隨著能源矛盾的日益顯現(xiàn)，尋找清潔、可持續(xù)的能源成為世界性課題。中國作為全球最大的太陽能電池生產(chǎn)國和需求國，正在發(fā)揮越來越重要的作用。

染料敏化太陽電池屬于下一代光伏技術，作為色彩絢麗的透明電板在產(chǎn)業(yè)化方面已嶄露頭角。去除電解質(zhì)中的揮發(fā)性組分并保證高效率和耐久性是獲得戶外器件長期應用的先決條件。

近日，浙江大學化學系王鵬教授課題組與瑞士聯(lián)邦理工學院Michael Gr?tzel教授課題組合作，在光熱穩(wěn)定的染料敏化太陽能電池研究方面取得了重要進展。中外科學家基于理論計算和他們前期開發(fā)的模型染料C218，將氰基丙烯酸電子受體用三元苯并噻二唑-乙炔-苯甲酸替代，合成出具有更寬光譜響應的窄能隙有機染料C268，與寬能隙的染料SC4在二氧化鈦表面共接枝，首次研制出強耐久且能量轉(zhuǎn)換效率達10%的無揮發(fā)染料敏化太陽能電池。

這一成果以封面論文形式發(fā)表于細胞出版社新創(chuàng)立的能源領域旗艦期刊《焦耳》（Joule）上，并已經(jīng)投入生產(chǎn)使用。
 

Joule當期封面，內(nèi)容為奧地利格拉茨的科技大廈

新一代能源

模擬光合作用

自然界中植物的光合作用，是地球上最為有效的固定太陽光能的過程，染料敏化太陽電池就是模仿光合作用原理，研制出來的一種新型太陽電池。其由低成本的納米多孔半導體薄膜、染料敏化劑、氧化還原電解質(zhì)、對電極和導電基底幾個關鍵元件組成（見圖2）。

如果知道樹葉的結(jié)構(gòu)，你會很好地理解染料敏化太陽電池。從結(jié)構(gòu)上來看，染料敏化太陽電池就像人工制作的樹葉，只是植物中的葉綠素被敏化劑所代替、而納米多孔半導體薄膜結(jié)構(gòu)則取代了樹葉中的磷酸類酯膜。

染料敏化太陽電池結(jié)構(gòu)

無揮發(fā)性

目前高效的染料敏化電池的電解液都采用乙腈作為溶劑，這種溶劑沸點僅有81.6攝氏度，就像香水一樣，極易揮發(fā)，嚴重影響太陽電池的使用壽命。

王鵬等人使用室溫熔鹽作為電解質(zhì)，也就是在室溫下，完全由離子組成的液體導電材料。這種熔鹽沒有蒸氣壓，且遇火不會燃燒。通過大量的理論計算和實驗篩選，最終他們找到了粘度低、導電率高的鹽作為電池的電解液，解決了因揮發(fā)性溶劑而帶來的不穩(wěn)定因素。

不易脫附

染料吸附在納米半導體材料（通常為二氧化鈦）的表面，就好比墻上的油漆，容易脫附。

王鵬課題組通過修飾染料的化學結(jié)構(gòu)來降低染料極性，使得染料在電解液中溶解度大大降低，讓染料像貝殼一樣牢固附著在二氧化鈦半導體這塊石頭上。這樣的設計，可使太陽電池在室外工作到10到20年。

高效轉(zhuǎn)化

之前同類的太陽能電池能量轉(zhuǎn)化效率低的原因是吸收轉(zhuǎn)化的太陽能少。

王鵬教授等人基于他們前期開發(fā)的模型染料C218，將氰基丙烯酸電子受體用三元苯并噻二唑-乙炔-苯甲酸替代，合成出具有更寬光譜響應的窄能隙有機染料C268。通過超快發(fā)光動力學測量發(fā)現(xiàn)，基于C268染料的器件具有更大短路光電流的起因在于該染料長的激發(fā)態(tài)壽命。在此基礎上，作者將窄能隙的C268染料與寬能隙的染料SC4在二氧化鈦表面共接枝，獲得致密且牢固的混合自組裝單分子層，首次實現(xiàn)了能量轉(zhuǎn)換效率達10％的無揮發(fā)染料敏化太陽電池。該器件在85攝氏度老化1000小時后，能量轉(zhuǎn)換效率的保有率仍在90%以上，展現(xiàn)出良好的應用前景。

瑞士科技會展中心

染料敏化太陽電池具有諸多優(yōu)勢：它可作為玻璃幕墻、屋頂或窗戶等，實現(xiàn)光伏建筑一體化，在低成本情況下實現(xiàn)建筑能源的自給，且無化學污染，整體性好，還可做成多種顏色，兼具美觀；其弱光效應好，每天工作時間可以超過8小時，遠高于硅晶體太陽能電池每天約4小時的工作時間，補足了其發(fā)光效率相對較低的不足。這種新型太陽能電池已經(jīng)進入產(chǎn)業(yè)化，在奧地利的第二大城市格拉茨，當?shù)乜茖W城的地標性建筑的屋頂，裝設了一千平方米的半透明太陽電池板（見圖1）；瑞士科技會展中心位于洛桑聯(lián)邦理工學院校園北部，在彩色的染料敏化太陽電池的妝點下，建筑物既富科技感又不失華麗（見圖3）。“未來新型的染料敏化太陽能池將擁有更大的市場，比如就歐盟而言，提出到2025年新建建筑物能耗自供應能力占到25%?！蓖貔i說。
    這項研究得到了國家重大科學研究計劃、國家自然科學基金等項目的資助。

（文 柯溢能/圖片由課題組提供）