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帥t的破冰之路全文免費閱讀_尋找光伏產業破冰之路

來源:勵志文章 時間:2019-04-22 點擊: 推薦訪問: 之路 光伏 尋找

  能源短缺與太陽能光伏發電絕對稱得上是當下的兩個熱門詞匯。   《世界能源統計評論》報告稱,我國化石能源儲備本世紀末將全面告急,石油資源將在本世紀30年代耗盡。同時,按照當前世界耗能每年5%的增加速度估算,煤炭、石油等化石燃料也將在百年后枯竭。人類要想生存,唯一的出路就是尋找新的可再生綠色能源。
  現在,全球的目光都聚焦在太陽能上。這不僅因為它免費潔凈、分布廣泛、不受地域限制,更重要的是,它占地球總能量的99%,資源極其豐富,可謂是取之不盡用之不竭。據統計,地球上人類一年的能源總需求約為4.363×1020焦耳,而太陽每年通過大氣向地球輸送的能量高達3×1024焦耳,僅需其中的萬分之一就能滿足人類需求。
  在我國,太陽能在我們三分之二的國土上,年輻射量超過60萬焦耳/平方厘米,每年地表吸收的太陽能約等于17萬億噸標準煤的能量,這相當于280倍中國的煤炭總儲量(中國煤炭的總儲量約為6000億噸),完全可以滿足我國未來穩定的能源需求。
  毫無疑問,在風能、水能、生物能、地熱能等一系列綠色能源中,太陽能是最具發展潛力的可再生綠色能源,同時也是地球發展的可靠保證。
  利用太陽能的最佳方式是光伏轉換。隨著全球能源短缺和環境污染等問題日益突出,太陽能光伏發電成為世界各國普遍關注和重點發展的新興產業,也成為繼IT、微電子產業之后,國際上又一爆炸式發展的行業。
  我國太陽能光伏產業發展迅速,是為數不多的能夠同步參與國際競爭,并達到國際領先水平的行業。2011年我國多晶硅產量為8.4萬噸,自給率達到50%;太陽能電池產量21GW,同比增長100%,連續5年居全球第一;全年新增光伏裝機量3.5GW,同比增長400%。2012年這些數字依然持續上升。
  這期間,美國對我國光伏產業實施“雙反”(反傾銷、反補貼),一度使我國光伏產業發展進入“寒冬”。然而,一波剛平一波又起。今年6月4日,歐盟宣布從6月6日至8月6日對我國光伏產品征收11.8%的臨時反傾銷稅,8月7日起這一數字將上升為47.6%。這對已處于寒冬的中國光伏產業來說,無疑又是致命的一擊。中國光伏產業要想破冰,出路何在?
  反傾銷案出現以來,在人們還在就貿易保護、貿易壁壘爭執不休時,中國海洋大學教授唐群委卻看到了不一樣的發展機遇。他告訴本刊記者,光伏產品一般指的是目前已經實現產業化的硅太陽能電池,盡管其光電轉換效率很高,但由于在生產過程中需要對硅進行提純,不僅工藝復雜、高耗能,而且還會產生大量廢液廢渣,嚴重污染生態環境。歐盟國家的光伏產品價格很高,而我國光伏電池價格相對較低,這樣我們的產品就會對當地產品造成沖擊,加之歐盟各國注重環境保護,所以綜合各種原因,他們對華光伏發起反傾銷。
  在唐群委看來,歐盟的反傾銷將會讓硅太陽能電池的生存面臨嚴重考驗,尋找一個能夠替代它的新型太陽能電池非常有必要,而他最看好的是染料敏化太陽能電池。
  這是一種模仿光合作用原理研制而成的新型太陽能電池,全稱為“染料敏化納米晶薄膜太陽能電池”。與硅太陽能電池相比,這種電池的制備工藝相對簡單:用吸附染料的納米多孔二氧化鈦半導體膜作為光陽極,用鍍鉑的導電玻璃作為對電極,再選用適當的氧化還原電解質,就能制成一個簡單的染料敏化太陽能電池,當陽光照射到電池上,就能發電了。
  據記者了解到的信息,染料敏化太陽能電池批量生產的成本大約在5~10元/峰瓦左右,而普通硅太陽能電池則在20~40元/峰瓦左右。相比之下,染料敏化太陽能電池的經濟優勢更明顯,更適合批量生產,用來滿足城市居民以及廣大農村的需要,特別是對解決我國近7000萬邊遠地區的人口用電問題更有實際意義。
  從戰略角度看,我國是能源大國,電力的短缺勢必會對我國經濟發展產生嚴重影響。但無論是核電還是火電,所使用的燃料不僅有限,還會對環境造成嚴重污染,若要兼顧經濟、環境、社會的協調發展,開發利用太陽能是最佳選擇。但面對歐盟、美國的反傾銷,硅太陽能電池的生存舉步維艱,這讓染料敏化太陽能電池充滿了無限可能。
  唐群委說:“效率高、成本低廉、制備工藝簡單、清潔無污染等特點,讓染料敏化太陽能電池成為目前業界公認的最具商業價值的太陽能電池之一。但是,與硅太陽能電池高達30%的光電轉化效率相比,染料敏化太陽能電池的轉化效率遜色了不少。如果不能實現更高的光電轉化效率,這將會成為限制其發展的致命硬傷。”
  國際上有關染料敏化太陽能電池的研究始于上世紀80年代。1991年,瑞士洛桑聯邦理工大學Gratzel教授領銜的研究小組,首次以納米多孔二氧化鈦為半導體陽極,釕絡合物為敏化染料,I-/I3-為氧化還原電解質,鉑為對電極,開發出了染料敏化太陽能電池樣機,在國際上引發強烈關注。1997年,該課題組又率先使該電池的轉化效率達到了11%。2011年,他們又將這一數字刷新為12%。此后,為了追求更高的轉換效率,歐、美、日等發達國家投入大量資金用于研究,但直到現在,仍然沒有打破這個記錄。
  唐群委告訴記者,我國染料敏化太陽能電池研究主要以華僑大學副校長吳季懷教授以及中科院長春應用化學研究所王鵬研究員為代表,在液體電解質、準固態電解質等領域取得了長足進展,光電轉化效率在6%~9%之間,離國際最高水平仍有一定差距。而縮短這個差距正是唐群委實驗室的科研目標。
  2004年,唐群委首次接觸染料敏化太陽能電池,他把大部分精力都用來觀察和思考相關問題,例如為什么從1997年至今的16年間,人們一直沒法突破染料敏化太陽能電池12%的轉化記錄,怎樣才能突破這個技術壁壘。
  2012年8月,唐群委加盟中國海洋大學,組建了自己的科研團隊和實驗室,開始全身心投入相關研究。他帶領學生將曾經的設想和構思付諸實際研究,證實了一個又一個想法的可行性。
  首先,他們針對我國在染料敏化太陽能電池領域與國際最高水平的差距,大膽采用新工藝和新材料制備了一種新型復合光陽極材料,用它組裝的染料敏化太陽能電池的光電轉化效率達到了10.2%,這很可能是目前國內的最高紀錄。但唐群委認為,這個數字僅僅只是逼近,但沒有達到或超過國際最高紀錄,還有進一步優化上升的空間。正是因為有這樣的上升空間,才激發了許多科研人員的挑戰欲望。   唐群委研究染料敏化太陽能電池至今已有9年。他告訴記者,光陽極的研究對提高電池轉化效率至關重要,他們實驗室對此十分關注。同時,他們還關注雙面投射技術。“一般的太陽能電池采用的是單面投射,太陽光的利用率較低,激發的電子密度也比較低,光電轉化效率自然不高。”唐群委說,“如果通過分光設計,將一束太陽光分為兩束,由雙面同時入射,兩面的太陽光互相補償,就能提高太陽光的利用率,從而加速染料激發電子的速度,提高光電轉化效率。”
  基于這種構想,唐群委及其團隊率先采用雙面投射技術將聚苯胺對電極基染料敏化太陽能電池的光電轉化效率由6%提高到了8.2%,并極大地降低了染料敏化太陽能電池的成本。目前,他們已將這一成果投稿給Nature子刊,文稿正在進一步修改中。唐群委還告訴記者,硅太陽能電池的產業化正是得益于雙面透光技術的應用,因此,如果這一技術能夠應用到染料敏化太陽能電池領域,很可能推動其產業化進程。
  9年間,為了突破染料敏化太陽能電池光電轉效率的技術難點,唐群委還做了很多相關研究,這其中包括新型導電凝膠電解質的開發。
  2004年,唐群委在國際上首次利用超吸水材料的三維網絡機結構和獨特吸附性,將苯胺、吡咯等導電聚合物單體吸附于三維網絡內,原位聚合形成了互穿結構的導電水凝膠材料。隨后,他又進一步改良這種材料的性質,使其能夠牢固吸附I-/I3-電解質,并將其應用于染料敏化太陽能電池的研究,極大地提高了凝膠電解質的活性,克服了液體電解質容易泄露的問題,在很大程度上提高了電池的光電轉化效率。這是唐群委最為滿意的成果之一,2012年獲得了教育部高等學校自然科學獎二等獎。
  近幾年,國家對光伏產業扶持力度不斷加大,尤其在太陽能電池研究領域,資助的金額每年都在增加。于是,難免有人對染料敏化太陽能電池研究產生“它的效率真能高于12%,還是說只是炒作的噱頭”的質疑。
  唐群委告訴記者,理論上,這種電池的光電轉化效率最高能達到29%,完全能與硅太陽能電池媲美。但為什么一直不能突破國際最高值,需要考慮很多因素,它的每一個組成部分,包括光陽極使用的二氧化鈦膜、電解質溶液以及對電極使用的材料等,目前都存在或大或小的問題,一旦這些問題都被克服,相信這種電池的光電轉化效率將會有質的飛躍。這正是唐群委以及眾多太陽能電池研究人員勵志要解決的難題。
  染料敏化太陽能電池要真正實現產業化,還將面臨一段漫長的考驗。唐群委認為,如果要大面積應用,轉化效率至少要達到5%。如此一來面臨的就不僅是技術挑戰,還有工藝上的挑戰。他說:“10.2%的效率是在實驗室里實現的,而實際應用的面積比這個大幾十甚至幾百倍。在小面積的情況下,我們可以很容易制備出致密、均勻的二氧化鈦膜,但面積擴大,膜產生缺陷的幾率也會隨之增加。以目前的技術,要實現染料敏化太陽能電池的大面積應用難度較大。”
  唐群委表示,下一步課題組將繼續優化電池的性能,爭取把光電轉化效率提高到11%,取得技術上的突破;另一方面,要實現該電池的應用,必須通過中試考驗,面積比實驗室大很多。所以課題組還將開展大面積的染料敏化太陽能電池研究,如果能夠使其效率達到5%~7%,課題組就將與相關單位探討產業化合作。
  狄更斯說:“這是最美好的時代,也是最糟糕的時代。”
  全球眾多實力非凡的科研機構都盯著染料敏化太陽能電池這塊“蛋糕”,競爭必然慘烈。唐群委要想突破保持了16年的最高記錄,搶占這塊高地,不僅要面對技術上的超高挑戰,還要與眾多競爭者展開一場殊死較量。這似乎有點兒“糟糕”。
  然而,國家對光伏產業十分重視,在政策上、資金上都給予這項事業很多的支持和鼓勵。更何況,染料敏化太陽能電池仍沒有產業化,這其中孕育著無限機遇和希望。這對唐群委的研究來說,無疑又是美好的。
  “染料敏化太陽能電池如果實現產業化,不僅能給國家帶來很大的經濟利益,還能為生態環境保護作出重大貢獻。更重要的是,這也許是我國光伏產業破冰的出路所在。無論如何艱難,課題組都將以縮小與國際的差距為目標,繼續向更高端的方向前進。”唐群委的意志很堅定。

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