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点亮雨天的新能源之光:我国科学家研发可在雨天发电的太阳能电池

发布时间: 2016-05-14 | 来源: 中国科学报 | 作者: 廖洋 冯文波 | 责任编辑: 名校



“这对世界上没有电的地区来说,是一项巨大的帮助,我向你致敬”、“我是一名正在创业的年轻人,想引入你的科研成果进行产业化”……近日,中国海洋大学材料科学与工程研究院唐群委教授收到了来自世界各地的多封邮件。“德国、英国、法国、意大利、澳大利亚、阿富汗、拉丁美洲都有,有记者请求采访的,有商人寻求合作的,有学术同行表示祝贺的……”谈及这一让他既感到高兴,又让他有些吃不消的“被打扰”,唐群委说,这一切皆由他的团队和云南师范大学杨培志教授的团队联合在德国最新一期科技期刊《应用化学》上刊发的一篇题为“一种既可在阳光下也可在雨水下发电的太阳能电池”的论文引起的。

在文章中,唐群委不仅记述了他带领科研团队开展新型太阳能电池研发的曲折历程,也详细阐释了这一可在雨天发电的太阳能电池的工作原理,从而使科学界和产业界向“全天候太阳能电池”迈进的梦想又近了一步。瞬时间,这一发明成为太阳能学术界和光伏产业界关注的焦点。

谈及这一可在雨天发电的太阳能电池的研发背景,唐群委说,这要从长期困扰太阳能电池研究的学术难题谈起。

源起:一个悬而未决的难题

自1954年美国贝尔实验室发明第一块单晶硅太阳能电池以来,在人类利用太阳能发电的历程中陆续出现了GaAs(砷化镓)电池、多晶硅电池、非晶硅电池、CdTe(碲化镉)电池……1991年,瑞士联邦理工学院的科学家Michael Grätzel教授又研发成功了介孔染料敏化太阳能电池,不仅将这一电池的发电效率由1%以下提升至7.1%,而且还采用了薄膜化技术,使其更加轻便、柔韧,并由此掀起了薄膜太阳能电池研究的热潮。

中国的太阳能电池研发起步于20世纪50年代中后期,当时仅限于航空航天领域,直至21世纪初才进入民用领域,且主要以各类晶硅电池为主。而对于新兴的染料敏化太阳能电池的研发,唐群委用“各有特色”来形容目前中国的研究态势。

“有的单位以有机染料见长,有的学者主要研究纤维太阳能电池,有的团队以凝胶电解质研究著称,而我们侧重于‘导电’凝胶电解质和合金对电极的研究。”唐群委说,电解质、对电极一直是制约染料敏化太阳能电池发展的两大技术“瓶颈”,前者易泄露、挥发,后者成本高、易溶解。“针对此,我们专注于‘导电’凝胶电解质和合金对电极的研究,并取得了良好的成效”。

自2012年以来,唐群委带领科研团队聚焦技术“瓶颈”,大胆创新,取得了令学术界同行刮目相看的成绩。先是他们采用自主研发的“导电”凝胶电解质组装的太阳能电池的最高光电转换效率达到了9.1%(普通凝胶电解质电池的转换效率为6%,液体电解质电池的转换效率为7%),开创了凝胶电解质研究的新模式;接着他们采用自己发明的合金对电极组装的太阳能电池的发电效率达到了12.75%,已接近世界先进水平,进一步缩小了与发达国家的差距。此外,他们还开发了以Co-Ni(钴镍)合金为原料的低成本对电极材料,并获得了8.3%的电池效率,在染料敏化太阳能电池规模产业化的道路上又前进了一步。

在太阳能电池的基础研究中,除了聚焦电解质、对电极这两大制约染料敏化太阳能电池发展的“瓶颈”外,唐群委还向另一长期困扰太阳能电池科学界的难题发起了冲击。“太阳能电池在暗环境发电效率低,甚至不发电一直是无法解决的难题。十多年来,国际上投入了大量的人力、物力、财力研究也没有明显起色。”唐群委说。从事其他研究之余,他也一直在思考这一难题,但始终没有想到破解之法,直到2015年在与云南师范大学杨培志教授的聊天中他才得到启发,最终促成了可在雨天发电太阳能电池的问世。

雨天发电太阳能电池结构示意图


创新:思路一变天地宽

2013年11月,第九届中国太阳级硅及光伏发电研讨会在江苏常熟举行,会议期间唐群委与来自云南师范大学可再生能源材料先进技术与制备教育部重点实验室的杨培志教授一见如故。在太阳能电池研究方面的志趣相投、理念一致,以及知识结构和研究背景的互补性使二人成为亲密无间的科研合作伙伴。“在一次交谈中,杨培志教授说如果能开发一种在夜晚和阴雨天等其他天气情况下也能发电的太阳能电池,那对光伏发电的推动作用将是非常大的。”唐群委说,正是有了杨培志教授的点拨,他才有意识地思考在其他天气情况下的太阳能发电问题。

如果说学术同行的点拨为唐群委指明了研究的新方向,那么偶然间读到的一篇论文,成为了他正式开始雨天发电太阳能电池研发的催化剂。“2014年,一次偶然的机会,我读到南京航空航天大学郭万林教授的一篇文章,他们团队在实验中发现一滴盐水在石墨烯材料上流动会产生电信号。”唐群委说,通过理论计算和数值模拟,郭万林团队对这一现象提出了合理解释:水滴中的阳离子与石墨烯的离域电子结合形成双电层电容,水滴的前部阳离子逐渐与电子结合,相当于给电容充电;而水滴的尾部阳离子与电子脱离,相当于给电容放电,这一充放电过程就产生了电信号。“受此启发,我就考虑雨滴滴落在石墨烯材料上是否也能产生电信号呢”?

雨水并非纯净水,受海风、风化、闪电等各种自然因素的影响而含有钠离子、钙离子、铵离子等阳离子以及氯离子、硫酸根离子、硝酸根离子等阴离子,这些离子的含量与种类还会因气候和环境的不同而呈现出明显的区域性差异。唐群委带领科研团队迫不及待地进行了实验,果不其然,雨滴滴落在石墨烯材料上也会形成阳离子/电子双电层“赝电容”,雨滴在石墨烯表面的铺展-收缩过程即为“赝电容”充、放电,进而产生电压和电流。

“如何把石墨烯和现在的太阳能电池结合,进而制造出既可在晴天时运用太阳光发电,又可在下雨天利用雨水发电的新型太阳能电池是我们遇到的最大挑战。”唐群委表示。实验初期,他们把透明的石墨烯放置于太阳能电池的上层,白天有光照时,太阳光先穿过石墨烯,再照射到太阳能电池板上发电。下雨天,雨水直接滴落在最外层的石墨烯板上发电。“不同方法研制的石墨烯性能有差异,且石墨烯的透光率并非100%,以至于正常光照时电池效率比没有石墨烯的电池效率有所降低,这在实际应用中并不经济。”唐群委说,经过多个方案的比较研究,最终采用杨培志教授团队研制的石墨烯,在太阳能电池上通过热压法组装完成了相关实验,但石墨烯薄膜与太阳能电池的合理耦合仍然是一个需要不断探索和创新的课题。

在使用一定浓度的氯化钠溶液模拟雨水的实验中,此太阳能电池实现了大约100微伏/滴的电压和0.5微安/滴的电流输出以及6.53%的光电转换效率。有学者在写给唐群委的邮件中表示,这项工作的贡献不在于产生了多少电能,而是提出了太阳能电池向“全天候”发展的新思路,打破了以往科学研究中过分关注如何高效利用和转化太阳光的思维方式。

唐群委教授(中)在指导学生做实验


团队:一个“80后”加一群“90后”

2012年8月,32岁的唐群委成为中国海洋大学借助“青年英才工程”(第一层次)引进的又一青年学者。“读大学时我就对中国海洋大学‘海纳百川、取则行远’的校园文化氛围十分向往。而且山东人比较恋家,我也希望回到家乡工作。”唐群委说,初到海大,没有实验室、没有设备、没有原料,甚至都没有明确的研究方向。“在学校和学院领导及同事的帮助下,我尽快搭建了工作平台,边摸索,边干,逐渐确立了以染料敏化太阳能电池的‘导电’凝胶电解质和合金对电极为主的研究方向”。

自2013年正式进入工作状态以来,“80后”的唐群委带领一群“90后”研究生和本科生实干苦干、稳扎稳打,三年多来,获授权国家发明专利6项,以第一或通讯作者身份发表SCI论文110篇以上,其中不乏《应用化学》这样的国际知名期刊。

博士研究生段艳艳是“90后”学生团队中年龄最大的一位,也是令导师和师弟师妹信任的科研骨干。“她在学生团队中起带头作用,大家都向她看齐。来实验室不到三年,她已在《应用化学》等杂志发表了9篇SCI论文。”唐群委在言语间流露出对学生的赞扬之意。回忆起雨天发电太阳能电池的研发历程,段艳艳用“既有辛苦,又有惊喜”来形容,“早晨五点起床,把实验楼传达室的大叔喊起来开门,晚上十点半又在大叔的催促下走出实验室。到了最后的攻坚阶段,就通宵做实验、采集数据”。

“学生们既勤奋,又执着,为了确保数据的真实性,每一个实验都要重复上百次。做到最后,有学生都坚持不住了,问我‘唐老师可以了吧?’”唐群委说,为了避免学生在研究中走弯路,每周四下午他都会召开“组会”,大家轮流介绍自己一周的科研进展情况,遇到的问题,好的思路、建议也要提出来,彼此集思广益,在碰撞与交流中推进工作。

在成功获得实验数据的基础上,经过与云南师范大学杨培志教授的反复探讨,他们最终撰写出了题为“一种既可在阳光下也可在雨水下发电的太阳能电池”的论文,投给德国《应用化学》杂志后,两位评审专家均给出了“无需修改,直接刊用”的意见,并当选为VIP(Very Important Paper)和Wiley出版社的Hot Topic。论文刊发后,立刻引起了国际新闻界和学术界的关注,并被翻译成英、法、德、拉丁、捷克等多种语言,甚至有媒体称其为“光伏发电史上具有里程碑意义”的创新。

唐群委教授(左)在指导学生做实验


未来:打造全天候太阳能电池

作为全球光伏发电装机容量最大的国家,2015年底,中国的装机容量已达4318万千瓦,但其电池类型主要以晶硅电池为主。第三代太阳能电池产品——染料敏化太阳能电池的产业化之路才刚刚起步。

谈及雨天发电太阳能电池的产业化之路,唐群委表示,从实验室到工厂还有很长的路要走,但他对该项目的应用前景保持乐观。“雨量充沛但太阳能资源不够丰富的地区,酸雨多发地区,以及岛礁供电和海上航行等领域都能派上用场”。着眼更长远的未来,唐群委说:“雨天发电太阳能电池不是最终目标,研发‘全天候太阳能电池’才是我们的终极理想,未来的太阳能电池有望在任何天气情况(白天、夜晚、阴、雨、雾、霾等)下发电”。(文:廖洋 冯文波)

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