面對(duì)礦物能源的日益緊缺和造成的環(huán)境污染，光伏發(fā)電是解決能源缺乏和環(huán)境污染的最有效途徑之一。

科學(xué)家的努力正告訴人們，陽光正在成為人類未來生活的能量來源和人類賴以生存的“主食”。制約太陽能電池走向市場的主要瓶頸是其過高的價(jià)格，解決這一問題的有效途徑有如下兩個(gè)方面，一是進(jìn)一步發(fā)展新工藝、新技術(shù)，降低傳統(tǒng)硅基太陽電池的成本，二是開發(fā)新型太陽電池。

低價(jià)的新型薄膜太陽電池將成為解決光伏科技發(fā)展和太陽能電力運(yùn)用的突破口之一。我國“十五”期間由中科院物理所聯(lián)合中科院化學(xué)所、復(fù)旦大學(xué)共同承擔(dān)的國家863計(jì)劃項(xiàng)目“固態(tài)納米晶染料太陽能電池”的成功研發(fā)，使我國在該領(lǐng)域迅速躋身世界先進(jìn)行列。

納晶太陽能電池的創(chuàng)始人M.Gratzel先生對(duì)他們的研究成果給予很高的評(píng)價(jià)，先后兩次參觀了他們的實(shí)驗(yàn)室，并進(jìn)行學(xué)術(shù)交流。M.Gratzel教授稱這一研究團(tuán)隊(duì)是他的“競爭對(duì)手”，同時(shí)希望與他們建立密切的合作關(guān)系，共同努力加快納晶燃料敏化太陽能電池走向市場的步伐。

各國逐鹿“太陽”

瑞士洛桑高等理工學(xué)院M.Gratzel教授首先發(fā)明了二氧化鈦納晶薄膜染料敏化液體電解質(zhì)太陽電池，并在1991年一舉突破了7%%的光電轉(zhuǎn)換效率。立即得到了國際上廣泛地關(guān)注，至今一直是國際上研究的熱點(diǎn)。其廉價(jià)的生產(chǎn)成本和易于工業(yè)化生產(chǎn)的工藝技術(shù)以及廣闊的應(yīng)用前景，吸引了歐、美、澳、日等眾多科學(xué)家與企業(yè)投入很大力量進(jìn)行研究和開發(fā)。

美國、歐洲、日本、澳大利亞等發(fā)達(dá)國家一直把發(fā)展光伏電池放在可再生能源的首位，在可再生能源的研究和開發(fā)的投資逐年增加。在示范應(yīng)用方面，美、歐、日等發(fā)達(dá)國家都發(fā)布了規(guī)模為吉瓦(GW)級(jí)的“百萬光伏屋頂計(jì)劃”。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在世界范圍內(nèi)，1998年以后光伏組件的生產(chǎn)以每年30%以上的速度遞增。截至2004年底，全球光伏電池的生產(chǎn)總量超過1000萬kW。光伏技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的騰飛，將逐步改變現(xiàn)有能源組成結(jié)構(gòu)。美國計(jì)劃到2020年光伏發(fā)電要占到全美屆時(shí)發(fā)電裝機(jī)增量的15%%左右，累計(jì)安裝量達(dá)到3600萬kW。

在過去的幾年中，我國光伏產(chǎn)業(yè)正以每年30%的速度增長，2002年光伏電池實(shí)際生產(chǎn)能力僅有6MW，而2004年底國內(nèi)光伏電池裝機(jī)容量達(dá)6.5萬kW。根據(jù)初步完成的《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》，到2020年太陽能發(fā)電將達(dá)到200萬kW。光伏發(fā)電主要用于家庭、交通、通訊等小型用電領(lǐng)域。從長遠(yuǎn)來看，若并入電網(wǎng)或其他領(lǐng)域，市場容量更為可觀。在我國，解決無電地區(qū)人民的生活用電，光伏電池的發(fā)電量需要5GW，而我國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展還相對(duì)落后，無論從生產(chǎn)技術(shù)、規(guī)模還是生產(chǎn)設(shè)備、材料等方面均與世界先進(jìn)水平有較大差距。

目前，光伏電池仍然以單晶硅和非晶硅為主，產(chǎn)量最多的國家有日本、美國和歐洲。現(xiàn)世界每年約有1000億美元的潛在市場，僅美國每年約需300億美元的光電池產(chǎn)品，因此，全世界光伏電池的產(chǎn)量僅為市場容量的1%。產(chǎn)需巨大缺口的主要原因在于傳統(tǒng)硅基光伏電池昂貴的生產(chǎn)成本，為了進(jìn)一步降低成本，促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，低價(jià)的新型薄膜太陽電池成為國際太陽電池研究中的主要發(fā)展方向之一，而納米晶染料敏化太陽電池作為新一代薄膜太陽電池代表之一正在受到人們的廣泛關(guān)注。

“在科技部、基金委、中科院的大力支持下，中國科學(xué)院化學(xué)所、等離子體研究所、理化技術(shù)研究所、物理所和北京大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、清華大學(xué)、武漢大學(xué)、吉林大學(xué)、東南大學(xué)、華僑大學(xué)等研究團(tuán)隊(duì)，在納晶染料敏化太陽能電池的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開發(fā)研究里都做出了富有成效的工作，取得了很多成果，受到國際同行的重視。很坦誠的講，經(jīng)過我國科技工作者的共同努力，我們?cè)诩{晶染料太陽能電池領(lǐng)域的很多研究工作已經(jīng)達(dá)到了世界先進(jìn)水平?！敝锌圃何锢硌芯克芯繂T孟慶波說。

自主創(chuàng)新拼出世界一流

遺憾的是，目前高效率的納米晶薄膜染料敏化液體電解質(zhì)太陽電池都是基于液體電解質(zhì)來實(shí)現(xiàn)的，這主要是由于液體電解質(zhì)具有擴(kuò)散速度快、光電轉(zhuǎn)換效率高、組成成分易于調(diào)節(jié)、對(duì)納米多孔膜滲透性好等優(yōu)點(diǎn)。但此類電解質(zhì)又存在著嚴(yán)重缺陷，主要表現(xiàn)在有機(jī)溶劑易揮發(fā)、電解質(zhì)易泄漏，從而導(dǎo)致電池難于封裝、長期穩(wěn)定性差，縮短了電池的壽命。液體電解質(zhì)的替代物研究已經(jīng)成為納晶染料敏化太陽能電池的重點(diǎn)課題。

在國家科技部863項(xiàng)目和中國科學(xué)院“百人計(jì)劃”項(xiàng)目的資助下，中科院物理研究所光機(jī)能材料研究組在固態(tài)復(fù)合電解質(zhì)納米晶染料敏化太陽電池的研究工作取得了很大突破，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的固態(tài)復(fù)合電解質(zhì)納晶染料敏化太陽電池的效率處在世界一流水平或領(lǐng)先水平。

孟慶波介紹說，他們選擇了全新的技術(shù)路線，在前期設(shè)計(jì)優(yōu)化納晶染料敏化太陽電池的四個(gè)部分：即納晶多孔薄膜、染料、電解質(zhì)和對(duì)電極的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化了固態(tài)電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)組成和填充工藝，深入研究了電池放大的工藝和方法。這樣極大的加快了放大實(shí)驗(yàn)進(jìn)度。這種技術(shù)路線具有很強(qiáng)的科學(xué)性和先進(jìn)性。基于簡單、成本低、環(huán)境友好的理念設(shè)計(jì)合成了系列新型具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的電解質(zhì)。

該課題共申請(qǐng)了20余項(xiàng)國家發(fā)明專利和一項(xiàng)國際發(fā)明專利。這些專利涵蓋了染料敏化納米晶固態(tài)太陽能電池的各個(gè)方面，包括納晶薄膜的制備，新型染料的設(shè)計(jì)合成，新型固態(tài)電解質(zhì)的制備工藝，對(duì)電極的制備工藝以及大電池的設(shè)計(jì)和組裝工藝等。利用這些專利可以制備出完整的電池組件。

他們?cè)谘芯康倪^程中，發(fā)現(xiàn)了許多過去未觀察到的科學(xué)現(xiàn)象，如在小分子中發(fā)現(xiàn)“polymerinsalt”現(xiàn)象，多孔介質(zhì)中孔的光散射現(xiàn)象等。這些現(xiàn)象為以后的理論研究提供了新的素材，為設(shè)計(jì)制備高效的太陽能電池開辟了新的思路。