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帅t的破冰之路全文免费阅读_寻找光伏产业破冰之路

来源:励志文章 时间:2019-04-22 点击: 推荐访问: 之路 光伏 寻找

  能源短缺与太阳能光伏发电绝对称得上是当下的两个热门词汇。   《世界能源统计评论》报告称,我国化石能源储备本世纪末将全面告急,石油资源将在本世纪30年代耗尽。同时,按照当前世界耗能每年5%的增加速度估算,煤炭、石油等化石燃料也将在百年后枯竭。人类要想生存,唯一的出路就是寻找新的可再生绿色能源。
  现在,全球的目光都聚焦在太阳能上。这不仅因为它免费洁净、分布广泛、不受地域限制,更重要的是,它占地球总能量的99%,资源极其丰富,可谓是取之不尽用之不竭。据统计,地球上人类一年的能源总需求约为4.363×1020焦耳,而太阳每年通过大气向地球输送的能量高达3×1024焦耳,仅需其中的万分之一就能满足人类需求。
  在我国,太阳能在我们三分之二的国土上,年辐射量超过60万焦耳/平方厘米,每年地表吸收的太阳能约等于17万亿吨标准煤的能量,这相当于280倍中国的煤炭总储量(中国煤炭的总储量约为6000亿吨),完全可以满足我国未来稳定的能源需求。
  毫无疑问,在风能、水能、生物能、地热能等一系列绿色能源中,太阳能是最具发展潜力的可再生绿色能源,同时也是地球发展的可靠保证。
  利用太阳能的最佳方式是光伏转换。随着全球能源短缺和环境污染等问题日益突出,太阳能光伏发电成为世界各国普遍关注和重点发展的新兴产业,也成为继IT、微电子产业之后,国际上又一爆炸式发展的行业。
  我国太阳能光伏产业发展迅速,是为数不多的能够同步参与国际竞争,并达到国际领先水平的行业。2011年我国多晶硅产量为8.4万吨,自给率达到50%;太阳能电池产量21GW,同比增长100%,连续5年居全球第一;全年新增光伏装机量3.5GW,同比增长400%。2012年这些数字依然持续上升。
  这期间,美国对我国光伏产业实施“双反”(反倾销、反补贴),一度使我国光伏产业发展进入“寒冬”。然而,一波刚平一波又起。今年6月4日,欧盟宣布从6月6日至8月6日对我国光伏产品征收11.8%的临时反倾销税,8月7日起这一数字将上升为47.6%。这对已处于寒冬的中国光伏产业来说,无疑又是致命的一击。中国光伏产业要想破冰,出路何在?
  反倾销案出现以来,在人们还在就贸易保护、贸易壁垒争执不休时,中国海洋大学教授唐群委却看到了不一样的发展机遇。他告诉本刊记者,光伏产品一般指的是目前已经实现产业化的硅太阳能电池,尽管其光电转换效率很高,但由于在生产过程中需要对硅进行提纯,不仅工艺复杂、高耗能,而且还会产生大量废液废渣,严重污染生态环境。欧盟国家的光伏产品价格很高,而我国光伏电池价格相对较低,这样我们的产品就会对当地产品造成冲击,加之欧盟各国注重环境保护,所以综合各种原因,他们对华光伏发起反倾销。
  在唐群委看来,欧盟的反倾销将会让硅太阳能电池的生存面临严重考验,寻找一个能够替代它的新型太阳能电池非常有必要,而他最看好的是染料敏化太阳能电池。
  这是一种模仿光合作用原理研制而成的新型太阳能电池,全称为“染料敏化纳米晶薄膜太阳能电池”。与硅太阳能电池相比,这种电池的制备工艺相对简单:用吸附染料的纳米多孔二氧化钛半导体膜作为光阳极,用镀铂的导电玻璃作为对电极,再选用适当的氧化还原电解质,就能制成一个简单的染料敏化太阳能电池,当阳光照射到电池上,就能发电了。
  据记者了解到的信息,染料敏化太阳能电池批量生产的成本大约在5~10元/峰瓦左右,而普通硅太阳能电池则在20~40元/峰瓦左右。相比之下,染料敏化太阳能电池的经济优势更明显,更适合批量生产,用来满足城市居民以及广大农村的需要,特别是对解决我国近7000万边远地区的人口用电问题更有实际意义。
  从战略角度看,我国是能源大国,电力的短缺势必会对我国经济发展产生严重影响。但无论是核电还是火电,所使用的燃料不仅有限,还会对环境造成严重污染,若要兼顾经济、环境、社会的协调发展,开发利用太阳能是最佳选择。但面对欧盟、美国的反倾销,硅太阳能电池的生存举步维艰,这让染料敏化太阳能电池充满了无限可能。
  唐群委说:“效率高、成本低廉、制备工艺简单、清洁无污染等特点,让染料敏化太阳能电池成为目前业界公认的最具商业价值的太阳能电池之一。但是,与硅太阳能电池高达30%的光电转化效率相比,染料敏化太阳能电池的转化效率逊色了不少。如果不能实现更高的光电转化效率,这将会成为限制其发展的致命硬伤。”
  国际上有关染料敏化太阳能电池的研究始于上世纪80年代。1991年,瑞士洛桑联邦理工大学Gratzel教授领衔的研究小组,首次以纳米多孔二氧化钛为半导体阳极,钌络合物为敏化染料,I-/I3-为氧化还原电解质,铂为对电极,开发出了染料敏化太阳能电池样机,在国际上引发强烈关注。1997年,该课题组又率先使该电池的转化效率达到了11%。2011年,他们又将这一数字刷新为12%。此后,为了追求更高的转换效率,欧、美、日等发达国家投入大量资金用于研究,但直到现在,仍然没有打破这个记录。
  唐群委告诉记者,我国染料敏化太阳能电池研究主要以华侨大学副校长吴季怀教授以及中科院长春应用化学研究所王鹏研究员为代表,在液体电解质、准固态电解质等领域取得了长足进展,光电转化效率在6%~9%之间,离国际最高水平仍有一定差距。而缩短这个差距正是唐群委实验室的科研目标。
  2004年,唐群委首次接触染料敏化太阳能电池,他把大部分精力都用来观察和思考相关问题,例如为什么从1997年至今的16年间,人们一直没法突破染料敏化太阳能电池12%的转化记录,怎样才能突破这个技术壁垒。
  2012年8月,唐群委加盟中国海洋大学,组建了自己的科研团队和实验室,开始全身心投入相关研究。他带领学生将曾经的设想和构思付诸实际研究,证实了一个又一个想法的可行性。
  首先,他们针对我国在染料敏化太阳能电池领域与国际最高水平的差距,大胆采用新工艺和新材料制备了一种新型复合光阳极材料,用它组装的染料敏化太阳能电池的光电转化效率达到了10.2%,这很可能是目前国内的最高纪录。但唐群委认为,这个数字仅仅只是逼近,但没有达到或超过国际最高纪录,还有进一步优化上升的空间。正是因为有这样的上升空间,才激发了许多科研人员的挑战欲望。   唐群委研究染料敏化太阳能电池至今已有9年。他告诉记者,光阳极的研究对提高电池转化效率至关重要,他们实验室对此十分关注。同时,他们还关注双面投射技术。“一般的太阳能电池采用的是单面投射,太阳光的利用率较低,激发的电子密度也比较低,光电转化效率自然不高。”唐群委说,“如果通过分光设计,将一束太阳光分为两束,由双面同时入射,两面的太阳光互相补偿,就能提高太阳光的利用率,从而加速染料激发电子的速度,提高光电转化效率。”
  基于这种构想,唐群委及其团队率先采用双面投射技术将聚苯胺对电极基染料敏化太阳能电池的光电转化效率由6%提高到了8.2%,并极大地降低了染料敏化太阳能电池的成本。目前,他们已将这一成果投稿给Nature子刊,文稿正在进一步修改中。唐群委还告诉记者,硅太阳能电池的产业化正是得益于双面透光技术的应用,因此,如果这一技术能够应用到染料敏化太阳能电池领域,很可能推动其产业化进程。
  9年间,为了突破染料敏化太阳能电池光电转效率的技术难点,唐群委还做了很多相关研究,这其中包括新型导电凝胶电解质的开发。
  2004年,唐群委在国际上首次利用超吸水材料的三维网络机结构和独特吸附性,将苯胺、吡咯等导电聚合物单体吸附于三维网络内,原位聚合形成了互穿结构的导电水凝胶材料。随后,他又进一步改良这种材料的性质,使其能够牢固吸附I-/I3-电解质,并将其应用于染料敏化太阳能电池的研究,极大地提高了凝胶电解质的活性,克服了液体电解质容易泄露的问题,在很大程度上提高了电池的光电转化效率。这是唐群委最为满意的成果之一,2012年获得了教育部高等学校自然科学奖二等奖。
  近几年,国家对光伏产业扶持力度不断加大,尤其在太阳能电池研究领域,资助的金额每年都在增加。于是,难免有人对染料敏化太阳能电池研究产生“它的效率真能高于12%,还是说只是炒作的噱头”的质疑。
  唐群委告诉记者,理论上,这种电池的光电转化效率最高能达到29%,完全能与硅太阳能电池媲美。但为什么一直不能突破国际最高值,需要考虑很多因素,它的每一个组成部分,包括光阳极使用的二氧化钛膜、电解质溶液以及对电极使用的材料等,目前都存在或大或小的问题,一旦这些问题都被克服,相信这种电池的光电转化效率将会有质的飞跃。这正是唐群委以及众多太阳能电池研究人员励志要解决的难题。
  染料敏化太阳能电池要真正实现产业化,还将面临一段漫长的考验。唐群委认为,如果要大面积应用,转化效率至少要达到5%。如此一来面临的就不仅是技术挑战,还有工艺上的挑战。他说:“10.2%的效率是在实验室里实现的,而实际应用的面积比这个大几十甚至几百倍。在小面积的情况下,我们可以很容易制备出致密、均匀的二氧化钛膜,但面积扩大,膜产生缺陷的几率也会随之增加。以目前的技术,要实现染料敏化太阳能电池的大面积应用难度较大。”
  唐群委表示,下一步课题组将继续优化电池的性能,争取把光电转化效率提高到11%,取得技术上的突破;另一方面,要实现该电池的应用,必须通过中试考验,面积比实验室大很多。所以课题组还将开展大面积的染料敏化太阳能电池研究,如果能够使其效率达到5%~7%,课题组就将与相关单位探讨产业化合作。
  狄更斯说:“这是最美好的时代,也是最糟糕的时代。”
  全球众多实力非凡的科研机构都盯着染料敏化太阳能电池这块“蛋糕”,竞争必然惨烈。唐群委要想突破保持了16年的最高记录,抢占这块高地,不仅要面对技术上的超高挑战,还要与众多竞争者展开一场殊死较量。这似乎有点儿“糟糕”。
  然而,国家对光伏产业十分重视,在政策上、资金上都给予这项事业很多的支持和鼓励。更何况,染料敏化太阳能电池仍没有产业化,这其中孕育着无限机遇和希望。这对唐群委的研究来说,无疑又是美好的。
  “染料敏化太阳能电池如果实现产业化,不仅能给国家带来很大的经济利益,还能为生态环境保护作出重大贡献。更重要的是,这也许是我国光伏产业破冰的出路所在。无论如何艰难,课题组都将以缩小与国际的差距为目标,继续向更高端的方向前进。”唐群委的意志很坚定。

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