“再造叶绿体”捕光发电华东师大推出新型太阳能电池

光电转化率接近世界最高水平

植物体内神奇的光合作用，有望帮助人类实现清洁能源的梦想。记者日前从上海市科委获悉，华东师范大学科研人员利用纳米材料在实验室中成功“再造叶绿体”，以极其低廉的成本实现光能发电。
 
叶绿体是植物进行光合作用的场所，能有效将太阳光转化成化学能。此次，华东师范大学孙卓课题组并非在植物体外“拷贝”了一个叶绿体，而是以自然为灵感，研制出一种与叶绿体结构相似的新型电池——染料敏化太阳能电池，尝试将光能转化成电能。在上海市纳米专项基金的支持下，经过3年多实验与探索，这块仿生太阳能电池的光电转化效率已超过10%，接近11%的世界最高水平。
 
项目负责人、华东师大纳光电集成与先进装备教育部工程研究中心主任孙卓教授，向记者展示了新型太阳能电池的“三明治”结构——中空玻璃夹着层纳米“夹心”，光电转化的玄机就藏在这几十微米厚的复合薄膜中。深入其内，纳米“夹心”的“配方”十分独特：染料充当“捕光手”，纳米二氧化钛则是“光电转换器”。为了让染料尽可能多地“吃”太阳光，科研人员还别出心裁地“撒”了点“佐料”—— 一种由纳米荧光材料制成的量子点，让不同波长的阳光都能对上“捕光手”的“胃口”。只要不断改进“配方”，纳米“夹心”的光电转化效率就能一次次提高。
 
说起太阳能发电，人们并不陌生。以单晶硅或多晶硅为主要原料的太阳能电池板正越来越多地点缀于城市建筑的屋顶、墙壁，成为一座座清洁无污染的太阳能电站。然而，在这种被称为“绿色电站”的身后，却隐藏着一系列高能耗、高污染的生产过程。尽管其光电转化效率高达15%～20%，但受原料价格和提纯工艺的限制，发电成本始终居高不下。
 
1991年，《自然》杂志报道了瑞士科学家模拟植物光合作用，发明出世界上第一块染料敏化太阳能电池的科研成果，其光电转换效率在全光照射下可达7%～8%，这种新型低成本光伏电池很快成为世界范围内的研究热点。
 
有关专家认为，作为第三代太阳能电池，染料敏化电池的最大吸引力在于廉价的原材料和简单的制作工艺。据估算，染料敏化电池的成本仅相当于硅电池板的1/10。同时，它对光照条件要求不高，即便在阳光不太充足的室内，其光电转化率也不会受到太大影响。另外，它还有许多有趣的用途。比如，用塑料替代玻璃“夹板”，就能制成可弯曲的柔性电池；将它做成显示器，就可一边发电，一边发光，实现能源自给自足。
 
“当然，要大规模推广应用，染料敏化太阳能电池还存在一些有待攻克的弱点。”孙卓透露，下一步，科学家们将着手解决此类电池效率随面积放大而降低的难题，同时进一步延长其使用寿命等。