青岛青年的“疯狂颠覆”正在破解“雨水电能”奥秘

2019-01-07 08:54:12来源:青岛晚报

原标题:阴雨雾霾都能发电造永不熄灭的电池

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太阳能电池最怕阴雨、雾霾天气,解决了这个难题,永不熄灭的 “太阳能电池”将是逆天的发明,提供24小时不间断的绿色能源。而一群来自青岛的80后和90后青年,正在尝试着这一颠覆式的创新。

日前,2018年度青岛科学技术奖评审委员会评审工作已经结束。其中,中国海洋大学材料科学与工程研究院教授唐群委团队所研发的项目“新型染料敏化太阳能电池的关键材料与器件化研究”拟获得青岛市自然科学奖二等奖。

唐群委团队所研发项目被称之为“阴雨天不落的小太阳”,对世界上没有电的地区是一项巨大的帮助。 6年时间内,团队寻求一种“新型材料”,这种材料使科学界和产业界向“全天候太阳能电池”迈进的梦想又近了一步,同时也破解了“长期困扰太阳能电池研究的学术难题”,给行业带去了新的启发。唐群委(中)和他的90后团队。

一个悬而未决的难题

对于新兴的染料敏化太阳能电池的研发,唐群委用“各有特色”来形容目前中国的研究态势。

自1954年美国贝尔实验室发明第一块单晶硅太阳能电池以来,在人类利用太阳能发电的历程中陆续出现了GaAs(砷化镓)电池、多晶硅电池、非晶硅电池等电池。 1991年,瑞士联邦理工学院的科学家研发成功了太阳能电池,不仅将这一电池的发电效率由1%以下提升至7.1%,而且让其更加轻便、柔韧,并由此掀起了薄膜太阳能电池研究的热潮。

“有的单位以有机染料见长,有的学者主要研究纤维太阳能电池,有的团队以凝胶电解质研究著称,而我们侧重于‘导电’凝胶电解质和合金对电极的研究。”唐群委说,电解质、对电极一直是制约染料敏化太阳能电池发展的两大技术瓶颈,前者易泄漏、挥发,后者成本高、易溶解。 “针对此,我们专注于‘导电’凝胶电解质和合金对电极的研究,并取得了良好的成效。 ”

自2012年以来,唐群委带领科研团队聚焦技术瓶颈,取得了令学术界同行刮目相看的成绩。先是他们采用自主研发的“导电”凝胶电解质组装的太阳能电池的最高光电转换效率达到了9.1%(普通凝胶电解质电池的转换效率为6%,液体电解质电池的转换效率为7%),开创了凝胶电解质研究的新模式;接着他们采用自己发明的合金对电极组装的太阳能电池的发电效率达到了12.75%,已接近世界先进水平,进一步缩小了与发达国家的差距。

在太阳能电池的基础研究中,除了聚焦电解质、对电极这两大制约染料敏化太阳能电池发展的瓶颈外,唐群委还向另一长期困扰太阳能电池科学界的难题发起了冲击。 “太阳能电池在暗环境发电效率低,甚至不发电一直是无法解决的难题。十多年来,国际上投入了大量的人力、物力、财力研究也没有明显起色。”唐群委说。从事其他研究之余,他也一直在思考这一难题,但始终没有想到破解之法,直到2015年在与云南师范大学杨培志教授的聊天中他才得到启发,最终促成了可在雨天发电太阳能电池的问世。

创新思路让雨水能发电

如果说学术同行的点拨为唐群委指明了研究的新方向,那么偶然间读到的一篇论文,成为了他正式开始雨天发电太阳能电池研发的催化剂。 2014年,偶然的机会,他读到一篇文章,文章称有团队在实验中发现一滴盐水在石墨烯材料上流动会产生电信号,唐群委一瞬间有了新想法。

雨水并非纯净水,受海风、风化、闪电等各种自然因素的影响而含阳离子以及阴离子,这些离子的含量与种类还会因气候和环境的不同而呈现出明显的区域性差异。唐群委带领科研团队迫不及待地进行了实验,果不其然,雨滴滴落在石墨烯材料上也会形成阳离子/电子双电层“赝电容”,雨滴在石墨烯表面的铺展-收缩过程即为“赝电容”充、放电,进而产生电压和电流。

“如何把石墨烯和现在的太阳能电池结合,进而制造出既可在晴天时运用太阳光发电,又可在下雨天利用雨水发电的新型太阳能电池是我们遇到的最大挑战。”唐群委表示。实验初期,他们把透明的石墨烯放置于太阳能电池的上层,白天有光照时,太阳光先穿过石墨烯,再照射到太阳能电池板上发电。

下雨天,雨水直接滴落在最外层的石墨烯板上发电。 “不同方法研制的石墨烯性能有差异,且石墨烯的透光率并非100%,以至于正常光照时电池效率比没有石墨烯的电池效率有所降低,这在实际应用中并不经济。”唐群委说,经过多个方案的比较研究,最终采用杨培志团队研制的石墨烯,在太阳能电池上通过热压法组装完成了相关实验。

一个“80后”加一群“90后”

6年前,32岁的唐群委成为中国海洋大学借助“青年英才工程”(第一层次)引进的又一青年学者。初到海大,他确立了以染料敏化太阳能电池的‘导电’凝胶电解质和合金对电极为主的研究方向。

之后,“80后”的唐群委带领一群“90后”研究生和本科生实干苦干、稳扎稳打,三年多来,获授权国家发明专利6项,以第一或通讯作者身份发表SCI论文110篇以上,其中不乏 《应用化学》这样的国际知名期刊。

博士研究生段艳艳是“90后”学生团队中年龄最大的一位,也是让导师和师弟师妹信任的科研骨干。回忆起雨天发电太阳能电池的研发历程,段艳艳用“既有辛苦,又有惊喜”来形容,“早晨五点起床,把实验楼传达室的大叔喊起来开门,晚上十点半又在大叔的催促下走出实验室。到了最后的攻坚阶段,就通宵做实验、采集数据。”

“学生们既勤奋,又执着,为了确保数据的真实性,每一个实验都要重复上百次。做到最后,有学生都坚持不住了,问我‘唐老师可以了吧? ’”唐群委说,为了避免学生在研究中走弯路,每周四下午他都会召开“组会”,大家轮流介绍自己一周的科研进展情况,遇到的问题、好的思路建议也要提出来,彼此集思广益,在碰撞与交流中推进工作。

在成功获得实验数据的基础上,经过与杨培志的反复探讨,他们最终撰写出了题为 《一种既可在阳光下也可在雨水下发电的太阳能电池》的论文,投给德国《应用化学》杂志后,两位评审专家均给出了“无须修改,直接刊用”的意见。论文刊发后,立刻引起了国际新闻界和学术界的关注,并被翻译成英、法、德、拉丁、捷克等多种语言,甚至有媒体称其为光伏发电史上具有“里程碑”意义的创新。 青岛晚报/掌上青岛/青网 记者 薛飞

创新梦想

打造全天候太阳能电池

作为全球光伏发电装机容量最大的国家,虽然中国的装机容量已达4318万千瓦,但其电池类型主要以晶硅电池为主。第三代太阳能电池产品——染料敏化太阳能电池的产业化之路才刚刚起步。谈及雨天发电太阳能电池的产业化之路,唐群委表示,从实验室到工厂还有很长的路要走,但他对该项目的应用前景保持乐观。 “雨量充沛但太阳能资源不够丰富的地区,酸雨多发地区,以及岛礁供电和海上航行等领域都能派上用场”。着眼更长远的未来,唐群委说:“雨天发电太阳能电池不是最终目标,研发‘全天候太阳能电池’才是我们的终极理想,未来的太阳能电池有望在任何天气情况(白天、夜晚、阴、雨、雾、霾等)下发电。 ”在给国外研究者的一封信里,唐群委也曾说:“全天候太阳能电池绝对有潜力解决能源危机。 ”

 

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