太陽(yáng)能電池：讓“陽(yáng)光”主宰未來(lái)生活

面對(duì)礦物能源的日益緊缺和造成的環(huán)境污染，光伏發(fā)電是解決能源缺乏和環(huán)境污染的最有效途徑之一。

科學(xué)家的努力正告訴人們，陽(yáng)光正在成為人類(lèi)未來(lái)生活的能量來(lái)源和人類(lèi)賴(lài)以生存的“主食”。制約太陽(yáng)能電池走向市場(chǎng)的主要瓶頸是其過(guò)高的價(jià)格，解決這一問(wèn)題的有效途徑有如下兩個(gè)方面，一是進(jìn)一步發(fā)展新工藝、新技術(shù)，降低傳統(tǒng)硅基太陽(yáng)電池的成本，二是開(kāi)發(fā)新型太陽(yáng)電池。

低價(jià)的新型薄膜太陽(yáng)電池將成為解決光伏科技發(fā)展和太陽(yáng)能電力運(yùn)用的突破口之一。我國(guó)“十五”期間由中科院物理所聯(lián)合中科院化學(xué)所、復(fù)旦大學(xué)共同承擔(dān)的國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目“固態(tài)納米晶染料太陽(yáng)能電池”的成功研發(fā)，使我國(guó)在該領(lǐng)域迅速躋身世界先進(jìn)行列。

納晶太陽(yáng)能電池的創(chuàng)始人M.Gratzel先生對(duì)他們的研究成果給予很高的評(píng)價(jià)，先后兩次參觀了他們的實(shí)驗(yàn)室，并進(jìn)行學(xué)術(shù)交流。M.Gratzel教授稱(chēng)這一研究團(tuán)隊(duì)是他的“競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手”，同時(shí)希望與他們建立密切的合作關(guān)系，共同努力加快納晶燃料敏化太陽(yáng)能電池走向市場(chǎng)的步伐。

各國(guó)逐鹿“太陽(yáng)”

瑞士洛桑高等理工學(xué)院M.Gratzel教授首先發(fā)明了二氧化鈦納晶薄膜染料敏化液體電解質(zhì)太陽(yáng)電池，并在1991年一舉突破了7%%的光電轉(zhuǎn)換效率。立即得到了國(guó)際上廣泛地關(guān)注，至今一直是國(guó)際上研究的熱點(diǎn)。其廉價(jià)的生產(chǎn)成本和易于工業(yè)化生產(chǎn)的工藝技術(shù)以及廣闊的應(yīng)用前景，吸引了歐、美、澳、日等眾多科學(xué)家與企業(yè)投入很大力量進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)。

美國(guó)、歐洲、日本、澳大利亞等發(fā)達(dá)國(guó)家一直把發(fā)展光伏電池放在可再生能源的首位，在可再生能源的研究和開(kāi)發(fā)的投資逐年增加。在示范應(yīng)用方面，美、歐、日等發(fā)達(dá)國(guó)家都發(fā)布了規(guī)模為吉瓦(GW)級(jí)的“百萬(wàn)光伏屋頂計(jì)劃”。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在世界范圍內(nèi)，1998年以后光伏組件的生產(chǎn)以每年30%以上的速度遞增。截至2004年底，全球光伏電池的生產(chǎn)總量超過(guò)1000萬(wàn)kW。光伏技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的騰飛，將逐步改變現(xiàn)有能源組成結(jié)構(gòu)。美國(guó)計(jì)劃到2020年光伏發(fā)電要占到全美屆時(shí)發(fā)電裝機(jī)增量的15%%左右，累計(jì)安裝量達(dá)到3600萬(wàn)kW。

在過(guò)去的幾年中，我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)正以每年30%的速度增長(zhǎng)，2002年光伏電池實(shí)際生產(chǎn)能力僅有6MW，而2004年底國(guó)內(nèi)光伏電池裝機(jī)容量達(dá)6.5萬(wàn)kW。根據(jù)初步完成的《可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》，到2020年太陽(yáng)能發(fā)電將達(dá)到200萬(wàn)kW。光伏發(fā)電主要用于家庭、交通、通訊等小型用電領(lǐng)域。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，若并入電網(wǎng)或其他領(lǐng)域，市場(chǎng)容量更為可觀。在我國(guó)，解決無(wú)電地區(qū)人民的生活用電，光伏電池的發(fā)電量需要5GW，而我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展還相對(duì)落后，無(wú)論從生產(chǎn)技術(shù)、規(guī)模還是生產(chǎn)設(shè)備、材料等方面均與世界先進(jìn)水平有較大差距。

目前，光伏電池仍然以單晶硅和非晶硅為主，產(chǎn)量最多的國(guó)家有日本、美國(guó)和歐洲?，F(xiàn)世界每年約有1000億美元的潛在市場(chǎng)，僅美國(guó)每年約需300億美元的光電池產(chǎn)品，因此，全世界光伏電池的產(chǎn)量?jī)H為市場(chǎng)容量的1%。產(chǎn)需巨大缺口的主要原因在于傳統(tǒng)硅基光伏電池昂貴的生產(chǎn)成本，為了進(jìn)一步降低成本，促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，低價(jià)的新型薄膜太陽(yáng)電池成為國(guó)際太陽(yáng)電池研究中的主要發(fā)展方向之一，而納米晶染料敏化太陽(yáng)電池作為新一代薄膜太陽(yáng)電池代表之一正在受到人們的廣泛關(guān)注。

“在科技部、基金委、中科院的大力支持下，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)所、等離子體研究所、理化技術(shù)研究所、物理所和北京大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、清華大學(xué)、武漢大學(xué)、吉林大學(xué)、東南大學(xué)、華僑大學(xué)等研究團(tuán)隊(duì)，在納晶染料敏化太陽(yáng)能電池的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)研究里都做出了富有成效的工作，取得了很多成果，受到國(guó)際同行的重視。很坦誠(chéng)的講，經(jīng)過(guò)我國(guó)科技工作者的共同努力，我們?cè)诩{晶染料太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的很多研究工作已經(jīng)達(dá)到了世界先進(jìn)水平?！敝锌圃何锢硌芯克芯繂T孟慶波說(shuō)。

自主創(chuàng)新拼出世界一流

遺憾的是，目前高效率的納米晶薄膜染料敏化液體電解質(zhì)太陽(yáng)電池都是基于液體電解質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這主要是由于液體電解質(zhì)具有擴(kuò)散速度快、光電轉(zhuǎn)換效率高、組成成分易于調(diào)節(jié)、對(duì)納米多孔膜滲透性好等優(yōu)點(diǎn)。但此類(lèi)電解質(zhì)又存在著嚴(yán)重缺陷，主要表現(xiàn)在有機(jī)溶劑易揮發(fā)、電解質(zhì)易泄漏，從而導(dǎo)致電池難于封裝、長(zhǎng)期穩(wěn)定性差，縮短了電池的壽命。液體電解質(zhì)的替代物研究已經(jīng)成為納晶染料敏化太陽(yáng)能電池的重點(diǎn)課題。

在國(guó)家科技部863項(xiàng)目和中國(guó)科學(xué)院“百人計(jì)劃”項(xiàng)目的資助下，中科院物理研究所光機(jī)能材料研究組在固態(tài)復(fù)合電解質(zhì)納米晶染料敏化太陽(yáng)電池的研究工作取得了很大突破，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的固態(tài)復(fù)合電解質(zhì)納晶染料敏化太陽(yáng)電池的效率處在世界一流水平或領(lǐng)先水平。

孟慶波介紹說(shuō)，他們選擇了全新的技術(shù)路線(xiàn)，在前期設(shè)計(jì)優(yōu)化納晶染料敏化太陽(yáng)電池的四個(gè)部分：即納晶多孔薄膜、染料、電解質(zhì)和對(duì)電極的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化了固態(tài)電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)組成和填充工藝，深入研究了電池放大的工藝和方法。這樣極大的加快了放大實(shí)驗(yàn)進(jìn)度。這種技術(shù)路線(xiàn)具有很強(qiáng)的科學(xué)性和先進(jìn)性?；诤?jiǎn)單、成本低、環(huán)境友好的理念設(shè)計(jì)合成了系列新型具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的電解質(zhì)。

該課題共申請(qǐng)了20余項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利和一項(xiàng)國(guó)際發(fā)明專(zhuān)利。這些專(zhuān)利涵蓋了染料敏化納米晶固態(tài)太陽(yáng)能電池的各個(gè)方面，包括納晶薄膜的制備，新型染料的設(shè)計(jì)合成，新型固態(tài)電解質(zhì)的制備工藝，對(duì)電極的制備工藝以及大電池的設(shè)計(jì)和組裝工藝等。利用這些專(zhuān)利可以制備出完整的電池組件。

他們?cè)谘芯康倪^(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了許多過(guò)去未觀察到的科學(xué)現(xiàn)象，如在小分子中發(fā)現(xiàn)“polymerinsalt”現(xiàn)象，多孔介質(zhì)中孔的光散射現(xiàn)象等。這些現(xiàn)象為以后的理論研究提供了新的素材，為設(shè)計(jì)制備高效的太陽(yáng)能電池開(kāi)辟了新的思路。