中國儲能網(wǎng)訊：核心提示
隨著全球石化資源的日益枯竭及二氧化碳導(dǎo)致的溫室效應(yīng)，綠色替代能源的研發(fā)已成為必要的發(fā)展趨勢。其中，尤其以太陽能電池發(fā)展與應(yīng)用最被矚目。在以科技探索自然界奧秘的道路上，總有一些讓人覺得不可思議的發(fā)明創(chuàng)造，染料敏化太陽能電池就是其中之一。這種太陽能電池以其低廉的價(jià)格、美觀的外形、巨大的商業(yè)價(jià)值吸引著眾多研究者的目光。染料敏化太陽能電池如何在太陽能利用技術(shù)領(lǐng)域另辟蹊徑？它究竟有哪些不可思議之處？面對充滿商業(yè)價(jià)值的廣闊市場，我國染料敏化太陽能電池技術(shù)做好準(zhǔn)備了嗎？
染料敏化太陽能電池外觀五彩繽紛
遼寧日報(bào)：馬教授您好！再生能源是人類未來亟需充分開發(fā)的能源，尤其是太陽能電池目前已經(jīng)成為各國積極開發(fā)的項(xiàng)目。在太陽能電池技術(shù)領(lǐng)域，染料敏化太陽能電池可謂獨(dú)樹一幟，它制備成本低廉、技術(shù)工藝簡單、無毒環(huán)保，應(yīng)用前景廣闊，這些特性展現(xiàn)出了其巨大的商業(yè)價(jià)值。首先我們想向您請教，這種電池是以何種方式利用太陽能的？
馬廷麗：目前太陽能的利用主要有“光熱轉(zhuǎn)換”和“光電轉(zhuǎn)換”兩種方式。我們比較熟悉的太陽能熱水器是利用陽光的熱能把水加熱，屬于光熱轉(zhuǎn)換利用，而染料敏化太陽能電池則通過光電轉(zhuǎn)換把太陽能轉(zhuǎn)換為電能。
遼寧日報(bào)：聽到“染料敏化太陽能電池”，人們不免聯(lián)想到“染料”，它們之間有什么關(guān)系？
馬廷麗：它們之間的關(guān)系可以追溯到19世紀(jì)早期的照相術(shù)。 1839年英國人亨利·?？怂箤Ⅺu化銀用于照片制作，但是由于鹵化銀無法響應(yīng)長波可見光，所以相片質(zhì)量不高。 1883年德國光電化學(xué)專家沃格爾發(fā)現(xiàn)有機(jī)染料能使鹵化銀乳狀液對更長的波長敏感。使用有機(jī)染料分子可以擴(kuò)展鹵化銀照相軟片對可見光的響應(yīng)范圍達(dá)到紅光甚至紅外波段。 1887年，科學(xué)家默塞爾將這種染料敏化效應(yīng)用到鹵化銀電極上，從而將染料敏化的概念從照相術(shù)領(lǐng)域延伸到光電化學(xué)領(lǐng)域。
1991年，瑞士科學(xué)家邁克爾·格拉特茲勒等人發(fā)現(xiàn)太陽光對染料分子和納米半導(dǎo)體氧化物納米微粒間的作用也具有敏化效應(yīng)，并基于這一發(fā)現(xiàn)研發(fā)出一種可將太陽光能轉(zhuǎn)換為電能的新型第三代太陽能電池，稱之為“染料敏化太陽能電池”。因染料有不同顏色，也有人稱它為“彩色太陽能電池”。
遼寧日報(bào)：從微觀角度講，這種電池是如何收集陽光產(chǎn)生電能的？
馬廷麗：簡單地說，染料敏化太陽能電池的發(fā)電原理，就是利用自然界的光合成原理，即利用不同顏色的染料將吸收的太陽能轉(zhuǎn)換成可利用與儲存的電能。其光電轉(zhuǎn)換的運(yùn)作方式，是當(dāng)太陽光照射到染料時(shí)，太陽光蘊(yùn)含的能量會“激發(fā)”染料，產(chǎn)生光生載流子，然后電子注入到半導(dǎo)體納米粒子的導(dǎo)帶上形成電流，并流經(jīng)外電路負(fù)載后，到達(dá)對電極，經(jīng)過電解質(zhì)中的氧化還原介質(zhì)將被激發(fā)的染料再還原成基態(tài)，完成電子循環(huán)。這種經(jīng)由染料吸光而使半導(dǎo)體“帶電”的過程稱為“染料敏化”，它能夠?qū)㈦娮觽鲗?dǎo)出來，成為我們所需要的電能。
遼寧日報(bào)：染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率如何？
馬廷麗：染料敏化太陽能電池的全光轉(zhuǎn)換效率在實(shí)驗(yàn)室中最高紀(jì)錄已高達(dá)12.9%以上。全光條件下光電轉(zhuǎn)換效率一般來說只要達(dá)到10%以上就具有商業(yè)化的價(jià)值。
不受角度和溫度影響弱光條件下也能發(fā)電
遼寧日報(bào)：染料敏化電池與傳統(tǒng)太陽能電池相比有什么不同呢？
馬廷麗：與傳統(tǒng)太陽能電池相比，染料敏化電池原材料豐富,成本低廉且環(huán)保，加上可運(yùn)用印刷技術(shù)的簡單制程設(shè)備，單位制造成本十分低廉。同時(shí)染料敏化電池轉(zhuǎn)換效率受日照角度和溫度的影響較小，并且弱光可發(fā)電,可達(dá)到較高的累積發(fā)電量。傳統(tǒng)太陽能電池環(huán)境溫度升高時(shí)轉(zhuǎn)換效率會降低，一般適合安裝在較高緯度地區(qū)；而染料敏化太陽能電池則可設(shè)置在日照充足、氣溫炎熱地區(qū)，競爭力也會優(yōu)于傳統(tǒng)太陽能電池。
遼寧日報(bào)：剛才您提到了染料敏化電池能更好地利用各種光線，這是為什么呢？
馬廷麗：一般情況下在陽光照射之下，隨著溫度的增加，傳統(tǒng)電池的效率會出現(xiàn)下降而且只有在陽光直射之下才能產(chǎn)生電流。而染料敏化電池則不然，其光電轉(zhuǎn)換效率穩(wěn)定，且在散漫光以及弱光的作用下也能產(chǎn)生電流。這意味著，全天以及全年染料敏化電池都很有優(yōu)勢。在非最佳光照以及陰天情況下，也有不錯(cuò)的表現(xiàn)。比如，我們課題組制造的大面積薄膜太陽能電池片，能在全光下保持7%-8%的光電轉(zhuǎn)換效率，而且在室內(nèi)弱光條件下同樣可以保持處于世界領(lǐng)先水平的光電轉(zhuǎn)換效率。這是傳統(tǒng)太陽能電池不可比擬的，也是這種技術(shù)不可思議的迷人之處。如果將染料敏化電池安裝在房間內(nèi)，它們就可以搜集室內(nèi)光線，實(shí)現(xiàn)建筑的節(jié)能減排。
遼寧日報(bào)：多變的外觀設(shè)計(jì)是這種電池非常顯著的特點(diǎn)之一，未來我們將會把它應(yīng)用于哪些場合？
馬廷麗：染料敏化電池可以根據(jù)染料的不同，制作成顏色不同但非常美觀的太陽能電池，非常適合用于建筑物的裝飾，而且，我們可以用具有柔韌性的塑料或者其他材料作為染料電池的襯底，既減輕重量，又讓電池柔韌可變形，具有更多的用途和更廣泛的應(yīng)用前景。
特別是染料敏化電池產(chǎn)品具備可撓性與可透光性，能搭配不同顏料呈現(xiàn)不同顏色外觀，以及憑室內(nèi)光源也能發(fā)電的特性，適合于需要大量空調(diào)與照明電力負(fù)載的現(xiàn)代化玻璃帷幕大樓，同時(shí)作為遮陽、絕熱及發(fā)電利用，達(dá)到建筑物節(jié)能與再生電能的雙重能源效益。
現(xiàn)代社會對便攜式電子設(shè)備需求急劇增多，使染料敏化電池拓展了應(yīng)用范圍，增加了新用途，如筆記本電腦顯示器、鍵盤和手機(jī)以及人體背包等物品都需要這種可變形、體積小、重量輕的太陽能電池來補(bǔ)充電能。也可在汽車或建筑物上安放染料敏化電池滿足部分能源需求，進(jìn)而降低二氧化碳排放量。另外可以將太陽能電池與汽車一體化，如汽車光電門窗及天窗，以及光電遮光膜等具有潛在的用途。
目前技術(shù)已趨于成熟商業(yè)化時(shí)代即將來臨
遼寧日報(bào)：我國染料敏化電池研究上處于什么樣的水平？
馬廷麗：目前從事染料敏化太陽能電池研究的國家有日本、瑞士、中國、德國、美國、英國、澳大利亞等。中國在染料敏化太陽能電池的基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)化研究上開展得相對比較晚，還需要進(jìn)行深入的研究和加大力度進(jìn)行政策扶持，特別是產(chǎn)業(yè)化技術(shù)研究。但有些研究機(jī)構(gòu)的研究水平可以說是與世界先進(jìn)水平相接近。
遼寧日報(bào)：在實(shí)現(xiàn)商業(yè)化之前，染料電池技術(shù)最需要改進(jìn)的是什么？
馬廷麗：國際上目前關(guān)于染料敏化太陽能電池的研究主要是圍繞染料、光陽極、電解質(zhì)、對電極等材料的設(shè)計(jì)及制備，以及電子傳輸機(jī)理、大面積電池設(shè)計(jì)、電池穩(wěn)定性、疊層電池等方面展開。染料敏化太陽能電池要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，還存在著光電轉(zhuǎn)換效率和長期穩(wěn)定性需要進(jìn)一步改進(jìn)的問題。為解決這一瓶頸問題，世界上許多研究小組多年來開展了廣泛深入的研究，其中包括光電轉(zhuǎn)換機(jī)理的研究和開發(fā)新型染料及高性能半導(dǎo)體光陽極等。我們團(tuán)隊(duì)長期以來也開展了染料敏化太陽能電池的基礎(chǔ)研究和大面積應(yīng)用研究，并取得了突破性進(jìn)展，一些室內(nèi)用大面積太陽能電池已達(dá)到應(yīng)用水平。
可以相信，在未來幾年內(nèi)，世界范圍內(nèi)將會有更加成熟的染料敏化太陽能電池商品問世。到時(shí)候，多姿多彩的太陽能電池集實(shí)用性與裝飾性為一體，將使我們的房屋上不再是單一的黑色太陽能電池板，而進(jìn)入人們眼簾的一片“彩色森林”，完全有可能是一座染料敏化太陽能電池發(fā)電站。
遼寧日報(bào)：感謝馬教授的講解！
□本報(bào)記者／王亮
色彩豐富的染料敏化太陽能電池。
專家檔案
馬廷麗博士、教授、博士生導(dǎo)師，大連理工大學(xué)精細(xì)化工國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)骨干。 1992年留日，后就職于日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所九州中心。曾任英國皇家學(xué)院和美國加州理工學(xué)院訪問學(xué)者。近年在國內(nèi)外著名期刊上發(fā)表染料敏化太陽能電池研究論文40余篇，國內(nèi)外專利10余項(xiàng)。研究方向：太陽能電池、光催化、太陽能制氫、染料與光化學(xué)，功能有機(jī)無機(jī)材料及其應(yīng)用。
