉相比較，染料敏化太陽(yáng)能電池中所使用的染料，就如同樹(shù)葉中的葉綠素，在太陽(yáng)光的照射下，會(huì)產(chǎn)生電子，納米二氧化鈦電極則是集結(jié)電子的收集器。這種電池只要在光照下，就會(huì)源源不斷地產(chǎn)生電子，將光能直接轉(zhuǎn)化為太陽(yáng)能，而且不會(huì)排放任何廢物。
薄如蟬翼，可隨意彎曲
據(jù)悉，由于二氧化鈦具有較好的可見(jiàn)光透過(guò)率，所以這種“人造樹(shù)葉”幾乎是透明的，薄如蟬翼而且可以隨意彎曲，隨著材料和器件結(jié)構(gòu)的不斷改進(jìn)，這種神奇“樹(shù)葉”的商業(yè)化前景非常樂(lè)觀。
專(zhuān)家介紹，這種透明的“樹(shù)葉”如果做成大面積的，有可能代替玻璃，只要接收光照，就可以為室內(nèi)小型電器提供動(dòng)力，也可以為室外廣告牌提供電力。在高原沙漠地帶，只要在車(chē)頂上架個(gè)裝有“人造樹(shù)葉”的大篷，就可以為小型汽車(chē)提供動(dòng)力，人們長(zhǎng)途旅行時(shí)就不用擔(dān)心汽車(chē)缺少燃油，還免除了旅行中額外的輜重。
此外，這種可彎曲并且透明的電池不但收放自如，還能層疊起來(lái)，提高太陽(yáng)光的利用率，在航天方面將是宇宙飛船或者衛(wèi)星動(dòng)力的新寵。
■ 相關(guān)鏈接
1965年,日本人Namba和Hishiki制備出第一個(gè)染料敏化太陽(yáng)能電池。
1991年,瑞士人Gratzel發(fā)明了高性能的染料敏化太陽(yáng)能電池。
1998年,瑞士人Gratzel制備了第一個(gè)固態(tài)染料敏化太陽(yáng)能電池。
2006年,日本人Chiba等人制備了效率為11.1%的小面積染料敏化太陽(yáng)能電池。
2008年,中國(guó)人王鵬和瑞士人Gratzel制備了效率為8.2%的無(wú)溶劑染料敏化太陽(yáng)能電池。
2009年,日本Sharp公司等人制備了效率為8.2%的大面積（25.45cm2)染料敏化太陽(yáng)能電池模組。
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