梦想,在太阳能发电中延伸
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在化石能源日益枯竭和全球性气候变暖的环境下，以太阳能为代表的可再生能源正在给人类的能源消费结构带来革命性的变化。然而，目前市场上起主导作用的硅基太阳能电池还是面临着高纯硅原料短缺、发电成本居高不下的窘迫局面。特别是2007、2008年中国的太阳能电池产量约占世界产量的1/3，居世界首位，但光伏市场还不到国际市场的1％。为此，笔者专程走访了清华大学材料科学与工程系副教授、新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室副主任，太阳能材料课题组负责人林红博士。
太阳能发电，机遇与挑战并存
记者：从1958年中圃开始研制弟一片晶体硅光伏电池以来，到现在已走过半个多世纪。请您介绍一下太阳能电池的发展背景?
林红：日本的Y.Hamakawa曾做过这样的预测，到21世纪中叶，化石能源在人类使用能源中的比例将从现在的90％减少一半，随后，核能和可再生能源将占主导地位。到2100年时，可再生能源将占人类使用能源的三分之一以上。而通过研究发现，在包括太阳能、风能、潮汐能，地热能、氢能和生物质能等在内的诸多可再生能源中，太阳能所蕴藏的能量是所有其他可再生能源能量总和的上万倍。作为太阳能的主要利用途径，太阳能电池除具有清洁、能量充足的特点外，还可以直接设置在需要用电的地方发电。从上世纪末起，太阳能电池的国际市场年增长率已达到30％，而近两年则达到50％以上。
从太阳能电池的发展史来看，1954年，世界上第一块晶体硅太阳能电池自美国贝尔实验室一问世，便受到科学界、工业界的广泛关注。如今，以晶体硅(单晶硅和多晶硅)基片为主的第一代太阳能电池已经成功商业化，成为当今市场的主流，而以铜铟镓硒(CIGS)和非晶硅薄膜为主的第二代薄膜太阳能电池也开始渐渐扩大市场份额；以染料敏化太阳能电池为代表的第三代太阳能电池技术也渐趋成熟，即将进入商业化应用阶段。
记者：在这样的大背景下，我国太阳能电池的发展面临着怎样的挑战呢?
林红：在世界太阳能行业蓬勃发展的大背景下，中国政府对太阳能行业的发展给予了高度的重视。我国可再生能源中长期发展规划中曾提出，到2020年，可再生能源要占到15％，其中光伏发电要达到180万千瓦。国家政策及市场需求极大地刺激了太阳能行业。2007年，我国太阳能电池产量已经达到了108万千瓦，一跃成为世界第一大太阳能电池生产国。我国2008年的260万千瓦的电池产量，是世界总产量的32.9％。然而2008年我国太阳能装机容量只有4万千瓦，仅为我国当年产量的1.54％，其余98％的需求都来自海外。所以说，中国的太阳能市场还有着极大的开发潜力。
目前，我国市场上的太阳能电池主要是硅基太阳能电池，以尚德电力、天威等为代表的企业在世界市场上取得了骄人的成绩，硅基太阳能电池中最重要的多晶硅原料却成为制约其发展的一个大问题。高纯硅技术主要掌握在美国，日本、德国等太阳能技术先进的国家手中，国内大多数企业没有自主的核心技术，只是简单地进行生产加工，生产成本较高。2009年，由于硅原料厂的盲目扩张导致硅料过剩，其成本大幅度降低，但是，这种非正常的成本降低是无法长久也不可依靠的，随着市场的理性回归，这种现象也会终结。加之，晶体硅电池投资大、回报期长，为国内一部分光伏企业带来了严峻的挑战。
与此同时，第二、三代太阳能电池凭借成本优势及自身的其他特性，将在世界光伏市场上占据越来越重要的地位。而且，其在国外的起步时间也不长，几乎可视为与我们在同一条起跑线上，这也是我们抓紧时问进行赶超的最好机会。但由于国内企业普遍比较重视短期的回报而缺乏长期的研究计划，产学研体系相对于发达国家而言还不够完善，因此如何将实验室的技术真正变成实实在在的产品仍是一个艰巨的问题。
染料敏化电池，特色与前景并进
记者：染料敏化电池作为一种新型的太阳能电池在太阳能发电领域已经开创了一片新天地，您能为我们简单介绍一下染料敏化电池吗?
林红：科学的进步，往往是在梦想的激发下实现的。而人类的很多梦想，也是借助于科学技术方得以成为生活中的现实。如果说飞机的研发，是人类借以实现的像乌一样飞翔的梦想，那么，染料敏化太阳能电池则是在模仿十几亿年的光合作用的基础上，实现的用太阳能发电的梦想。
染料敏化太阳能电池是一种新型的陶瓷基光化学太阳能电池。1991年，瑞士的Graetzel教授通过钌的联吡啶配合物敏化介孔TiO2薄膜光阳极，获得了大于7％的光电转换效率，从此开启了染料敏化太阳能电池研究的新领域。
染料敏化太阳能电池主要由透明导电基板、二氧化钛多孔纳米晶薄膜、光敏化剂、电解质溶液和对电极组成。因为其发电过程与植物中的叶绿素的光合作用非常相像，又被称为仿生电池。与硅基电池相比，该电池的确拥有较大的优势它成本低，仅为硅基电池的1/3～1/5；它运用方便，由于对光入射角不敏感，可安置在建筑物的墙上，不占用太多空间；它易于制作，可以做成便于携带和安装的柔性电池、用于门窗的透明性电池，甚至还可以制作出装饰性较强的各种颜色和图案：另外，它还具有理论转换效率高、可随温度升高而提高等诸多特色。
记者：多年来您致力于染料敏化太阳能电池的研究，那么，染料敏化太阳能电池的关键问题是什么?您主要做了哪些工作?
林红：国际上目前关于染料敏化太阳能电池的研究主要围绕染料，光阳极、电解质、对电极等材料，以及电子传输机理，大面积电池设计、电池稳定性、叠层电池等方面展开。这里面，关键性问题主要体现在三个方面：如何设计研究新材料和新结构，以进一步提高其光电转换效率，如何用准固态或固态电解质取代目前使用的液态电解质，以提高电池的长期稳定性：如何研发大面积电池的生产工艺，以保证产业化的顺利进行。
我们所做的工作也没有脱离这个范围，在全谱吸收染料、一维光阳极材料、用于柔性电池的低温光阳极材料、准固态电解质等方面做了初步研究，现在正全力进行大面积电池的工艺研究，以期推动该电池的产业化进程。
记者：最后，请您介绍一下染料敏化太阳能电池的产业化前景?
林红：刚才提到，产业化是染料敏化太阳能电池急需解决的三大问题之一，这也引起了各国的高度重视，引发了世界范围内对其产业化进行尝试的浪潮。
在日本，索尼和夏普已经研究出效率超过10％的大面积电池。一些小型企业也正逐步将研究机构的一些成果应用于染料敏化电池商业化的实践中。日本Aisin Seili公司的中试工作表明，相同的设计功率下，染料敏化太阳能电池总发电量比多晶硅太阳能电池多出20％～30％。
在欧洲和澳大利亚，以染料敏化电池发明人Graetzel教授的技术为基础，展开了各种商业化尝试。澳大利亚的Dyesot公司已经建立了中试生产线，并成为该行业的领军单位。2007年，G24创新有限公司在英国南威尔士建立了世界第一家染料敏化太阳能电池生产基地，将最初的市场瞄准移动消费电子商品，如手机充电器、智能纺织品，应急安全灯、MP3播放器、笔记本电脑和掌上游戏机等。而今，该基地已经研制出能够给手机充电的柔性电池，并在网上开始销售。
相对而言，我国目前还没有大量企业介入该领域的研发和投资。但在该产业如火如茶的大势下，预计不久的将来，国内也将涌现出染料敏化电池的专业生产研发企业。可以相信，在未来几年内，世界范围内将会有更加成熟的染料敏化电池商品问世。到时候，多姿多彩的太阳能电池集实用性与装饰性为一体，使我们的房屋上将不再是单一的黑色电池板块，而撞入眼帘的一片“彩色森林”，完全有可能是一座染料敏化太阳能电池发电站。
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