染料敏化太阳能电池(染料敏化太阳能电池的工作原理)

目前，全球每年至少消耗13太瓦(1太瓦=1万亿瓦)的能源。石油等化石燃料的不可再生性决定了人们必须寻找其替代品。

功率为12万兆瓦的太阳进入了人们的视线。理论上，只要收集一个小时的太阳能，就可以满足人类一年的能源需求。

为了有效地收集太阳能，人们尝试了各种方法，如开发大面积、高效率、低成本的太阳能电池。目前已工业化的晶体硅(单晶硅、多晶硅)太阳能电池，部分投产的薄膜电池(非晶/微晶硅基薄膜、碲化镉、铜铟镓硒)，主要在研的染料敏化电池、有机薄膜电池。

叶绿素太阳能电池因尽可能模仿自然界的光合作用而备受关注。

从太阳火到太阳能电池

说起来，人类利用太阳能的历史古已有之。公元前9世纪，中国人开始用“阳燧”(凹面镜)聚光生火。公元7世纪，凸面透明环境被用来聚集太阳能生火。

在现代，太阳能的使用已经变得很普遍。20世纪50年代，太阳能利用领域取得了两次重大技术突破:一是1954年贝尔实验室研制出6%实用单晶硅电池；第二，1955年，Tabor提出了选择性吸收表面的概念和理论，并成功研制了选择性太阳能吸收涂层。这两项突破为太阳能利用的普遍应用奠定了技术基础。

自20世纪70年代以来，鉴于常规能源的有限供应和日益增加的环保压力，许多国家掀起了开发利用太阳能的热潮。

几十年来，太阳能利用技术在研发、商业化生产和市场开拓方面取得了长足的进步，已成为世界上快速稳定发展的新兴产业之一。比如晶体硅(单晶硅、多晶硅)太阳能电池已经广泛产业化，部分薄膜电池已经投产。

目前，要大规模普及太阳能技术，光能的转换效率和能量的有效储存是两个无法回避的大问题。

晶体硅电池理论上光电转换效率最高可达32%，目前产业化水平在14%-18%之间。然而，高昂的制造成本大大限制了它的应用范围。目前晶体硅电池的理论使用寿命为20年(实际运行中要考虑电池表面的清洁度和恶劣天气造成的意外损坏)，整个使用寿命内的发电价格约为同期传统电价的2倍。

一些新开发的高效太阳能电池板更贵。比如一个转化效率41%的复合光合电池，10平方厘米就要几千块钱，电压只有0.5伏。就连发明这种电池的德国弗劳恩霍夫太阳能研究所所长艾克·韦伯也认为:“这么高的价格，任何人都会犹豫购买和安装。”

此外，如何储存能量也是难题之一。

大自然的光捕捉系统

有什么方法可以有效避免以上问题？

事实上，自然界一直存在阳光捕捉系统，从第一个绿色生命诞生至今，已经运行了27亿年。这就是光合作用。

目前，德国科学家发现一种叫做LHC-ⅱ的膜蛋白在绿色植物中含量最丰富，被视为捕光化合物。它是一个空中心球体，具有典型的二十面体对称性，为了吸收光能并传递，球体内部填充了色素分子。

这些色素分子包括叶绿素a(叶绿素)、叶绿素b(叶绿素b)、类胡萝卜素等。目前已知植物在漫长的进化过程中，只选择吸收红光的叶绿素A和吸收蓝紫光的叶绿素B来捕捉光。

最近发现，为了应对弱光环境，一些植物还衍生出了吸收长波光的色素。2010年，研究人员在西澳大利亚鲨鱼湾的一个蓝藻菌落中意外提取出这种叶绿素，并将其命名为叶绿素f，它可以吸收波长范围为0.7微米至0.8微米的红光和红外光(红外光的波长为0.77微米至1000微米，分为近红外和中红外)。

从基于叶绿素的光捕获系统到光反应中心，再加上10种辅助因子(如锰、铁、镁等)的共同作用。)，光合作用这个复杂而微妙的系统，将光转化为电，再一气呵成地转化为固定状态的化学能。

通过光合作用制造电池

近年来，科学家们开始尝试利用光合作用的原理开发电池。比如从植物中提取叶绿素，放入人工膜中，光照就会产生电。这是叶绿素电池。

2004年，有报道称美国科学家用菠菜提取的蛋白质制成了叶绿素电池。他们从菠菜中分离出可以捕捉光线的蛋白质，并把它们放在两层导电材料之间。当光线照射到这个微型装置上时，就会产生电流。

然而，这些蛋白质分子非常脆弱，当它们脱离自然环境时，往往无法继续工作。所以科学家将它们混合在一种叫做肽表面活性剂的肥皂状分子中。这些保护分子在这些产生能量的蛋白质周围形成一层保护膜，使它看起来像仍然在植物环境中。

蛋白质放在一片薄薄的金箔上，贴上一层导电金属，最上面一层是导电有机材料。当光线照射到这个“假三明治”上时，蛋白质会释放出电子，这些电子会传递到下一层金属层，形成电流。

专注于太阳能开发的加州理工学院刘易斯教授指出，“我们希望设计出一种与绿叶光合作用尽可能相似的过程。”言下之意是实现收集太阳光的功能，但其结构要尽可能简化。

马克斯，澳大利亚悉尼大学，2006年。克鲁斯利教授的研究小组制造了一种形状像足球的合成叶绿素分子，这是一种由碳、氢和氮合成的高度支化的纳米聚合物。附着在它上面的是合成色素卟啉(叶绿素光合作用的必需元素，位于镁离子的中心)。使用合成叶绿素，Krusley和他的研究小组建造了一个有机太阳能电池的原型。最后，希望能制造出比现有太阳能电池更高效的太阳能电池。因为绿叶可以有效地将30%-40%的光能转化为电能。

“我们已经有了模仿光电设备或太阳能电池的主要成分，”克鲁斯利说。从长远来看，我们必须设法生产出一种可以像薄薄的一层油漆一样简单地涂在屋顶上的东西。”他说，研究小组还希望制造存储设备来取代金属电池。

实际上真正的叶绿素太阳能电池因为“人造绿叶”的难度还在研究阶段，但是模仿光合作用原理的电池已经做出来了，这就是染料敏化电池。自1991年瑞士洛桑的M . Gratzel(EPFL)教授领导的研究团队在这项技术上取得突破后，欧美日等发达国家纷纷投入大量资金进行研发。

上海大学材料学院的研究员杨伟光说，染料敏化电池使用敏化剂合成染料，而不是植物中的叶绿素。目前，英国G24创新公司的产能为30兆瓦，生产和销售电池模块产品，转换效率超过6%。此外，瑞士的Solaronix、以色列的3Gsolar等公司专门从事染料敏化太阳能电池原材料的生产和销售，如染料、浆料、电解质、电极材料等。杨伟光说，目前，染料敏化电池模块的最高效率约为10%。这一纪录是由日本夏普公司创造的。"但只是在研发阶段，还没有商业化的产品."

我国染料敏化电池的研发和产业化也已经起步。据杨伟光介绍，除了高校和科研院所的研发，彩虹集团技术中心(北京)是中国唯一的染料敏化电池R&D中心。产业化方面，2009年，中船重工国有汉光机械厂(邯郸)与中科院化学所合作，总投资1.5亿元，进行了全国首个染料敏化太阳能电池产业化项目，但至今没有产品销售。另据报道，2011年11月19日，国内首个新型染料敏化太阳能电池项目在青岛高新区胶州湾北部园区投产。

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