【科技】雨天发电太阳能电池取得新突破 向“全天候太阳能”设想迈进

我国自20世纪50年代中后期开始进行太阳能电池研发,直到21世纪太阳能电池才进入民用领域，且主要以金属硅（工业硅）提纯而来的各类晶硅电池为主。然而这种金属硅提炼过程中产生的四氯化硅有强腐蚀性、急毒性，又难保存，因而污染最为严重。从金属硅中提纯出的多晶硅片处理又要耗费大量电能。针对这种高污染、高消耗的弊端，1991年，瑞士联邦理工学院的科学家成功研发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，这一新型电池的研发态势可以用“各有特色”来形容。

近年来，中国海洋大学材料科学与工程研究院唐群委教授带领团队开展新型太阳能研发，取得了可在雨天发电的太阳能电池的重要性阶段成果，使科学界和产业界向“全天候太阳能”的设想迈进了一大步。

谈及这一研究背景，唐群委教授说：“这要从长期困扰太阳能电池研究的学术难题谈起。”

悬而未决之问引发科技突破

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。2013年11月，第九届中国太阳级硅及光伏发电 研讨会期间，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杨培志教授提到：“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。”唐群委大受启发，顺着杨教授的思路认真思考并研究在其他天气情况下的太阳能发电问题。他说：“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，而我们则侧重于‘导电’凝胶电解质和合金对电极的研究。”

唐群委教授团队首先采用自主研发的“导电”凝胶电解质组装太阳能电池,使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。接着他们又采用自己发明的合金对电极组装的太阳能电池，发电效率更是达到了12.75%，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，他也始终在思考这个难题，但始终没有想到破解之法。一次偶然机会读到南京航空航天大学郭万林教授关于盐水在石墨烯材料上流动会产生电信号的研究报告，唐群委对雨滴滴落在石墨烯材料上是否也能产生电信号产生了质疑。他带领科研团队迫不及待地进行实验，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-收缩即为“赝电容”充、放电过程，进而产生电压和电流。

实际应用中的“雨天”攻关

“如何把石墨烯和现在的太阳能电池结合，制造出既可在晴天运用太阳光发电，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。”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。

“全天候”是终极探索

唐群委带领他的年轻团队和云南师范大学杨培志教授团队联合在德国最新一期科技期刊《应用化学》上刊发了题为“一种既可在阳光下也可在雨水中发电的太阳能电池”的论文，立即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。

谈及雨天发电的太阳能电池产业化之路，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：“雨天发电的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。”
 

文章作者：冯文波