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固态染料敏化电池转化率达到15%

北京时间9月29日消息,科学日报报道,现在科学家们都在寻找最优化太阳能量的方法。硅光伏电能电池板、染料敏化太阳能电池、集中电池板和热力学太阳能电厂都追求相同的目标:为了获得来自太阳光的最大电子量。这些电子可以转化为电,实现照明和为电冰箱提供能量等目的。

  3月23日,应天津大学巩金龙教授邀请,瑞士洛桑联邦理工学院界面与光子学实验室主任、德国科学院院士、国际著名科学家、染料敏化太阳能电池之父Michael Gratzel教授做客北洋大讲堂,带领天大学生叩开科学的门扉,窥探光电的奥妙。

据物理学家组织网近日报道,瑞士科学家采用新的两步法,制造出了一种固态染料敏化太阳能电池,其转化率高达15%,可以与传统的非晶硅太阳能电池相媲美。科学家们表示,最新研究将开创DSSC研发的新时代,未来DSSC的稳定性和效率有望等于甚至超过目前最好的薄膜光伏太阳能电池。研究发表在最新一期的《自然》杂志上。

模仿植物光合作用的染料敏化太阳能电池

  巩金龙主持讲座。Gratzel教授从灵感到创新再到应用三方面介绍太阳能电池的发展历程,他用三个简短的发问引出全球面临的能源危机问题。“每人每年维持正常生活需要多少能量?”“世界有多少人口?”“每年需要消耗多少能量?”他提醒听众庞大且仍在膨胀的能源需求背后面临着能源紧缺和环境污染等严峻问题,要将全球能源结构转向可再生能源有利于维持人类社会的健康发展。他表示,能源问题不仅在于能源的获取,理想的能源要顾及效率、花费、稳定性三个方面,并且不能对环境产生不利的影响。因此,太阳能电池研究的重要性不言而喻。

与传统太阳能电池相比,DSSC有很多优势。它们工艺简单、成本低、环保,而且在阴天和人造光环境下也具有较高的转化效率。但迄今为止,其转化效率仍不及硅基太阳能电池,主要原因在于敏化染料再生过程中产生的电压损失。

在瑞士洛桑联邦理工学院光子学与接口实验室,由光电化学家迈克尔格拉兹尔教授带领的科学家们发明了模仿植物光合作用的染料敏化太阳能电池,他们还研发了通过太阳的水分解产生例如氢等燃料。

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瑞士洛桑联邦理工学院的最新研究或许可以改变这一现状。新电池使用钙钛矿(CaTiO3)材料作为捕光设备,并使用一种有机空穴运输材料取代传统电池中使用的电解液。在新电池的制造过程中,科学家们会将钙钛矿材料直接沉积在一块金属氧化物薄膜上。但这会产生一个问题:添加整块材料通常会使得到的太阳能电池的形态和效率不稳定,因而很难将其应用于日常生活中。

为了实现这一目的,他们要么得使用暴露在太阳光下可以将水直接分解成氢和氧的光催化制氢电池,要么就要结合发电电池和分解水分子的电解器。通过使用第二种方法,格拉兹尔的博士研究生罗景山和同事获得了惊人的结果,这一成就被发表在期刊《科学》上。

  他还就其多年来对太阳能应用的研究进行了介绍。Gratzel教授表示,无论是制造新型太阳能电池如燃料敏化电池、钙钛矿电池,还是直接利用太阳能进行全解水产氢,又或是太阳能电池和二氧化碳还原的串联,都为如今太阳能的利用奠定了坚实的基础。例如,通过光电反应进行二氧化碳还原可以利用太阳能将二氧化碳转换为燃料及其他化学品,从而起到缓解温室效应的作用。  

但该团队使用新的两步法解决了这个问题。首先,他们将部分钙钛矿沉积在金属氧化物支架的空穴中,然后让沉积部分同包含有另一部分钙钛矿的溶液相接触,一旦它们接触,就会立刻发生反应并转化成高灵敏的色素,太阳能电池的形态因此可以得到很好地控制。

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