500瓦染料电池示范电站

     全

新突破

    染料敏化太阳电池是太阳能研究和开发领域出现的又一“曙光”。事实上，该类太阳电池的起源要追溯到上世纪40年代，国际上首次报道了有机光敏染料对宽禁带氧化物半导体的敏化作用，科学家将罗丹明B、曙红、赤藓红、花菁等染料吸附于压紧的氧化锌粉末上，观察到可见光的光电流响应，此后人们一直在研究光敏染料对半导体电极的敏化作用。

    这项研究直到1991年，瑞士洛桑高等工业学院的格利策教授等人在国际权威学术刊物《Nature》杂志上宣称，他们用纳米尺度的二氧化钛制成多孔薄膜，并吸附对光敏感的合成染料后，获得了7.1%的光电转换效率，实现了染料敏化太阳电池的重大突破，引起人们极大的关注。之后，德国、澳大利亚、日本、瑞典、美国等科学家都积极投身于该项技术的研发。

    由于该类电池的原材料丰富、制备工艺相对简单，其未来预计成本在1美元/峰瓦以内，可实现廉价利用太阳能的目标，这是太阳电池研究工作的一个突破。如果这类电池能进入大工业生产，将使清洁能源的利用走入千家万户。

    独特优势

    目前在光伏发电市场占主要地位的是硅太阳电池，昂贵的生产成本和复杂的制备工艺是制约该类电池在我国大规模推广应用的关键。在过去的两年里，由于全球石油价格飞涨，太阳电池产量迅速增加，2005全球产量已达到1.8千兆瓦，太阳电池级硅材料的价格也涨了好几倍，硅材料的缺乏将是限制该类太阳电池快速发展的主要障碍。要使光伏发电真正成为能源体系的重要组成部分，关键是提高它的性价比，使之与常规能源相当。太阳电池薄膜化也已被我们国家确定为这一领域的主要发展方向。

    太阳电池实现薄膜化后，至少有三大好处。一是大大节省昂贵的半导体材料；二是薄膜太阳电池的材料和器件制备可同步完成，工艺技术比较简单，便于大面积连续化生产，有利于降低制造成本；三是薄膜太阳电池采用低温技术，便于使用廉价衬底，同时明显降低能耗，缩短能量回收期。

    染料敏化太阳电池是一种电化学太阳电池，但与常规的电化学太阳电池相比，在半导体电极与染料上有很大的改进。染料敏化太阳电池作为薄膜光伏电池的一种，主要的优势是原材料丰富，成本低廉，性能稳定。电池制作中主要工艺是大面积丝网印刷技术和简单浸泡方法，有利于大面积工业化生产。而且所有原材料和生产工艺都无毒、无污染，电池中的导电玻璃可以得到充分的回收，对保护环境有重要的意义。

    大家知道，太阳电池可直接把太阳能转变成电能，实现大规模光伏发电，对解决我国广大中西部无电地区的能源问题有重大意义。从长远来看，如果染料敏化太阳电池成本降到每峰瓦10元，其性价比就可与常规能源相当。如果效率达到7%，每平方米电池供电将有70瓦，那么，14.3平方公里的面积就可达到1兆瓦的供电能力。

    路还很长

    在国家项目支持下，染料敏化太阳电池下一步的主要目标是在工艺和产业化制造技术上，争取有新的突破。重点解决电池长时间稳定性和提高电池组件的效率，一旦推广应用，要求至少要有15~20年以上的稳定期。太阳电池要真正做到低价应用，使普通老百姓用得起，这才是关键的出路。我国在染料敏化太阳电池的产业化研究上，在国家重点基础规划项目和中科院知识创新项目的大力支持下，瞄准国家可持续发展目标，为该项电池的规模化应用努力。相信在未来几年内，我国在太阳电池产业化的道路上会向前迈出更坚实的一步。

    染料电池工作原理

    染料敏化太阳电池的工作原理与自然界中绿色植物的光合作用原理相类似。绿色植物的光合作用是通过叶绿体，吸收并利用光能，把二氧化碳和水转化成储存能量的有机物，并且释放出氧气的过程。这一过程只要有太阳光就能一直进行下去。

    人工光合作用是采用类似叶绿素的染料来吸收太阳光，产生电子，电子再被电极收集，然后再通过外电路，回到反电极，产生光电流。

    图为染料敏化太阳电池的结构及工作原理：它的上下两端是玻璃，中间是用纳米尺度的二氧化钛制成的多孔导电薄膜，它吸附了光敏染料，并被注入了氧化还原电解质溶液。

    当染料分子吸收太阳光后，电子开始变得活跃，并脱离原先的基态，与二氧化钛发生氧化反应，电子很快跑到表面被电极收集，通向外电路；而从另一端电极返回的电子被电解质中的离子捕获，送还给被氧化的染料分子，使其重新回复到基态，这就完成电子的输运循环过程。这个循环过程只要有太阳光，并且与外电路接通，就能持续不断地进行下去。