1、點亮雨天的新能源之光 我國科學家研發(fā)可在雨天發(fā)電的太陽能電池“這對世界上沒有電的地區(qū)來說 ,是一項巨大的幫助 ,我向你致敬“我是一名正在創(chuàng)業(yè)的年輕人 ,想引入你的科研成果進行產(chǎn)業(yè)化近日 ,中國海洋大學材料科學與工程研究院教授唐群委收到了來自世界各地的多封郵件。“德國、英國、法國、意大利、澳大利亞、阿富汗、拉丁美洲都有 ,有記者請求采訪的 ,有商人尋求合作的 ,有學術同行表示祝賀的談及這一讓他既感到快樂 ,又讓他有些吃不消的“被打攪 ,唐群委說 ,這一切皆由他的團隊和云南師范大學教授楊培志的團隊聯(lián)合在德國最新一期科技期刊?應用化學?上刊發(fā)的一篇題為?一種既可在陽光下也可在雨水下發(fā)電的太陽能電池?

2、的論文引起。在文章中 ,唐群委不僅記述了他帶著科研團隊開展新型太陽能電池研發(fā)的曲折歷程 ,也詳細闡釋了這一可在雨天發(fā)電的太陽能電池的工作原理 ,從而使科學界和產(chǎn)業(yè)界向“全天候太陽能電池邁進的夢想又近了一步。霎時間 ,這一創(chuàng)造成為太陽能學術界和光伏產(chǎn)業(yè)界關注的焦點。談及這一可在雨天發(fā)電的太陽能電池的研發(fā)背景 ,唐群委說 ,這要從長期困擾太陽能電池研究的學術難題談起。源起：一個懸而未決的難題自1954年美國貝爾實驗室創(chuàng)造第一塊單晶硅太陽能電池以來 ,在人類利用太陽能發(fā)電的歷程中陸續(xù)出現(xiàn)了GaAs砷化鎵電池、多晶硅電池、非晶硅電池、CdTe碲化鎘電池1991年 ,瑞士聯(lián)邦理工學院的科學家Michae

3、l Gr?覿tzel教授又研發(fā)成功了介孔染料敏化太陽能電池 ,不僅將這一電池的發(fā)電效率由1%以下提升至7.1% ,而且還采用了薄膜化技術 ,使其更加輕便、柔韌 ,并由此掀起了薄膜太陽能電池研究的熱潮。中國的太陽能電池研發(fā)起步于20世紀50年代中后期 ,當時僅限于航空航天領域 ,直至21世紀初才進入民用領域 ,且主要以各類晶硅電池為主。而對于新興的染料敏化太陽能電池的研發(fā) ,唐群委用“各有特色來形容目前中國的研究態(tài)勢。“有的單位以有機染料見長 ,有的學者主要研究纖維太陽能電池 ,有的團隊以凝膠電解質研究著稱 ,而我們側重于導電凝膠電解質和合金對電極的研究。唐群委說 ,電解質、對電極一直是制約染料

4、敏化太陽能電池開展的兩大技術瓶頸 ,前者易泄露、揮發(fā) ,后者本錢高、易溶解。“針對此 ,我們專注于導電凝膠電解質和合金對電極的研究 ,并取得了良好的成效。自2019年以來 ,唐群委帶著科研團隊聚焦技術瓶頸 ,大膽創(chuàng)新 ,取得了令學術界同行刮目相看的成績。先是他們采用自主研發(fā)的“導電凝膠電解質組裝的太陽能電池的最高光電轉換效率到達了9.1%普通凝膠電解質電池的轉換效率為6% ,液體電解質電池的轉換效率為7% ,開創(chuàng)了凝膠電解質研究的新模式；接著他們采用自己創(chuàng)造的合金對電極組裝的太陽能電池的發(fā)電效率到達了12.75% ,已接近世界先進水平 ,進一步縮小了與興旺國家的差距。此外 ,他們還開發(fā)了以Co

5、-Ni鈷鎳合金為原料的低本錢對電極材料 ,并獲得了8.3%的電池效率 ,在染料敏化太陽能電池規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的道路上又前進了一步。在太陽能電池的根底研究中 ,除了聚焦電解質、對電極這兩大制約染料敏化太陽能電池開展的瓶頸外 ,唐群委還向另一長期困擾太陽能電池科學界的難題發(fā)起了沖擊。“太陽能電池在暗環(huán)境發(fā)電效率低 ,甚至不發(fā)電一直是無法解決的難題。十多年來 ,國際上投入了大量的人力、物力、財力研究也沒有明顯起色。唐群委說。從事其他研究之余 ,他也一直在思考這一難題 ,但始終沒有想到破解之法 ,直到2019年在與云南師范大學楊培志教授的聊天中他才得到啟發(fā) ,最終促成了可在雨天發(fā)電太陽能電池的問世。創(chuàng)新：思

6、路一變天地寬2019年11月 ,第九屆中國太陽級硅及光伏發(fā)電研討會在江蘇常熟舉行 ,會議期間唐群委與來自云南師范大學可再生能源材料先進技術與制備教育部重點實驗室教授楊培志一見如故。在太陽能電池研究方面的志趣相投、理念一致 ,以及知識結構和研究背景的互補性使二人成為親密無間的科研合作伙伴。“在一次交談中 ,楊培志教授說如果能開發(fā)一種在夜晚和陰雨天等其他天氣情況下也能發(fā)電的太陽能電池 ,那對光伏發(fā)電的推動作用將是非常大的。唐群委說 ,正是有了楊培志教授的點撥 ,他才有意識地思考在其他天氣情況下的太陽能發(fā)電問題。如果說學術同行的點撥為唐群委指明了研究的新方向 ,那么偶然間讀到的一篇論文 ,成為了他正

7、式開始雨天發(fā)電太陽能電池研發(fā)的催化劑。“2019年 ,一次偶然的時機 ,我讀到南京航空航天大學郭萬林教授的一篇文章 ,他們團隊在實驗中發(fā)現(xiàn)一滴鹽水在石墨烯材料上流動會產(chǎn)生電信號。唐群委說 ,通過理論計算和數(shù)值模擬 ,郭萬林團隊對這一現(xiàn)象提出了合理解釋：水滴中的陽離子與石墨烯的離域電子結合形成雙電層電容 ,水滴的前部陽離子逐漸與電子結合 ,相當于給電容充電；而水滴的尾部陽離子與電子脫離 ,相當于給電容放電 ,這一充放電過程就產(chǎn)生了電信號。“受此啟發(fā) ,我就考慮雨滴滴落在石墨烯材料上是否也能產(chǎn)生電信號呢？雨水并非純潔水 ,受海風、風化、閃電等各種自然因素的影響而含有鈉離子、鈣離子、銨離子等陽離子以

8、及氯離子、硫酸根離子、硝酸根離子等陰離子 ,這些離子的含量與種類還會因氣候和環(huán)境的不同而呈現(xiàn)出明顯的區(qū)域性差異。唐群委帶著科研團隊迫不及待地進行了實驗 ,果不其然 ,雨滴滴落在石墨烯材料上也會形成陽離子/電子雙電層“贗電容 ,雨滴在石墨烯外表的鋪展-收縮過程即為“贗電容充、放電 ,進而產(chǎn)生電壓和電流。“如何把石墨烯和現(xiàn)在的太陽能電池結合 ,進而制造出既可在晴天時運用太陽光發(fā)電 ,又可在下雨天利用雨水發(fā)電的新型太陽能電池是我們遇到的最大挑戰(zhàn)。唐群委表示。實驗初期 ,他們把透明的石墨烯放置于太陽能電池的上層 ,白天有光照時 ,太陽光先穿過石墨烯 ,再照射到太陽能電池板上發(fā)電。下雨天 ,雨水直接滴落

9、在最外層的石墨烯板上發(fā)電。“不同方法研制的石墨烯性能有差異 ,且石墨烯的透光率并非100% ,以至于正常光照時電池效率比沒有石墨烯的電池效率有所降低 ,這在實際應用中并不經(jīng)濟。唐群委說 ,經(jīng)過多個方案的比擬研究 ,最終采用楊培志團隊研制的石墨烯 ,在太陽能電池上通過熱壓法組裝完成了相關實驗 ,但石墨烯薄膜與太陽能電池的合理耦合仍然是一個需要不斷探索和創(chuàng)新的課題。在使用一定濃度的氯化鈉溶液模擬雨水的實驗中 ,此太陽能電池實現(xiàn)了大約100微伏/滴的電壓和0.5微安/滴的電流輸出以及6.53%的光電轉換效率。有學者在寫給唐群委的郵件中表示 ,這項工作的奉獻不在于產(chǎn)生了多少電能 ,而是提出了太陽能電池

10、向全天候開展的新思路 ,打破了以往科學研究中過分關注如何高效利用和轉化太陽光的思維方式。團隊：一個“80后加一群“90后2019年8月 ,32歲的唐群委成為中國海洋大學借助“青年英才工程第一層次引進的又一青年學者。“讀大學時我就對中國海洋大學海納百川、取那么行遠的校園文化氣氛十分向往。而且山東人比擬戀家 ,我也希望回到家鄉(xiāng)工作。唐群委說 ,初到海大 ,沒有實驗室、沒有設備、沒有原料 ,甚至都沒有明確的研究方向。“在學校和學院領導及同事的幫助下 ,我盡快搭建了工作平臺 ,邊摸索邊干 ,逐漸確立了以染料敏化太陽能電池的導電凝膠電解質和合金對電極為主的研究方向。自2019年正式進入工作狀態(tài)以來 ,“

11、80后的唐群委帶著一群“90后研究生和本科生實干苦干、穩(wěn)扎穩(wěn)打 ,三年多來 ,獲授權國家創(chuàng)造專利6項 ,以第一或通訊作者身份發(fā)表SCI論文110篇以上 ,其中不乏?應用化學?這樣的國際知名期刊。博士研究生段艷艷是“90后學生團隊中年齡最大的一位 ,也是令導師和師弟師妹信任的科研骨干。“她在學生團隊中起帶頭作用 ,大家都向她看齊。來實驗室不到三年 ,她已在?應用化學?等雜志發(fā)表了9篇SCI論文。唐群委在言語間流露出對學生的贊揚之意。回憶起雨天發(fā)電太陽能電池的研發(fā)歷程 ,段艷艷用“既有辛苦 ,又有驚喜來形容 ,“早晨五點起床 ,把實驗樓傳達室的大叔喊起來開門 ,晚上十點半又在大叔的催促下走出實驗室

12、。到了最后的攻堅階段 ,就通宵做實驗、采集數(shù)據(jù)。“學生們既勤奮 ,又執(zhí)著 ,為了確保數(shù)據(jù)的真實性 ,每一個實驗都要重復上百次。做到最后 ,有學生都堅持不住了 ,問我唐老師可以了吧？唐群委說 ,為了防止學生在研究中走彎路 ,每周四下午他都會召開“組會 ,大家輪流介紹自己一周的科研進展情況 ,遇到的問題 ,好的思路、建議也要提出來 ,彼此集思廣益 ,在碰撞與交流中推進工作。在成功獲得實驗數(shù)據(jù)的根底上 ,經(jīng)過與楊培志的反復探討 ,他們最終撰寫出了題為?一種既可在陽光下也可在雨水下發(fā)電的太陽能電池?的論文 ,投給德國?應用化學?雜志后 ,兩位評審專家均給出了“無須修改 ,直接刊用的意見 ,并中選為VIPVery Important Paper和Wiley出版社的Hot Topic。論文刊發(fā)后 ,立刻引起了國際新聞界和學術界的關注 ,并被翻譯成英、法、德、拉丁、捷克等多種語言 ,甚至有媒體稱其為光伏發(fā)電史上具有“里程碑意義的創(chuàng)新。未來：打造全天候太陽能電池作為全球光伏發(fā)電裝機容量最大的國家 ,2019年底 ,中國的裝機容量已達4318萬千瓦 ,但其電池類型主要以晶硅電池為主。第三代太陽能電池產(chǎn)品染料敏化太陽能電池的產(chǎn)業(yè)化之路才剛剛起步。談