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      模擬光合作用,浙大首次研制出轉化率達10%的敏化太陽能電池

                 近日,浙江大學化學系王鵬教授課題組與瑞士聯邦理工學院Michael Grätzel教授課題組合作,在光熱穩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換效率達10%的無揮發染料敏化太陽能電池。

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

      Joule當期封面,內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、對電極和導電基底幾個關鍵元件組成(見圖2)。

              如果知道樹葉的結構,你會很好地理解染料敏化太陽電池。從結構上來看,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構則取代了樹葉中的磷酸類酯膜。

              染料敏化太陽電池結構

              無揮發性

              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,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,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,解決了因揮發性溶劑而帶來的不穩定因素。

              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構來降低染料極性,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。

              高效轉化

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

              王鵬教授等人基于他們前期開發的模型染料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。通過超快發光動力學測量發現,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態壽命。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,首次實現了能量轉換效率達10%的無揮發染料敏化太陽電池。該器件在85攝氏度老化1000小時后,能量轉換效率的保有率仍在90%以上,展現出良好的應用前景。 

      瑞士科技會展中心

       

              染料敏化太陽電池具有諸多優勢:它可作為玻璃幕墻、屋頂或窗戶等,實現光伏建筑一體化,在低成本情況下實現建筑能源的自給,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,補足了其發光效率相對較低的不足。這種新型太陽能電池已經進入產業化,在奧地利的第二大城市格拉茨,當地科學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%。”王鵬說。

              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  轉自浙大)

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