模擬光合作用,，浙大首次研制出轉(zhuǎn)化率達(dá)10%的敏化太陽能電池

該成果已經(jīng)投入歐盟市場(chǎng),，發(fā)電能力較同類產(chǎn)品提高30%

隨著能源矛盾的日益顯現(xiàn)，尋找清潔,、可持續(xù)的能源成為世界性課題,。中國作為全球最大的太陽能電池生產(chǎn)國和需求國，正在發(fā)揮越來越重要的作用,。

染料敏化太陽電池屬于下一代光伏技術(shù)，作為色彩絢麗的透明電板在產(chǎn)業(yè)化方面已嶄露頭角,。去除電解質(zhì)中的揮發(fā)性組分并保證高效率和耐久性是獲得戶外器件長期應(yīng)用的先決條件,。

近日，浙江大學(xué)化學(xué)系王鵬教授課題組與瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院Michael Gr?tzel教授課題組合作,，在光熱穩(wěn)定的染料敏化太陽能電池研究方面取得了重要進(jìn)展,。中外科學(xué)家基于理論計(jì)算和他們前期開發(fā)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(yīng)的窄能隙有機(jī)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(qiáng)耐久且能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)10%的無揮發(fā)染料敏化太陽能電池,。

這一成果以封面論文形式發(fā)表于細(xì)胞出版社新創(chuàng)立的能源領(lǐng)域旗艦期刊《焦耳》（Joule）上,，并已經(jīng)投入生產(chǎn)使用。

Joule當(dāng)期封面,，內(nèi)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(dǎo)體薄膜、染料敏化劑,、氧化還原電解質(zhì),、對(duì)電極和導(dǎo)電基底幾個(gè)關(guān)鍵元件組成（見圖2）。

如果知道樹葉的結(jié)構(gòu),，你會(huì)很好地理解染料敏化太陽電池,。從結(jié)構(gòu)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(dǎo)體薄膜結(jié)構(gòu)則取代了樹葉中的磷酸類酯膜。

染料敏化太陽電池結(jié)構(gòu)

無揮發(fā)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(diǎn)僅有81.6攝氏度,，就像香水一樣，極易揮發(fā),，嚴(yán)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(zhì),，也就是在室溫下，完全由離子組成的液體導(dǎo)電材料,。這種熔鹽沒有蒸氣壓,，且遇火不會(huì)燃燒。通過大量的理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)篩選,，最終他們找到了粘度低,、導(dǎo)電率高的鹽作為電池的電解液，解決了因揮發(fā)性溶劑而帶來的不穩(wěn)定因素,。

不易脫附

染料吸附在納米半導(dǎo)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(xué)結(jié)構(gòu)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(dǎo)體這塊石頭上,。這樣的設(shè)計(jì),，可使太陽電池在室外工作到10到20年。

高效轉(zhuǎn)化

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

王鵬教授等人基于他們前期開發(fā)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(yīng)的窄能隙有機(jī)染料C268,。通過超快發(fā)光動(dòng)力學(xué)測(cè)量發(fā)現(xiàn),，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(fā)態(tài)壽命。在此基礎(chǔ)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(shí)現(xiàn)了能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)10％的無揮發(fā)染料敏化太陽電池,。該器件在85攝氏度老化1000小時(shí)后,，能量轉(zhuǎn)換效率的保有率仍在90%以上，展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景,。

瑞士科技會(huì)展中心

染料敏化太陽電池具有諸多優(yōu)勢(shì)：它可作為玻璃幕墻,、屋頂或窗戶等，實(shí)現(xiàn)光伏建筑一體化,，在低成本情況下實(shí)現(xiàn)建筑能源的自給,，且無化學(xué)污染，整體性好,，還可做成多種顏色,，兼具美觀；其弱光效應(yīng)好,，每天工作時(shí)間可以超過8小時(shí),，遠(yuǎn)高于硅晶體太陽能電池每天約4小時(shí)的工作時(shí)間,，補(bǔ)足了其發(fā)光效率相對(duì)較低的不足。這種新型太陽能電池已經(jīng)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化,，在奧地利的第二大城市格拉茨,，當(dāng)?shù)乜茖W(xué)城的地標(biāo)性建筑的屋頂，裝設(shè)了一千平方米的半透明太陽電池板（見圖1）,；瑞士科技會(huì)展中心位于洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院校園北部,，在彩色的染料敏化太陽電池的妝點(diǎn)下，建筑物既富科技感又不失華麗（見圖3）,?！拔磥硇滦偷娜玖厦艋柲艹貙碛懈蟮氖袌?chǎng)，比如就歐盟而言,，提出到2025年新建建筑物能耗自供應(yīng)能力占到25%?！蓖貔i說,。

這項(xiàng)研究得到了國家重大科學(xué)研究計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助,。

實(shí)驗(yàn)配計(jì)算,，輕松發(fā)頂刊

深圳華算科技是一家專注計(jì)算解決方案的高科技公司，采用第一性原理計(jì)算和分子動(dòng)力學(xué)方法,，結(jié)合量子化學(xué)模擬軟件,，專注為海內(nèi)外催化、電池,、納米,、高分子及生物領(lǐng)域科研人員提供計(jì)算模擬整體技術(shù)咨詢方案。涉及吸附,、反應(yīng)機(jī)理,、離子擴(kuò)散、界面反應(yīng),、結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變,、譜學(xué)模擬、催化活性能,、反應(yīng)路徑,、自由能以及生物酶催化等方向。

在華算科技強(qiáng)大的技術(shù)支持下,，客戶的研究成果已發(fā)表在AdvancedMaterials,、ACS Nano、Angew. Chem. Int. Ed.,、Journal of Materials Chemistry A,、Nano Energy,、ChemSusChem等國際優(yōu)質(zhì)期刊上。