太陽能電池最怕陰雨、霧霾天氣，解決了這個難題，永不熄滅的“太陽能電池”將是逆天的發(fā)明，提供24小時不間斷的綠色能源。而一群來自青島的80后和90后青年，正在嘗試著這一顛覆式的創(chuàng)新。

日前，2018年度青島科學技術(shù)獎評審委員會評審工作已經(jīng)結(jié)束。其中，中國海洋大學材料科學與工程研究院教授唐群委團隊所研發(fā)的項目“新型染料敏化太陽能電池的關(guān)鍵材料與器件化研究”擬獲得青島市自然科學獎二等獎。

唐群委團隊所研發(fā)項目被稱之為“陰雨天不落的小太陽”，對世界上沒有電的地區(qū)是一項巨大的幫助。6年時間內(nèi)，團隊尋求一種“新型材料”，這種材料使科學界和產(chǎn)業(yè)界向“全天候太陽能電池”邁進的夢想又近了一步，同時也破解了“長期困擾太陽能電池研究的學術(shù)難題”，給行業(yè)帶去了新的啟發(fā)。唐群委（中）和他的90后團隊。

一個懸而未決的難題

對于新興的染料敏化太陽能電池的研發(fā)，唐群委用“各有特色”來形容目前中國的研究態(tài)勢。

自1954年美國貝爾實驗室發(fā)明第一塊單晶硅太陽能電池以來，在人類利用太陽能發(fā)電的歷程中陸續(xù)出現(xiàn)了GaAs（砷化鎵）電池、多晶硅電池、非晶硅電池等電池。1991年，瑞士聯(lián)邦理工學院的科學家研發(fā)成功了太陽能電池，不僅將這一電池的發(fā)電效率由1%以下提升至7.1%，而且讓其更加輕便、柔韌，并由此掀起了薄膜太陽能電池研究的熱潮。

“有的單位以有機染料見長，有的學者主要研究纖維太陽能電池，有的團隊以凝膠電解質(zhì)研究著稱，而我們側(cè)重于‘導電’凝膠電解質(zhì)和合金對電極的研究。”唐群委說，電解質(zhì)、對電極一直是制約染料敏化太陽能電池發(fā)展的兩大技術(shù)瓶頸，前者易泄漏、揮發(fā)，后者成本高、易溶解。“針對此，我們專注于‘導電’凝膠電解質(zhì)和合金對電極的研究，并取得了良好的成效。”

自2012年以來，唐群委帶領科研團隊聚焦技術(shù)瓶頸，取得了令學術(shù)界同行刮目相看的成績。先是他們采用自主研發(fā)的“導電”凝膠電解質(zhì)組裝的太陽能電池的最高光電轉(zhuǎn)換效率達到了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%），開創(chuàng)了凝膠電解質(zhì)研究的新模式；接著他們采用自己發(fā)明的合金對電極組裝的太陽能電池的發(fā)電效率達到了12.75%，已接近世界先進水平，進一步縮小了與發(fā)達國家的差距。

在太陽能電池的基礎研究中，除了聚焦電解質(zhì)、對電極這兩大制約染料敏化太陽能電池發(fā)展的瓶頸外，唐群委還向另一長期困擾太陽能電池科學界的難題發(fā)起了沖擊。“太陽能電池在暗環(huán)境發(fā)電效率低，甚至不發(fā)電一直是無法解決的難題。十多年來，國際上投入了大量的人力、物力、財力研究也沒有明顯起色。”唐群委說。從事其他研究之余，他也一直在思考這一難題，但始終沒有想到破解之法，直到2015年在與云南師范大學楊培志教授的聊天中他才得到啟發(fā)，最終促成了可在雨天發(fā)電太陽能電池的問世。

創(chuàng)新思路讓雨水能發(fā)電

如果說學術(shù)同行的點撥為唐群委指明了研究的新方向，那么偶然間讀到的一篇論文，成為了他正式開始雨天發(fā)電太陽能電池研發(fā)的催化劑。2014年，偶然的機會，他讀到一篇文章，文章稱有團隊在實驗中發(fā)現(xiàn)一滴鹽水在石墨烯材料上流動會產(chǎn)生電信號，唐群委一瞬間有了新想法。

雨水并非純凈水，受海風、風化、閃電等各種自然因素的影響而含陽離子以及陰離子，這些離子的含量與種類還會因氣候和環(huán)境的不同而呈現(xiàn)出明顯的區(qū)域性差異。唐群委帶領科研團隊迫不及待地進行了實驗，果不其然，雨滴滴落在石墨烯材料上也會形成陽離子/電子雙電層“贗電容”，雨滴在石墨烯表面的鋪展-收縮過程即為“贗電容”充、放電，進而產(chǎn)生電壓和電流。

“如何把石墨烯和現(xiàn)在的太陽能電池結(jié)合，進而制造出既可在晴天時運用太陽光發(fā)電，又可在下雨天利用雨水發(fā)電的新型太陽能電池是我們遇到的最大挑戰(zhàn)。”唐群委表示。實驗初期，他們把透明的石墨烯放置于太陽能電池的上層，白天有光照時，太陽光先穿過石墨烯，再照射到太陽能電池板上發(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%，以至于正常光照時電池效率比沒有石墨烯的電池效率有所降低，這在實際應用中并不經(jīng)濟。”唐群委說，經(jīng)過多個方案的比較研究，最終采用楊培志團隊研制的石墨烯，在太陽能電池上通過熱壓法組裝完成了相關(guān)實驗。

一個“80后”加一群“90后”

6年前，32歲的唐群委成為中國海洋大學借助“青年英才工程”（第一層次）引進的又一青年學者。初到海大，他確立了以染料敏化太陽能電池的‘導電’凝膠電解質(zhì)和合金對電極為主的研究方向。

之后，“80后”的唐群委帶領一群“90后”研究生和本科生實干苦干、穩(wěn)扎穩(wěn)打，三年多來，獲授權(quán)國家發(fā)明專利6項，以第一或通訊作者身份發(fā)表SCI論文110篇以上，其中不乏 《應用化學》這樣的國際知名期刊。

博士研究生段艷艷是“90后”學生團隊中年齡最大的一位，也是讓導師和師弟師妹信任的科研骨干。回憶起雨天發(fā)電太陽能電池的研發(fā)歷程，段艷艷用“既有辛苦，又有驚喜”來形容，“早晨五點起床，把實驗樓傳達室的大叔喊起來開門，晚上十點半又在大叔的催促下走出實驗室。到了最后的攻堅階段，就通宵做實驗、采集數(shù)據(jù)。”

“學生們既勤奮，又執(zhí)著，為了確保數(shù)據(jù)的真實性，每一個實驗都要重復上百次。做到最后，有學生都堅持不住了，問我‘唐老師可以了吧？’”唐群委說，為了避免學生在研究中走彎路，每周四下午他都會召開“組會”，大家輪流介紹自己一周的科研進展情況，遇到的問題、好的思路建議也要提出來，彼此集思廣益，在碰撞與交流中推進工作。

在成功獲得實驗數(shù)據(jù)的基礎上，經(jīng)過與楊培志的反復探討，他們最終撰寫出了題為 《一種既可在陽光下也可在雨水下發(fā)電的太陽能電池》的論文，投給德國《應用化學》雜志后，兩位評審專家均給出了“無須修改，直接刊用”的意見。論文刊發(fā)后，立刻引起了國際新聞界和學術(shù)界的關(guān)注，并被翻譯成英、法、德、拉丁、捷克等多種語言，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。（青島晚報/掌上青島/青網(wǎng)記者 薛飛）

創(chuàng)新夢想

打造全天候太陽能電池

作為全球光伏發(fā)電裝機容量最大的國家，雖然中國的裝機容量已達4318萬千瓦，但其電池類型主要以晶硅電池為主。第三代太陽能電池產(chǎn)品——染料敏化太陽能電池的產(chǎn)業(yè)化之路才剛剛起步。談及雨天發(fā)電太陽能電池的產(chǎn)業(yè)化之路，唐群委表示，從實驗室到工廠還有很長的路要走，但他對該項目的應用前景保持樂觀。“雨量充沛但太陽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域都能派上用場”。著眼更長遠的未來，唐群委說：“雨天發(fā)電太陽能電池不是最終目標，研發(fā)‘全天候太陽能電池’才是我們的終極理想，未來的太陽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。”

在給國外研究者的一封信里，唐群委也曾說：“全天候太陽能電池絕對有潛力解決能源危機。”

[責任編輯：楊凡、彭芳]

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