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第三代太阳能电池安在室内也发电

作者: 来源:辽宁日报 发布时间:2012-09-07 浏览:

    中国储能网讯:核心提示

  随着全球石化资源的日益枯竭及二氧化碳导致的温室效应,绿色替代能源的研发已成为必要的发展趋势。其中,尤其以太阳能电池发展与应用最被瞩目。在以科技探索自然界奥秘的道路上,总有一些让人觉得不可思议的发明创造,染料敏化太阳能电池就是其中之一。这种太阳能电池以其低廉的价格、美观的外形、巨大的商业价值吸引着众多研究者的目光。染料敏化太阳能电池如何在太阳能利用技术领域另辟蹊径?它究竟有哪些不可思议之处?面对充满商业价值的广阔市场,我国染料敏化太阳能电池技术做好准备了吗?

  染料敏化太阳能电池外观五彩缤纷

  辽宁日报:马教授您好!再生能源是人类未来亟需充分开发的能源,尤其是太阳能电池目前已经成为各国积极开发的项目。在太阳能电池技术领域,染料敏化太阳能电池可谓独树一帜,它制备成本低廉、技术工艺简单、无毒环保,应用前景广阔,这些特性展现出了其巨大的商业价值。首先我们想向您请教,这种电池是以何种方式利用太阳能的?

  马廷丽:目前太阳能的利用主要有“光热转换”和“光电转换”两种方式。我们比较熟悉的太阳能热水器是利用阳光的热能把水加热,属于光热转换利用,而染料敏化太阳能电池则通过光电转换把太阳能转换为电能。

  辽宁日报:听到“染料敏化太阳能电池”,人们不免联想到“染料”,它们之间有什么关系?

  马廷丽:它们之间的关系可以追溯到19世纪早期的照相术。 1839年英国人亨利·福克斯将卤化银用于照片制作,但是由于卤化银无法响应长波可见光,所以相片质量不高。 1883年德国光电化学专家沃格尔发现有机染料能使卤化银乳状液对更长的波长敏感。使用有机染料分子可以扩展卤化银照相软片对可见光的响应范围达到红光甚至红外波段。 1887年,科学家默塞尔将这种染料敏化效应用到卤化银电极上,从而将染料敏化的概念从照相术领域延伸到光电化学领域。

  1991年,瑞士科学家迈克尔·格拉特兹勒等人发现太阳光对染料分子和纳米半导体氧化物纳米微粒间的作用也具有敏化效应,并基于这一发现研发出一种可将太阳光能转换为电能的新型第三代太阳能电池,称之为“染料敏化太阳能电池”。因染料有不同颜色,也有人称它为“彩色太阳能电池”。

  辽宁日报:从微观角度讲,这种电池是如何收集阳光产生电能的?

  马廷丽:简单地说,染料敏化太阳能电池的发电原理,就是利用自然界的光合成原理,即利用不同颜色的染料将吸收的太阳能转换成可利用与储存的电能。其光电转换的运作方式,是当太阳光照射到染料时,太阳光蕴含的能量会“激发”染料,产生光生载流子,然后电子注入到半导体纳米粒子的导带上形成电流,并流经外电路负载后,到达对电极,经过电解质中的氧化还原介质将被激发的染料再还原成基态,完成电子循环。这种经由染料吸光而使半导体“带电”的过程称为“染料敏化”,它能够将电子传导出来,成为我们所需要的电能。

  辽宁日报:染料敏化太阳能电池的光电转换效率如何?

  马廷丽:染料敏化太阳能电池的全光转换效率在实验室中最高纪录已高达12.9%以上。全光条件下光电转换效率一般来说只要达到10%以上就具有商业化的价值。

  不受角度和温度影响弱光条件下也能发电

  辽宁日报:染料敏化电池与传统太阳能电池相比有什么不同呢?

  马廷丽:与传统太阳能电池相比,染料敏化电池原材料丰富,成本低廉且环保,加上可运用印刷技术的简单制程设备,单位制造成本十分低廉。同时染料敏化电池转换效率受日照角度和温度的影响较小,并且弱光可发电,可达到较高的累积发电量。传统太阳能电池环境温度升高时转换效率会降低,一般适合安装在较高纬度地区;而染料敏化太阳能电池则可设置在日照充足、气温炎热地区,竞争力也会优于传统太阳能电池。

  辽宁日报:刚才您提到了染料敏化电池能更好地利用各种光线,这是为什么呢?

  马廷丽:一般情况下在阳光照射之下,随着温度的增加,传统电池的效率会出现下降而且只有在阳光直射之下才能产生电流。而染料敏化电池则不然,其光电转换效率稳定,且在散漫光以及弱光的作用下也能产生电流。这意味着,全天以及全年染料敏化电池都很有优势。在非最佳光照以及阴天情况下,也有不错的表现。比如,我们课题组制造的大面积薄膜太阳能电池片,能在全光下保持7%-8%的光电转换效率,而且在室内弱光条件下同样可以保持处于世界领先水平的光电转换效率。这是传统太阳能电池不可比拟的,也是这种技术不可思议的迷人之处。如果将染料敏化电池安装在房间内,它们就可以搜集室内光线,实现建筑的节能减排。

  辽宁日报:多变的外观设计是这种电池非常显著的特点之一,未来我们将会把它应用于哪些场合?

  马廷丽:染料敏化电池可以根据染料的不同,制作成颜色不同但非常美观的太阳能电池,非常适合用于建筑物的装饰,而且,我们可以用具有柔韧性的塑料或者其他材料作为染料电池的衬底,既减轻重量,又让电池柔韧可变形,具有更多的用途和更广泛的应用前景。

  特别是染料敏化电池产品具备可挠性与可透光性,能搭配不同颜料呈现不同颜色外观,以及凭室内光源也能发电的特性,适合于需要大量空调与照明电力负载的现代化玻璃帷幕大楼,同时作为遮阳、绝热及发电利用,达到建筑物节能与再生电能的双重能源效益。

  现代社会对便携式电子设备需求急剧增多,使染料敏化电池拓展了应用范围,增加了新用途,如笔记本电脑显示器、键盘和手机以及人体背包等物品都需要这种可变形、体积小、重量轻的太阳能电池来补充电能。也可在汽车或建筑物上安放染料敏化电池满足部分能源需求,进而降低二氧化碳排放量。另外可以将太阳能电池与汽车一体化,如汽车光电门窗及天窗,以及光电遮光膜等具有潜在的用途。

  目前技术已趋于成熟商业化时代即将来临

  辽宁日报:我国染料敏化电池研究上处于什么样的水平?

  马廷丽:目前从事染料敏化太阳能电池研究的国家有日本、瑞士、中国、德国、美国、英国、澳大利亚等。中国在染料敏化太阳能电池的基础研究和产业化研究上开展得相对比较晚,还需要进行深入的研究和加大力度进行政策扶持,特别是产业化技术研究。但有些研究机构的研究水平可以说是与世界先进水平相接近。

  辽宁日报:在实现商业化之前,染料电池技术最需要改进的是什么?

  马廷丽:国际上目前关于染料敏化太阳能电池的研究主要是围绕染料、光阳极、电解质、对电极等材料的设计及制备,以及电子传输机理、大面积电池设计、电池稳定性、叠层电池等方面展开。染料敏化太阳能电池要实现产业化,还存在着光电转换效率和长期稳定性需要进一步改进的问题。为解决这一瓶颈问题,世界上许多研究小组多年来开展了广泛深入的研究,其中包括光电转换机理的研究和开发新型染料及高性能半导体光阳极等。我们团队长期以来也开展了染料敏化太阳能电池的基础研究和大面积应用研究,并取得了突破性进展,一些室内用大面积太阳能电池已达到应用水平。

  可以相信,在未来几年内,世界范围内将会有更加成熟的染料敏化太阳能电池商品问世。到时候,多姿多彩的太阳能电池集实用性与装饰性为一体,将使我们的房屋上不再是单一的黑色太阳能电池板,而进入人们眼帘的一片“彩色森林”,完全有可能是一座染料敏化太阳能电池发电站。

  辽宁日报:感谢马教授的讲解!

  □本报记者/王亮

  色彩丰富的染料敏化太阳能电池。

  专家档案

  马廷丽博士、教授、博士生导师,大连理工大学精细化工国家重点实验室学术骨干。 1992年留日,后就职于日本产业技术综合研究所九州中心。曾任英国皇家学院和美国加州理工学院访问学者。近年在国内外著名期刊上发表染料敏化太阳能电池研究论文40余篇,国内外专利10余项。研究方向:太阳能电池、光催化、太阳能制氢、染料与光化学,功能有机无机材料及其应用。

 

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关键字:第三代 太阳能 电池

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