“這對(duì)世界上沒有電的地區(qū)來說，是一項(xiàng)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(jìn)行產(chǎn)業(yè)化”……近日，中國海洋大學(xué)材料科學(xué)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�！暗聡�、英國、法國、意大利、澳大利亞、阿富汗、拉丁美洲都有，有記者請(qǐng)求采訪的，有商人尋求合作的，有學(xué)術(shù)同行表示祝賀的……”談及這一讓他既感到高興，又讓他有些吃不消的“被打擾”，唐群委說，這一切皆由他的團(tuán)隊(duì)和云南師范大學(xué)教授楊培志的團(tuán)隊(duì)聯(lián)合在德國最新一期科技期刊《應(yīng)用化學(xué)》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》的論文引起。
在文章中，唐群委不僅記述了他帶領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)開展新型太陽能電池研發(fā)的曲折歷程，也詳細(xì)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(xué)界和產(chǎn)業(yè)界向“全天候太陽能電池”邁進(jìn)的夢(mèng)想又近了一步。霎時(shí)間，這一發(fā)明成為太陽能學(xué)術(shù)界和光伏產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。
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(xué)術(shù)難題談起。
源起：一個(gè)懸而未決的難題
自1954年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明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(xué)院的科學(xué)家Michael Gr??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(shù)，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(jì)50年代中后期，當(dāng)時(shí)僅限于航空航天領(lǐng)域，直至21世紀(jì)初才進(jìn)入民用領(lǐng)域，且主要以各類晶硅電池為主。而對(duì)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(shì)。
“有的單位以有機(jī)染料見長，有的學(xué)者主要研究纖維太陽能電池，有的團(tuán)隊(duì)以凝膠電解質(zhì)研究著稱，而我們側(cè)重于‘導(dǎo)電’凝膠電解質(zhì)和合金對(duì)電極的研究�！碧迫何f，電解質(zhì)、對(duì)電極一直是制約染料敏化太陽能電池發(fā)展的兩大技術(shù)瓶頸，前者易泄露、揮發(fā)，后者成本高、易溶解。“針對(duì)此，我們專注于‘導(dǎo)電’凝膠電解質(zhì)和合金對(duì)電極的研究，并取得了良好的成效”。
自2019年以來，唐群委帶領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)聚焦技術(shù)瓶頸，大膽創(chuàng)新，取得了令學(xué)術(shù)界同行刮目相看的成績。先是他們采用自主研發(fā)的“導(dǎo)電”凝膠電解質(zhì)組裝的太陽能電池的最高光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了9.1%（普通凝膠電解質(zhì)電池的轉(zhuǎn)換效率為6%，液體電解質(zhì)電池的轉(zhuǎn)換效率為7%），開創(chuàng)了凝膠電解質(zhì)研究的新模式；接著他們采用自己發(fā)明的合金對(duì)電極組裝的太陽能電池的發(fā)電效率達(dá)到了12.75%，已接近世界先進(jìn)水平，進(jìn)一步縮小了與發(fā)達(dá)國家的差距。此外，他們還開發(fā)了以Co-Ni（鈷鎳）合金為原料的低成本對(duì)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(jìn)了一步。
在太陽能電池的基礎(chǔ)研究中，除了聚焦電解質(zhì)、對(duì)電極這兩大制約染料敏化太陽能電池發(fā)展的瓶頸外，唐群委還向另一長期困擾太陽能電池科學(xué)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(cái)力研究也沒有明顯起色�！碧迫何f。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(xué)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：思路一變天地寬
2018年11月，第九屆中國太陽級(jí)硅及光伏發(fā)電研討會(huì)在江蘇常熟舉行，會(huì)議期間唐群委與來自云南師范大學(xué)可再生能源材料先進(jìn)技術(shù)與制備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(shí)結(jié)構(gòu)和研究背景的互補(bǔ)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(duì)光伏發(fā)電的推動(dòng)作用將是非常大的�！碧迫何f，正是有了楊培志教授的點(diǎn)撥，他才有意識(shí)地思考在其他天氣情況下的太陽能發(fā)電問題。
如果說學(xué)術(shù)同行的點(diǎn)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，成為了他正式開始雨天發(fā)電太陽能電池研發(fā)的催化劑�！�2018年，一次偶然的機(jī)會(huì)，我讀到南京航空航天大學(xué)郭萬林教授的一篇文章，他們團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)一滴鹽水在石墨烯材料上流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生電信號(hào)�！碧迫何f，通過理論計(jì)算和數(shù)值模擬，郭萬林團(tuán)隊(duì)對(duì)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(jié)合形成雙電層電容，水滴的前部陽離子逐漸與電子結(jié)合，相當(dāng)于給電容充電；而水滴的尾部陽離子與電子脫離，相當(dāng)于給電容放電，這一充放電過程就產(chǎn)生了電信號(hào)�！笆艽藛l(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(hào)呢”？
雨水并非純凈水，受海風(fēng)、風(fēng)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(huì)因氣候和環(huán)境的不同而呈現(xiàn)出明顯的區(qū)域性差異。唐群委帶領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)迫不及待地進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，果不其然，雨滴滴落在石墨烯材料上也會(huì)形成陽離子/電子雙電層“贗電容”，雨滴在石墨烯表面的鋪展-收縮過程即為“贗電容”充、放電，進(jìn)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(jié)合，進(jìn)而制造出既可在晴天時(shí)運(yùn)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(shí)驗(yàn)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(shí)，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(shí)電池效率比沒有石墨烯的電池效率有所降低，這在實(shí)際應(yīng)用中并不經(jīng)濟(jì)。”唐群委說，經(jīng)過多個(gè)方案的比較研究，最終采用楊培志團(tuán)隊(duì)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(guān)實(shí)驗(yàn)，但石墨烯薄膜與太陽能電池的合理耦合仍然是一個(gè)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(shí)驗(yàn)中，此太陽能電池實(shí)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(zhuǎn)換效率。有學(xué)者在寫給唐群委的郵件中表示，這項(xiàng)工作的貢獻(xiàn)不在于產(chǎn)生了多少電能，而是提出了太陽能電池向全天候發(fā)展的新思路，打破了以往科學(xué)研究中過分關(guān)注如何高效利用和轉(zhuǎn)化太陽光的思維方式。
團(tuán)隊(duì)：一個(gè)“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(xué)借助“青年英才工程”（第一層次）引進(jìn)的又一青年學(xué)者。“讀大學(xué)時(shí)我就對(duì)中國海洋大學(xué)‘海納百川、取則行遠(yuǎn)’的校園文化氛圍十分向往。而且山東人比較戀家，我也希望回到家鄉(xiāng)工作�！碧迫何f，初到海大，沒有實(shí)驗(yàn)室、沒有設(shè)備、沒有原料，甚至都沒有明確的研究方向�！霸趯W(xué)校和學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)及同事的幫助下，我盡快搭建了工作平臺(tái)，邊摸索邊干，逐漸確立了以染料敏化太陽能電池的‘導(dǎo)電’凝膠電解質(zhì)和合金對(duì)電極為主的研究方向”。
自2019年正式進(jìn)入工作狀態(tài)以來，“80后”的唐群委帶領(lǐng)一群“90后”研究生和本科生實(shí)干苦干、穩(wěn)扎穩(wěn)打，三年多來，獲授權(quán)國家發(fā)明專利6項(xiàng)，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(yīng)用化學(xué)》這樣的國際知名期刊。
博士研究生段艷艷是“90后”學(xué)生團(tuán)隊(duì)中年齡最大的一位，也是令導(dǎo)師和師弟師妹信任的科研骨干�！八趯W(xué)生團(tuán)隊(duì)中起帶頭作用，大家都向她看齊。來實(shí)驗(yàn)室不到三年，她已在《應(yīng)用化學(xué)》等雜志發(fā)表了9篇SCI論文。”唐群委在言語間流露出對(duì)學(xué)生的贊揚(yáng)之意�；貞浧鹩晏彀l(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(diǎn)起床，把實(shí)驗(yàn)樓傳達(dá)室的大叔喊起來開門，晚上十點(diǎn)半又在大叔的催促下走出實(shí)驗(yàn)室。到了最后的攻堅(jiān)階段，就通宵做實(shí)驗(yàn)、采集數(shù)據(jù)”。
“學(xué)生們既勤奮，又執(zhí)著，為了確保數(shù)據(jù)的真實(shí)性，每一個(gè)實(shí)驗(yàn)都要重復(fù)上百次。做到最后，有學(xué)生都堅(jiān)持不住了，問我‘唐老師可以了吧？’”唐群委說，為了避免學(xué)生在研究中走彎路，每周四下午他都會(huì)召開“組會(huì)”，大家輪流介紹自己一周的科研進(jìn)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(jìn)工作。
在成功獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過與楊培志的反復(fù)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(yīng)用化學(xué)》雜志后，兩位評(píng)審專家均給出了“無須修改，直接刊用”的意見，并當(dāng)選為VIP（Very 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(xué)術(shù)界的關(guān)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(jī)容量最大的國家，2019年底，中國的裝機(jī)容量已達(dá)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。
談及雨天發(fā)電太陽能電池的產(chǎn)業(yè)化之路，唐群委表示，從實(shí)驗(yàn)室到工廠還有很長的路要走，但他對(duì)該項(xiàng)目的應(yīng)用前景保持樂觀�！坝炅砍渑娴柲苜Y源不夠豐富的地區(qū)，酸雨多發(fā)地區(qū)，以及島礁供電和海上航行等領(lǐng)域都能派上用場”。著眼更長遠(yuǎn)的未來，唐群委說：“雨天發(fā)電太陽能電池不是最終目標(biāo)，研發(fā)‘全天候太陽能電池’才是我們的終極理想，未來的太陽能電池有望在任何天氣情況（白天、夜晚、陰、雨、霧、霾等）下發(fā)電。”
本文來自：逍遙右腦記憶 http://portlandfoamroofing.com/gaozhong/1325614.html
相關(guān)閱讀：備考指南：化學(xué)有機(jī)化學(xué)備考策略