我國(guó)自20世紀(jì)50年代中后期開(kāi)始進(jìn)行太陽(yáng)能電池研發(fā),直到21世紀(jì)太陽(yáng)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(lái)的各類晶硅電池為主。然而這種金屬硅提煉過(guò)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(fèi)大量電能。針對(duì)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(yáng)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(yáng)能電池研究的熱潮，這一新型電池的研發(fā)態(tài)勢(shì)可以用“各有特色”來(lái)形容。

近年來(lái)，中國(guó)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(duì)開(kāi)展新型太陽(yáng)能研發(fā)，取得了可在雨天發(fā)電的太陽(yáng)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(yáng)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(shuō)：“這要從長(zhǎng)期困擾太陽(yáng)能電池研究的學(xué)術(shù)難題談起。”

懸而未決之問(wèn)引發(fā)科技突破

電解質(zhì)、對(duì)電極一直是制約染料敏化太陽(yáng)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(guó)太陽(yáng)級(jí)硅及光伏發(fā)電研討會(huì)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室楊培志教授提到：“如果能開(kāi)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(yáng)能電池，那對(duì)光伏發(fā)電的推動(dòng)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(yáng)能發(fā)電問(wèn)題。他說(shuō)：“有的單位以有機(jī)染料見(jiàn)長(zhǎng)，有的學(xué)者主要研究纖維太陽(yáng)能電池，有的團(tuán)隊(duì)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(duì)電極的研究。”

唐群委教授團(tuán)隊(duì)首先采用自主研發(fā)的“導(dǎo)電”凝膠電解質(zhì)組裝太陽(yáng)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(kāi)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(duì)電極組裝的太陽(yáng)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(guó)家的差距。此外，他們還開(kāi)發(fā)了以鈷鎳合金為原料的低成本對(duì)電極材料，并獲得了8.3%的電池效率，在染料敏化太陽(yáng)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(yáng)能電池基礎(chǔ)研究中，除了聚焦電解質(zhì)、對(duì)電極這兩大制約染料敏化太陽(yáng)能電池發(fā)展的“瓶頸”外，唐群委還向另一長(zhǎng)期困擾太陽(yáng)能電池科學(xué)界的難題發(fā)起沖擊。“太陽(yáng)能電池在暗環(huán)境發(fā)電效率低，甚至不發(fā)電，一直是無(wú)法解決的難題。十多年來(lái)，國(guó)際上投入了大量的人力、物力、財(cái)力，研究也沒(méi)有明顯起色。”唐群委說(shuō)，從事其他研究之余，他也始終在思考這個(gè)難題，但始終沒(méi)有想到破解之法。一次偶然機(jī)會(huì)讀到南京航空航天大學(xué)郭萬(wàn)林教授關(guān)于鹽水在石墨烯材料上流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生電信號(hào)的研究報(bào)告，唐群委對(duì)雨滴滴落在石墨烯材料上是否也能產(chǎn)生電信號(hào)產(chǎn)生了質(zhì)疑。他帶領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)迫不及待地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，果不其然，雨滴滴落在石墨烯材料上也會(huì)形成陽(yáng)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(guò)程，進(jìn)而產(chǎn)生電壓和電流。

實(shí)際應(yīng)用中的“雨天”攻關(guān)

“如何把石墨烯和現(xiàn)在的太陽(yáng)能電池結(jié)合，制造出既可在晴天運(yùn)用太陽(yáng)光發(fā)電，又可在下雨天利用雨水發(fā)電的新型太陽(yáng)能電池是我們遇到的最大挑戰(zhàn)。”唐群委表示，實(shí)驗(yàn)初期，他們把透明的石墨烯放置于太陽(yáng)能電池的上層，白天有光照時(shí)，太陽(yáng)光先穿過(guò)石墨烯，再照射到太陽(yáng)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(shí)電池效率比沒(méi)有石墨烯的電池效率有所降低，這在實(shí)際應(yīng)用中并不經(jīng)濟(jì)。”經(jīng)過(guò)多個(gè)方案的比較研究，最終采用楊培志教授團(tuán)隊(duì)研制的石墨烯，在太陽(yáng)能電池上通過(guò)熱壓法組裝完成了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，但石墨烯薄膜與太陽(yáng)能電池的合理耦合仍然是一個(gè)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(shí)驗(yàn)中，此太陽(yáng)能電池實(shí)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(xiě)給唐群委的郵件中表示，這項(xiàng)工作的貢獻(xiàn)不在于產(chǎn)生了多少電能，而是提出了太陽(yáng)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(guò)分關(guān)注如何高效利用和轉(zhuǎn)化太陽(yáng)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(duì)和云南師范大學(xué)楊培志教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合在德國(guó)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(yáng)光下也可在雨水中發(fā)電的太陽(yáng)能電池”的論文，立即引起了國(guó)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(yǔ)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(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)化之路，唐群委表示，從實(shí)驗(yàn)室到工廠還有很長(zhǎng)的路要走，但他對(duì)該項(xiàng)目的應(yīng)用前景保持樂(lè)觀。“雨量充沛但太陽(yáng)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(chǎng)”。著眼更長(zhǎng)遠(yuǎn)的未來(lái)，唐群委說(shuō)：“雨天發(fā)電的太陽(yáng)能電池不是最終目標(biāo)，研發(fā)‘全天候太陽(yáng)能電池’才是我們的終極理想，未來(lái)的太陽(yáng)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。”

原標(biāo)題:中國(guó)海洋大學(xué)：陰雨天里也不落幕的“小太陽(yáng)”