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自产电力



作者:Rod Myer 

有了嵌入式太阳能发电装置,我们的建筑在不久的将来就能通过屋顶、墙壁、窗户,甚至台面实现自行发电。

在保持美观大方且便于维护的前提下将家中的大部分表面转变成一个小型发电站,你觉得这个想法怎么样?澳大利亚的多家研究机构与工业界联手合作,致力于通过太阳能电池技术商业化来实现这一目标,即对建筑物的墙壁、窗户及钢结构屋顶的护墙板所吸收的太阳能进行充分利用,从而提高建筑物的能源效率。

去年年底,由维多利亚州政府和联邦政府共同出资 340 万澳元基金创建维多利亚有机太阳能电池合作研究机构。该机构成员包括蒙纳士大学、墨尔本大学(University of Melbourne)、澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO),以及博思格钢铁公司(BlueScope Steel)Securency International、博世公司(Bosch)和英诺薄膜公司(Innovia Film)等行业合作伙伴,可谓是重量级的强强联合。

该项目旨在开发一种商业化工艺,以生产染料敏化太阳能电池和印在柔性材料上的有机太阳能电池。这是原始研究与应用研究的结合,但重点强调的是商业化的技术。

来自蒙纳士大学的材料工程专家郑一冰(Yi-Bing Cheng)教授,将一块印有白色平行条纹的薄塑料捏在指尖,说道:“我们的目的是要证明这一概念在工业上是切实可行的。”在这两个分支研究项目中,郑教授是蒙纳士大学的团队负责人,主要专注于染料敏化电池的研究;而墨尔本大学的队则主要从事有机太阳能电池的研究。

两种技术都是为了研发出比传统的硅基太阳能光伏电池的柔性展开度更好的替代方案。对于基于纳米技术的染料敏化型产品而言,其工作原理为:在基板上抹涂一层薄薄的钛氧化物(约 20 微米),并将吸光性极强的染料分子吸附于这层钛氧化物的表面。

由于钛氧化物颗粒极其微小且多孔,故而能为染料分子提供一个超大的吸附表面,使其有效地堆叠成纳米大小的细微颗粒。这一显著的效果表现为,钛氧化物薄膜所提供的可用表面当于其实际面积的 300 倍。

染料分子具有发电的能力。当来自太阳光的光子与染料分子发生撞击时,会产生一个电子,由半导体钛氧化物携承载穿过一个外部电路,为照明灯或其他电气设备提供电源。在此之后,废弃的电子将通过这一电路返回至太阳能电池,并在那里与电解液发生反应,重新生成染料分子,以准备继续产生另一个电子。

染料敏化电池问世已有约20年的历史,但蒙纳士大学的研究项目与“传统”技术相比有着明显的差异。在蒙纳士大学的研究项目中,采用了二茂铁(一种铁基有机金属化合物)及钴化合物来替换碘化物,以产生废弃电子返回电池时所需的电解质。这些新型的电解质不仅能够提高太阳能电池的发电效率,并可能大幅延长太阳能电池的使用寿命。

传统的染料敏化太阳能电池是安装在玻璃窗格的夹层内的,而蒙纳士大学的项目正在研究开发能将其印刷在塑料或金属上的技术。该项目的行业合作伙伴包括聚合物纸币制造公司 Securency International和作为聚合物基体制造商的英诺薄膜公司。博思格钢铁公司投入了大量的资金,旨在利用商业化的太阳能电池技术将太阳能电池印刷在其钢制屋顶产品之上。

在争夺“最有效的太阳能至电能转换装置”的竞争中,硅基电池始终一路领先。它们能将 15-18% 的太阳能转化为电能,而实验室规模的染料敏化电池的转换比率只有大约 12%。

然而,身为蒙纳士大学材料工程学院副教授及项目负责人之一的乌都·巴赫(Udo Bach)表示,这些数字并不能说明全部问题。“硅需要有非常高的纯度,和结晶度,而我们所用的材料并没有这样严格的要求。”这样一来,生产电池所需的能量大大地减少,这意味着染料敏化电池在不到一年的时间内就能产生当初用于制造电池所消耗的能量。而硅基太阳能电池的投资回收期通常在 3 年以上。

同样身为研究小组负责人之一的蒙纳士大学化学教授利昂·斯皮希亚(Leone Spiccia)指出了染料敏化电池的另一大优势。硅基电池在光照充足的条件下运行良好;但在光线低于的一定水平时,就会停止运行。而染料敏化电池可以“吸引来自任何方向的光线,因而在漫射光的条件下也能有效运行”。在光线水平较低时,染料敏化电池所产生的能量高于硅基太阳能电池,斯皮希亚说。

郑教授指出,染料敏化电池所需的制造原料成本更低,且其制造和处置过程中对环境的影响也较小。“使用不同颜色的染料意味着可以将太阳能电池装饰成不同的色彩,甚至是透明的。”他补充道。

颜色的可选择范围及对漫反射光和弱光源条件的兼容能力,使得染料敏化电池成为倍受欢迎的产品。这意味着可以将这种电池集成于各种表面,包括墙壁、台面、窗户等建筑物的内外表面,以提高其对能源的利用效率。

它们甚至还可以用于开创许多新的功能。“利用电池在建筑物内设计出不同的图案和形状,这将是一件非常有趣的事情。”郑教授说道。

蒙纳士大学所开展的研究已对工艺中所使用的染料进行了改善,但这一项目的重点是要将电池的印刷工艺提升至工业水平。“我们的项目旨在展示电池的规模生产效率。任何一种太阳能电池技术的成本都将取决于其生产的效率。”巴赫副教授说道。

郑教授表示其项目团队目前正在寻购可以连续印刷的设备,以进一步推动其商业化进程。仅蒙纳士大学参与这一项目的研究人员就有 10 至 15 名,如果再算上有机电池项目(蒙纳士大学每周与其进行一次合作的项目)和行业合作伙伴,其总体科研投入可达到 40 至 50 人。

“目前,就全球范围而言,类似这种规模的研究项目并不多。”郑教授指出。他认为全球在这一领域的整体投入尚小,还不足以推动这项技术的广泛采用,从而实现产业的飞跃。不过,澳大利亚目前正致力于创建一支由太阳能研究人员组成的统一队伍,并为其提供来自碳税的科研基金以开展相关研究。

这项灵活的太阳能电池研究项目所涉及的专业领域之广令人惊叹,包括合成学、物理学、无机化学、材料科学与工程、显微镜学、高级光谱学等。“我们正在致力于对不同学科领域进行有效的衔接,这一工作激动人心且回报颇丰。”斯皮希亚教授说道。

2012年 10 月

蒙纳士社交媒体

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