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我國自20世紀(jì)50年代中后期開始進(jìn)行太陽能電池研發(fā),直到21世紀(jì)太陽能電池才進(jìn)入民用領(lǐng)域，且主要以金屬硅（工業(yè)硅）提純而來的各類晶硅電池為主。然而這種金屬硅提煉過程中產(chǎn)生的四氯化硅有強(qiáng)腐蝕性、急毒性，又難保存，因而污染最為嚴(yán)重。從金屬硅中提純出的多晶硅片處理又要耗費大量電能。針對這種高污染、高消耗的弊端，1991年，瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院的科學(xué)家成功研發(fā)了介孔染料敏化太陽能電池，不僅將這一電池的發(fā)電效率由1%以下提升至7.1%，而且還采用了薄膜化技術(shù)，使其更加輕便、柔韌，并由此掀起了薄膜太陽能電池研究的熱潮，這一新型電池的研發(fā)態(tài)勢可以用“各有特色”來形容。

近年來，中國海洋大學(xué)材料科學(xué)與工程研究院唐群委教授帶領(lǐng)團(tuán)隊開展新型太陽能研發(fā)，取得了可在雨天發(fā)電的太陽能電池的重要性階段成果，使科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界向“全天候太陽能”的設(shè)想邁進(jìn)了一大步。

談及這一研究背景，唐群委教授說：“這要從長期困擾太陽能電池研究的學(xué)術(shù)難題談起。”

懸而未決之問引發(fā)科技突破

電解質(zhì)、對電極一直是制約染料敏化太陽能電池發(fā)展的兩大技術(shù)“瓶頸”。前者易泄露、揮發(fā)，后者成本高、易溶解。2013年11月，第九屆中國太陽級硅及光伏發(fā)電研討會期間，云南師范大學(xué)可再生能源材料先進(jìn)技術(shù)與制備教育部重點實驗室楊培志教授提到：“如果能開發(fā)一種在夜晚和陰雨天等其他天氣情況下也能發(fā)電的太陽能電池，那對光伏發(fā)電的推動作用將是非常大的。”唐群委大受啟發(fā)，順著楊教授的思路認(rèn)真思考并研究在其他天氣情況下的太陽能發(fā)電問題。他說：“有的單位以有機(jī)染料見長，有的學(xué)者主要研究纖維太陽能電池，有的團(tuán)隊以凝膠電解質(zhì)研究著稱，而我們則側(cè)重于‘導(dǎo)電’凝膠電解質(zhì)和合金對電極的研究。”

唐群委教授團(tuán)隊首先采用自主研發(fā)的“導(dǎo)電”凝膠電解質(zhì)組裝太陽能電池,使最高光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了9.1%（普通凝膠電解質(zhì)電池的轉(zhuǎn)換效率為6%，液體電解質(zhì)電池的轉(zhuǎn)換效率為7%），開創(chuàng)了凝膠電解質(zhì)研究的新模式。接著他們又采用自己發(fā)明的合金對電極組裝的太陽能電池，發(fā)電效率更是達(dá)到了12.75%，接近世界先進(jìn)水平，進(jìn)一步縮小了與發(fā)達(dá)國家的差距。此外，他們還開發(fā)了以鈷鎳合金為原料的低成本對電極材料，并獲得了8.3%的電池效率，在染料敏化太陽能電池規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的道路上又前進(jìn)了一步。

在太陽能電池基礎(chǔ)研究中，除了聚焦電解質(zhì)、對電極這兩大制約染料敏化太陽能電池發(fā)展的“瓶頸”外，唐群委還向另一長期困擾太陽能電池科學(xué)界的難題發(fā)起沖擊。“太陽能電池在暗環(huán)境發(fā)電效率低，甚至不發(fā)電，一直是無法解決的難題。十多年來，國際上投入了大量的人力、物力、財力，研究也沒有明顯起色。”唐群委說，從事其他研究之余，他也始終在思考這個難題，但始終沒有想到破解之法。一次偶然機(jī)會讀到南京航空航天大學(xué)郭萬林教授關(guān)于鹽水在石墨烯材料上流動會產(chǎn)生電信號的研究報告，唐群委對雨滴滴落在石墨烯材料上是否也能產(chǎn)生電信號產(chǎn)生了質(zhì)疑。他帶領(lǐng)科研團(tuán)隊迫不及待地進(jìn)行實驗，果不其然，雨滴滴落在石墨烯材料上也會形成陽離子/電子雙電層“贗電容”，雨滴在石墨烯表面的鋪展-收縮即為“贗電容”充、放電過程，進(jìn)而產(chǎn)生電壓和電流。

實際應(yīng)用中的“雨天”攻關(guān)

“如何把石墨烯和現(xiàn)在的太陽能電池結(jié)合，制造出既可在晴天運用太陽光發(fā)電，又可在下雨天利用雨水發(fā)電的新型太陽能電池是我們遇到的最大挑戰(zhàn)。”唐群委表示，實驗初期，他們把透明的石墨烯放置于太陽能電池的上層，白天有光照時，太陽光先穿過石墨烯，再照射到太陽能電池板上發(fā)電。下雨天，雨水直接滴落在最外層的石墨烯板上發(fā)電。“不同方法研制的石墨烯性能有差異，且石墨烯的透光率并非100%，以至于正常光照時電池效率比沒有石墨烯的電池效率有所降低，這在實際應(yīng)用中并不經(jīng)濟(jì)。”經(jīng)過多個方案的比較研究，最終采用楊培志教授團(tuán)隊研制的石墨烯，在太陽能電池上通過熱壓法組裝完成了相關(guān)實驗，但石墨烯薄膜與太陽能電池的合理耦合仍然是一個需要不斷探索和創(chuàng)新的課題。

在使用一定濃度的氯化鈉溶液模擬雨水的實驗中，此太陽能電池實現(xiàn)了大約100微伏/滴的電壓和0.5微安/滴的電流輸出以及6.53%的光電轉(zhuǎn)換效率。有學(xué)者在寫給唐群委的郵件中表示，這項工作的貢獻(xiàn)不在于產(chǎn)生了多少電能，而是提出了太陽能電池向“全天候”發(fā)展的新思路，打破了以往科學(xué)研究中過分關(guān)注如何高效利用和轉(zhuǎn)化太陽光的思維方式。

“全天候”是終極探索

唐群委帶領(lǐng)他的年輕團(tuán)隊和云南師范大學(xué)楊培志教授團(tuán)隊聯(lián)合在德國最新一期科技期刊《應(yīng)用化學(xué)》上刊發(fā)了題為“一種既可在陽光下也可在雨水中發(fā)電的太陽能電池”的論文，立即引起了國際新聞界和學(xué)術(shù)界的關(guān)注，并被翻譯成英、法、德、拉丁、捷克等多種語言，甚至有媒體稱其為“光伏發(fā)電史上具有里程碑意義”的創(chuàng)新。

談及雨天發(fā)電的太陽能電池產(chǎn)業(yè)化之路，唐群委表示，從實驗室到工廠還有很長的路要走，但他對該項目的應(yīng)用前景保持樂觀。“雨量充沛但太陽能資源不夠豐富的地區(qū)，酸雨多發(fā)地區(qū)，以及島礁供電和海上航行等領(lǐng)域都能派上用場”。著眼更長遠(yuǎn)的未來，唐群委說：“雨天發(fā)電的太陽能電池不是最終目標(biāo)，研發(fā)‘全天候太陽能電池’才是我們的終極理想，未來的太陽能電池有望在任何天氣情況（白天、夜晚、陰、雨、霧、霾等）下發(fā)電。”