在奧地利第二大城市格拉茨，新落成的地標(biāo)建筑——科學(xué)塔的頂部裝設(shè)了1000平方米新型太陽能電池。這座60米高的大樓由此完全實(shí)現(xiàn)能源自給，日前還登上了國際著名學(xué)術(shù)期刊《焦耳》的封面。據(jù)悉，這些電池核心元件的研發(fā)者來自浙江大學(xué)。

這種新型太陽能電池模擬綠色植物的光合作用，被稱為染料敏化太陽能電池。它利用人工合成的有機(jī)化學(xué)材料，最終把太陽能轉(zhuǎn)化為電能。染料敏化太陽能電池的結(jié)構(gòu)就像一片樹葉。制備時(shí)，先將一種半導(dǎo)體材料電子印刷在一片光學(xué)玻璃上，這就是“葉片”。隨后將“葉片”浸泡在染料敏化劑中，直到染料完成吸附，“葉片”中就有了最關(guān)鍵的“葉綠素”——能夠吸收光子，實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)化。

其主要優(yōu)勢(shì)是：原材料豐富、成本低、工藝技術(shù)相對(duì)簡單，在大面積工業(yè)化生產(chǎn)中具有較大的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)所有原材料和生產(chǎn)工藝都是無毒、無污染的，部分材料可以得到充分的回收，對(duì)保護(hù)人類環(huán)境具有重要的意義。自從1991年瑞士洛桑高工（EPFL）M.Gratzel教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在該技術(shù)上取得突破以來，歐、美、日等發(fā)達(dá)國家投入大量資金研發(fā)。

染料敏化太陽能電池-結(jié)構(gòu)組成

主要由納米多孔半導(dǎo)體薄膜、染料敏化劑、氧化還原電解質(zhì)、對(duì)電極和導(dǎo)電基底等幾部分組成。納米多孔半導(dǎo)體薄膜通常為金屬氧化物（TiO2、SnO2、ZnO等），聚集在有透明導(dǎo)電膜的玻璃板上作為DSC的負(fù)極。對(duì)電極作為還原催化劑，通常在帶有透明導(dǎo)電膜的玻璃上鍍上鉑。敏化染料吸附在納米多孔二氧化鈦膜面上。正負(fù)極間填充的是含有氧化還原電對(duì)的電解質(zhì)，最常用的是KCl（氯化鉀）。

（1）染料分子受太陽光照射后由基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)

（2）處于激發(fā)態(tài)的染料分子將電子注入到半導(dǎo)體的導(dǎo)帶中;電子擴(kuò)散至導(dǎo)電基底，后流入外電路中;

（3）處于氧化態(tài)的染料被還原態(tài)的電解質(zhì)還原再生;

（4）氧化態(tài)的電解質(zhì)在對(duì)電極接受電子后被還原，從而完成一個(gè)循環(huán);

研究結(jié)果表明：只有非常靠近TiO2表面的敏化劑分子才能順利把電子注入到TiO2導(dǎo)帶中去，多層敏化劑的吸附反而會(huì)阻礙電子運(yùn)輸;染料色激發(fā)態(tài)壽命很短，必須與電極緊密結(jié)合，最好能化學(xué)吸附到電極上;染料分子的光譜響應(yīng)范圍和量子產(chǎn)率是影響DSC的光子俘獲量的關(guān)鍵因素。到目前為止，電子在染料敏化二氧化鈦納米晶電極中的傳輸機(jī)理還不十分清楚，有Weller等的隧穿機(jī)理、Lindquist等的擴(kuò)散模型等，有待于進(jìn)一步研究。

浙大化學(xué)系教授王鵬領(lǐng)銜的課題組與染料敏化原理太陽能電池的發(fā)明者、瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院教授格蘭澤爾團(tuán)隊(duì)合作，開發(fā)出新的材料，增強(qiáng)電池吸收轉(zhuǎn)化太陽能的能力，使這種電池的能量轉(zhuǎn)換效率首次達(dá)到10％。這種新型太陽能電池在長期光熱老化測(cè)試中表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，可在室外工作10到20年。

相比傳統(tǒng)的硅晶體太陽能電池，染料敏化太陽能電池具有諸多優(yōu)勢(shì)。它制備成本低，無化學(xué)污染，且可制成多種顏色，能直接用作建筑的玻璃幕墻、屋頂或窗戶等，實(shí)現(xiàn)光伏建筑一體化。此外，它的弱光效應(yīng)好，雖能量轉(zhuǎn)換效率略低于硅晶體太陽能電池，但每天工作時(shí)間可以超過8小時(shí)，比硅晶體太陽能電池多出一倍。

目前，該成果已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。浙大科研團(tuán)隊(duì)目前與瑞士光伏企業(yè)合作，產(chǎn)品應(yīng)用于瑞士科技會(huì)展中心等建筑。王鵬說，歐盟已提出到2025年新建建筑物能耗自供應(yīng)能力占到25%，代表了市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)，染料敏化太陽能電池的發(fā)展前景看好。