神奇的“树叶”会发电:奥地利科学塔用上浙江新型太阳能电池

2019-10-09      245 次浏览

在奥地利第二大城市格拉茨,新落成的地标建筑——科学塔的顶部装设了1000平方米新型太阳能电池。这座60米高的大楼由此完全实现能源自给,日前还登上了国际著名学术期刊《焦耳》的封面。据悉,这些电池核心元件的研发者来自浙江大学。


这种新型太阳能电池模拟绿色植物的光合作用,被称为染料敏化太阳能电池。它利用人工合成的有机化学材料,最终把太阳能转化为电能。染料敏化太阳能电池的结构就像一片树叶。制备时,先将一种半导体材料电子印刷在一片光学玻璃上,这就是“叶片”。随后将“叶片”浸泡在染料敏化剂中,直到染料完成吸附,“叶片”中就有了最关键的“叶绿素”——能够吸收光子,实现光电转化。


其主要优势是:原材料丰富、成本低、工艺技术相对简单,在大面积工业化生产中具有较大的优势,同时所有原材料和生产工艺都是无毒、无污染的,部分材料可以得到充分的回收,对保护人类环境具有重要的意义。自从1991年瑞士洛桑高工(EPFL)M.Gratzel教授领导的研究小组在该技术上取得突破以来,欧、美、日等发达国家投入大量资金研发。


染料敏化太阳能电池-结构组成


主要由纳米多孔半导体薄膜、染料敏化剂、氧化还原电解质、对电极和导电基底等几部分组成。纳米多孔半导体薄膜通常为金属氧化物(TiO2、SnO2、ZnO等),聚集在有透明导电膜的玻璃板上作为DSC的负极。对电极作为还原催化剂,通常在带有透明导电膜的玻璃上镀上铂。敏化染料吸附在纳米多孔二氧化钛膜面上。正负极间填充的是含有氧化还原电对的电解质,最常用的是KCl(氯化钾)。


(1)染料分子受太阳光照射后由基态跃迁至激发态


(2)处于激发态的染料分子将电子注入到半导体的导带中;电子扩散至导电基底,后流入外电路中;


(3)处于氧化态的染料被还原态的电解质还原再生;


(4)氧化态的电解质在对电极接受电子后被还原,从而完成一个循环;


研究结果表明:只有非常靠近TiO2表面的敏化剂分子才能顺利把电子注入到TiO2导带中去,多层敏化剂的吸附反而会阻碍电子运输;染料色激发态寿命很短,必须与电极紧密结合,最好能化学吸附到电极上;染料分子的光谱响应范围和量子产率是影响DSC的光子俘获量的关键因素。到目前为止,电子在染料敏化二氧化钛纳米晶电极中的传输机理还不十分清楚,有Weller等的隧穿机理、Lindquist等的扩散模型等,有待于进一步研究。


浙大化学系教授王鹏领衔的课题组与染料敏化原理太阳能电池的发明者、瑞士联邦理工学院教授格兰泽尔团队合作,开发出新的材料,增强电池吸收转化太阳能的能力,使这种电池的能量转换效率首次达到10%。这种新型太阳能电池在长期光热老化测试中表现出良好的稳定性,可在室外工作10到20年。


相比传统的硅晶体太阳能电池,染料敏化太阳能电池具有诸多优势。它制备成本低,无化学污染,且可制成多种颜色,能直接用作建筑的玻璃幕墙、屋顶或窗户等,实现光伏建筑一体化。此外,它的弱光效应好,虽能量转换效率略低于硅晶体太阳能电池,但每天工作时间可以超过8小时,比硅晶体太阳能电池多出一倍。


目前,该成果已实现产业化。浙大科研团队目前与瑞士光伏企业合作,产品应用于瑞士科技会展中心等建筑。王鹏说,欧盟已提出到2025年新建建筑物能耗自供应能力占到25%,代表了市场发展趋势,染料敏化太阳能电池的发展前景看好。


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