新型电池像树叶一样把光变成电？

　　■ 新闻缘起

　　绿色植物通过叶绿体进行光合作用，从而将太阳光转化成化学能。受光合作用启发，科学家们正在着手研制一种与叶绿体原理部分相似的新型电池——染料敏化太阳能电池，它可将光能转化成电能，实现真正“零排放”。

　　光伏产业作为新能源领域的生力军，已成为江苏增长最快的高新技术产业之一。但是，作为清洁能源代表的硅太阳能电池，产业链上游的硅原料生产却是高能耗和高污染产业。为此，科学家已着手研制用更多新材料制备太阳能电池。

　　（据中国科协新闻网）

　　对于绿色植物的光合作用，大家可能并不陌生：通过叶绿体，吸收并利用光能，把二氧化碳和水转化成储存能量的有机物，并且释放出氧气。

　　整个过程中，只要有太阳光，光合作用就能一直进行下去。

　　一种名为“染料敏化太阳能电池（以下简称DSC）”的工作原理与光合作用原理相类似。不同的是，绿色植物的光合作用是通过叶绿体，DSC的光合作用中，借助的是类似叶绿素的染料来吸收太阳光，产生电子，电子再被电极收集，然后再通过外电路，回到反电极，产生光电流。

　　这种电池被认为是太阳能研究和开发领域出现的又一“曙光”。南京工业大学教授冯晓东最近向记者透露，该电池将成为下一代的低成本太阳能电池。如果这种电池实验成功，将使清洁能源的利用走入千家万户。

　　有光就有电？

　　“整个循环过程，只要有太阳光，并且与外电路接通，就能持续不断地将能量转换成电荷。”中科院等离子体物理研究所研究员戴松元介绍了该电池的工作原理：当染料分子吸收太阳光后，电子开始变得活跃，并脱离原先的基态，与二氧化钛发生氧化反应，电子很快跑到表面被电极收集，通向外电路；而从另一端电极返回的电子被电解质中的离子捕获，送还给被氧化的染料分子，使其重新回复到基态，这就完成电子的输运循环过程。

　　但冯晓东同时表示，DSC的光合作用与植物的光合作用不同。植物中叶绿素分子可以说就是DSC中所用的染料分子中的一种。它与植物的光合作用的相似点就是光吸收，分子受激发，电荷传递。区别就在于后面的步骤不一样，对DSC来说就是在两个电极中收集传递过来的电荷，产生电能；而对光合作用，电荷传递到反应中心，形成新的化学键，它将光能装换成化学能。

　　新型电池造价几何？

　　“DSC制作简单、成本低廉、环境友好，并可以制备在柔性基板上。”冯晓东介绍，与硅基太阳能电池相比，作为薄膜光伏电池的DSC制备非常简单，这是该电池的一大优势。

　　此外，DSC的原材料丰富，成本低廉，性能稳定。电池制作中主要工艺是大面积丝网印刷技术和简单浸泡方法，有利于大面积工业化生产，而且所有原材料和生产工艺都无毒、无污染，电池中的导电玻璃可以得到充分的回收，对保护环境有重要的意义。

　　戴松元表示，由于DSC可直接把太阳能转变成电能，实现大规模光伏发电，对解决我国广大中西部无电地区的能源问题有重大意义。他算了一笔账，从长远来看，如果DSC成本降到每峰瓦10元，其性价比就可与常规能源相当。如果效率达到7%，每平方米电池供电将有70瓦，那么，14.3平方公里的面积就可达到1000兆瓦的供电能力。

　　新型电池瓶颈在哪？

　　要使光伏发电成为未来能源体系的组成部分，关键是要实现其性能价格比可与常规能源相当。戴松元介绍，以DSC的成本优势，如达到6%的光电转换效率，室外稳定性达到10年以上，就具有了产业化潜力。但DSC作为一种长期置于户外的装置，必将受到各种自然条件的影响。因此，研究长寿命、高稳定性的DSC是一个十分迫切的问题。

　　冯晓东指出，染料敏化太阳电池遇到的另一个问题是染料分子问题，目前它的光吸收效率还不够高。照射到地球上太阳光的光谱很宽，光谱中49%能量集中在红外光，而目前的绝大多数染料分子对红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为一个很重要的研究方向。

　　会不会取代硅基太阳能？

　　2004年，在产业化研究上，戴松元的研究团队在国内居于领先地位。他们制备的大面积串联电池组件（15×20cm2）的初始效率为5.9%, 稳定效率达到5%。这为下一步工业化生产打下了良好的基础。

　　他介绍，DSC的下一步主要目标是在工艺和产业化制造技术上，争取有新的突破，重点解决电池长时间稳定性和提高电池组件的效率，一旦推广应用，要求至少要有15—20年以上的稳定期。但从长远来说，太阳电池要真正做到低价应用，使普通老百姓用得起，才是关键的出路。

　　冯晓东认为，光伏电池会在未来成为一种重要的安全可靠的新能源。DSC作为光伏电池的一种，有它的特有应用市场，当然它还不可能取代目前硅基太阳能的统治地位。

　　延伸阅读

　　“人造树叶”零排放

　　光伏产业作为新能源领域的生力军，已成为江苏增长最快的高新技术产业之一。但是，作为清洁能源代表的硅太阳能电池，产业链上游的硅原料生产却是高能耗和高污染产业。为此，科学家已着手研制用更多新材料制备太阳能电池。

　　南京工业大学教授冯晓东向记者介绍，其中一种新型太阳能电池，使用了廉价的性能很好的纳米二氧化钛为电池的负极，然后在纳米二氧化钛上吸附一层对太阳光敏感的有机染料，所以叫染料敏化太阳能电池。它制作的原材料简单易得，工艺并不复杂，功能如同于一片树叶，所以被形象地称为“人造树叶”。

　　和树叶相比较，染料敏化太阳能电池中所使用的染料，就如同树叶中的叶绿素，在太阳光的照射下，会产生电子，纳米二氧化钛电极则是集结电子的收集器。这种电池只要在光照下，就会源源不断地产生电子，将光能直接转化为太阳能，而且不会排放任何废物。

　　薄如蝉翼，可随意弯曲

　　据悉，由于二氧化钛具有较好的可见光透过率，所以这种“人造树叶”几乎是透明的，薄如蝉翼而且可以随意弯曲，随着材料和器件结构的不断改进，这种神奇“树叶”的商业化前景非常乐观。

　　专家介绍，这种透明的“树叶”如果做成大面积的，有可能代替玻璃，只要接收光照，就可以为室内小型电器提供动力，也可以为室外广告牌提供电力。在高原沙漠地带，只要在车顶上架个装有“人造树叶”的大篷，就可以为小型汽车提供动力，人们长途旅行时就不用担心汽车缺少燃油，还免除了旅行中额外的辎重。

　　此外，这种可弯曲并且透明的电池不但收放自如，还能层叠起来，提高太阳光的利用率，在航天方面将是宇宙飞船或者卫星动力的新宠。

　　■ 相关链接

　　1965年,日本人Namba和Hishiki制备出第一个染料敏化太阳能电池。

　　1991年,瑞士人Gratzel发明了高性能的染料敏化太阳能电池。

　　1998年,瑞士人Gratzel制备了第一个固态染料敏化太阳能电池。

　　2006年,日本人Chiba等人制备了效率为11.1%的小面积染料敏化太阳能电池。

　　2008年,中国人王鹏和瑞士人Gratzel制备了效率为8.2%的无溶剂染料敏化太阳能电池。

　　2009年,日本Sharp公司等人制备了效率为8.2%的大面积（25.45cm2)染料敏化太阳能电池模组。