太阳能电池：让“阳光”主宰未来生活

面对矿物能源的日益紧缺和造成的环境污染，光伏发电是解决能源缺乏和环境污染的最有效途径之一。

科学家的努力正告诉人们，阳光正在成为人类未来生活的能量来源和人类赖以生存的“主食”。制约太阳能电池走向市场的重要瓶颈是其过高的价格，解决这一问题的有效途径有如下两个方面，一是进一步发展新工艺、新技术，降低传统硅基太阳电池的成本，二是开发新型太阳电池。

低价的新型薄膜太阳电池将成为解决光伏科技发展和太阳能电力运用的突破口之一。我国“十五”期间由中科院物理所联合中科院化学所、复旦大学共同承担的国家863计划项目“固态纳米晶染料太阳能电池”的成功研发，使我国在该领域迅速跻身世界先进行列。

纳晶太阳能电池的创始人M.Gratzel先生对他们的研究成果给予很高的评价，先后两次参观了他们的实验室，并进行学术交流。M.Gratzel教授称这一研究团队是他的“竞争对手”，同时希望与他们建立密切的合作关系，共同努力加快纳晶燃料敏化太阳能电池走向市场的步伐。

各国逐鹿“太阳”

瑞士洛桑高等理工学院M.Gratzel教授首先发明了二氧化钛纳晶薄膜染料敏化液体电解质太阳电池，并在1991年一举突破了7%%的光电转换效率。立即得到了国际上广泛地关注，至今一直是国际上研究的热点。其廉价的生产成本和易于工业化生产的工艺技术以及广阔的应用前景，吸引了欧、美、澳、日等众多科学家与公司投入很大力量进行研究和开发。

美国、欧洲、日本、澳大利亚等发达国家一直把发展光伏电池放在可再生能源的首位，在可再生能源的研究和开发的投资逐年新增。在示范应用方面，美、欧、日等发达国家都公布了规模为吉瓦(GW)级的“百万光伏屋顶计划”。

据统计，在世界范围内，1998年以后光伏组件的生产以每年30%以上的速度递增。截至2004年底，全球光伏电池的生产总量超过1000万kW。光伏技术与产业的腾飞，将逐步改变现有能源组成结构。美国计划到2020年光伏发电要占到全美届时发电装机增量的15%%左右，累计安装量达到3600万kW。

在过去的几年中，我国光伏产业正以每年30%的速度上升，2002年光伏电池实际生产量力仅有6MW，而2004年底国内光伏电池装机容量达6.5万kW。根据初步完成的《可再生能源中长期发展规划》，到2020年太阳能发电将达到200万kW。光伏发电重要用于家庭、交通、通讯等小型用电领域。从长远来看，若并入电网或其他领域，市场容量更为可观。在我国，解决无电地区人民的生活用电，光伏电池的发电量要5GW，而我国光伏产业发展还相对落后，无论从生产技术、规模还是生产设备、材料等方面均与世界先进水平有较大差距。

目前，光伏电池仍然以单晶硅和非晶硅为主，产量最多的国家有日本、美国和欧洲。现世界每年约有1000亿美元的潜在市场，仅美国每年约需300亿美元的光电池产品，因此，全世界光伏电池的产量仅为市场容量的1%。产需巨大缺口的重要原因在于传统硅基光伏电池昂贵的生产成本，为了进一步降低成本，促进光伏产业的发展，低价的新型薄膜太阳电池成为国际太阳电池研究中的重要发展方向之一，而纳米晶染料敏化太阳电池作为新一代薄膜太阳电池代表之一正在受到人们的广泛关注。

“在科技部、基金委、中科院的大力支持下，我国科学院化学所、等离子体研究所、理化技术研究所、物理所和北京大学、复旦大学、清华大学、武汉大学、吉林大学、东南大学、华侨大学等研究团队，在纳晶染料敏化太阳能电池的基础研究和应用开发研究里都做出了富有成效的工作，取得了很多成果，受到国际同行的重视。很坦诚的讲，经过我国科技工作者的共同努力，我们在纳晶染料太阳能电池领域的很多研究工作已经达到了世界先进水平。”中科院物理研究所研究员孟庆波说。

自主创新拼出世界一流

遗憾的是，目前高效率的纳米晶薄膜染料敏化液体电解质太阳电池都是基于液体电解质来实现的，这重要是由于液体电解质具有扩散速度快、光电转换效率高、组成成分易于调节、对纳米多孔膜渗透性好等优点。但此类电解质又存在着严重缺陷，重要表现在有机溶剂易挥发、电解质易泄漏，从而导致电池难于封装、长期稳定性差，缩短了电池的寿命。液体电解质的替代物研究已经成为纳晶染料敏化太阳能电池的重点课题。

在国家科技部863项目和我国科学院“百人计划”项目的资助下，中科院物理研究所光机能材料研究组在固态复合电解质纳米晶染料敏化太阳电池的研究工作取得了很大突破，具有自主知识产权的固态复合电解质纳晶染料敏化太阳电池的效率处在世界一流水平或领先水平。

孟庆波介绍说，他们选择了全新的技术路线，在前期设计优化纳晶染料敏化太阳电池的四个部分：即纳晶多孔薄膜、染料、电解质和对电极的基础上，进一步优化了固态电解质的结构组成和填充工艺，深入研究了电池放大的工艺和方法。这样极大的加快了放大实验进度。这种技术路线具有很强的科学性和先进性。基于简单、成本低、环境友好的理念设计合成了系列新型具有自主知识产权的电解质。

该课题共申请了20余项国家发明专利和一项国际发明专利。这些专利涵盖了染料敏化纳米晶固态太阳能电池的各个方面，包括纳晶薄膜的制备，新型染料的设计合成，新型固态电解质的制备工艺，对电极的制备工艺以及大电池的设计和组装工艺等。利用这些专利可以制备出完整的电池组件。

他们在研究的过程中，发现了许多过去未观察到的科学现象，如在小分子中发现“polymerinsalt”现象，多孔介质中孔的光散射现象等。这些现象为以后的理论研究供应了新的素材，为设计制备高效的太阳能电池开辟了新的思路。

中科院物理研究所纳晶光阳极的制备、加成化合物固态电解质的设计合成及电池的制备等方面的研究工作一直在国际上具有重要的影响。在《美国化学会志》等国际一流杂志先后报道了他们的研究成果，得到纳晶太阳能电池的创始人M.Grätzel教授等世界著名科学家的高度评价。同时，这一课题的合作单位———中科院化学所和复旦大学在高聚物电解质、融盐电解质以及导电高聚物电解质的研究中，也取得了很多有价值的成果，另外，他们在研特种电网格保护膜和大面积高性能对电极方面取得了关键进展。最近，他们与中科院金属所等单位密切合作，在研制低成本、高效率的纳晶染料敏化太阳能电池碳对电极方面又取得了新的进展。

“这一课题组在固态复合电解质、新型高聚物电解质等的合成和应用方面做了大量的工作，基于这些电解质开发的染料敏化太阳电池光电转换效率都超过5.0%，属于国际一流水平。很多都是我们原创的。”孟庆波说。

走向市场有望化解能源危机

基于纳米技术的纳米晶半导体染料敏化太阳能电池，在国内外均处于开发研究阶段，尚未正式产业化。但它成本低廉，制备工艺简单，便于大规模持续生产，使其具有很强的应用和广阔的市场前景。随着我国经济的快速发展，对清洁能源及环保的需求不断新增，固态纳米晶半导体染料敏化太阳电池的生产技术一旦成熟，将会有很大的市场需求。

孟庆波说，长远来看，若能进一步提高纳米晶薄膜染料敏化太阳电池的效率，使电池成本降到8元／峰瓦以下，其性能价格比与常规能源相当，不但达到绿色环保的目的，而且会逐步改变我国传统能源结构，逐步减少对国际化石能源的依赖,保证我国可持续发展的能源问题，对国家的长治久安和提高人们的生活水平具有重大的战略意义。

目前，该课题组正在和多家公司进行洽谈合作、开发事宜。其中两家已经签订了合作意向书。

孟庆波说，高性价比固态纳米晶太阳能电池的应用开发，可以提高我国未来的太阳能电池产品的潜在竞争力，同时可以开发出新型民用消费光电子产品，也可以解决我国的部分地区的能源紧缺问题。最终的产业化必将为解决我国的能源问题做出重大贡献，具有较大的社会效益和经济效益。同时，要特别注意生产这种新型太阳能电池过程中所付出的能源成本和环境成本以及使用过程中的环境成本等。总之，这种新型的太阳能电池真正走向市场还要全社会共同努力。

■数字863

863计划纳米材料专项突破的关键技术在与产业界的密切合作下，使我国在纳电子材料与器件技术、重大疾病的诊断与治疗、纳米特种功能材料等国际高技术竞争的热点领域，具有了我国自主知识产权的产品。这些产品开始形成能与发达国家竞争的实力，取得了可观的经济效益。

据统计，863计划纳米材料专项执行4年来，专项取得成果442项，共转让成果23项，成果转让收入1353.59万元，成果创产值240334万元，成果创税收15367.09万元。发表论文1890篇，其中：国际960篇，国内930篇；国内专著45部。申请专利654项，其中发明专利622项；获得授权专利150项，其中发明专利131项。参加研究的人员达到1913人，其中高级职称的人员达到754人，培养博士459人，硕士592人。

总的来说，纳米技术在电子信息产业的应用方面，开展了纳米量子器件以及高密度、高速信息存储系统等研究，缩小了与先进国家差距，使我国在该领域的国际高技术竞争中处于有利的战略地位。在生物医用材料与器件方面，突破了乙肝、艾滋病等重大传染性疾病的生物检测技术；突破了磁性颗粒用于治疗肝癌的关键技术，带动传统医药和医疗器械产业的技术进步。在改造传统产业方面，重点突破一批有资源优势和技术优势或市场急需的多种纳米功能材料、结构材料的关键制造技术、检测技术和表征技术，使整体上接近国际先进水平，部分达到国际领先水平。加速了我国高新技术产业的发展，促进了传统产业的结构调整和技术升级，增强了特种实力。