1、1夸 父 逐 日 记中国科学院等离子体物理研究所染料敏化纳米薄膜太阳电池的研究2夸父逐日l远古时代，在我国北部，有一座巍峨雄伟的成都载天山，山上住着一个巨人氏族叫夸父族。夸父族的首领叫做夸父，他身高无比，力大无穷，意志坚强，气概非凡。那时候，世界上荒凉落后，毒蛇猛兽横行，人们生活凄苦。夸父为了本部落的人产能够活下去，每天都率领众人跟洪水猛兽搏斗。夸父常常将捉到的凶恶的黄蛇挂在自己的两只耳朵上作为装饰，引以为荣。3l有一年，天大旱。火一样的太阳烤焦了地上的庄稼，晒干了河里的流水。人们热得难受，实在无法生活。夸父见到这种情景，就立下雄心壮志，发誓要把太阳捉住，让它听从人们的吩咐，更好地为大家服务。
2、l 一天，太阳刚刚从海上升起，夸父就从东海边上迈开大步开始了他逐日的征程。l 太阳在空中飞快地转，夸父在地上疾风一样地追。夸父不停地追呀追，饿了，摘个野果充饥；渴了，捧口河水解渴；累了，也仅仅打盹。他心里一直在鼓励自己：“快了，就要追上太阳了，人们的生活就会幸福了。”他追了九天九夜，离太阳越来越近，红彤彤、热辣辣的太阳就在他自己的头上啦。4l夸父又跨过了一座座高山，穿过了一条条大河，终于在禺谷就要追上太阳了。这时，夸父心里兴奋极了。可就在他伸手要捉住太阳的时候，由于过度激动，身心憔悴，突然，夸父感到头昏眼花，竟晕过去了。他醒来时，太阳早已不见了。l 夸父依然不气馁，他鼓足全身的力气，又准备出发
3、了。可是离太阳越近，太阳光就越强烈，夸父越来越感到焦躁难耐，他觉得他浑身的水分都被蒸干了，当务之急，他需要喝大量的水。5l于是，夸父站起来走到东南方的黄河边，伏下身子，猛喝黄河里的水，黄河水被他喝干了，他又去喝渭河里的水。谁知道，他喝干了渭河水，还是不解渴。于是，他打算向北走，去喝一个大泽的水。可是，夸父实在太累太渴了，当他走到中途时，身体就再也支持不住了，慢慢地倒下去，死了。l 夸父死后，他的身体变成了一座大山。这就是“夸父山”，据说，位于现在河南省灵宝县西三十五里灵湖峪和池峪中间。夸父死时扔下的手杖，也变成了一片五彩云霞一样的桃林。桃林的地势险要，后人把这里叫做“桃林寨”。l 夸父死了，他
4、并没捉住太阳。可是天帝被他的牺牲、勇敢的英雄精神所感动，惩罚了太阳。从此，他的部族年年风调雨顺，万物兴盛。夸父的后代子孙居住在夸父山下，生儿育女，繁衍后代，生活是非常幸福。6小测验l你知道太阳每年可以为地球提供多少能量吗？l你知道地球上人类一年的工业生产和人们的生活活动一共需要消耗多少能量吗？l那么你知道染料敏化太阳电池可以扮演什么样的角色吗？l（认真参观吧！答案就在其中）7什么是太阳电池？l太阳电池是指利用太阳光发电的方式，目前使用的太阳电池主要是单晶硅、多晶硅太阳电池。染料敏化太阳电池是近几年研究非常热门，并在逐步走向实用化的一种太阳能技术。8太阳究竟赋予了地球多少能量？l太阳能在我们三分
5、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大约相当于17万亿吨标准煤的能量。（中国煤炭的总储量为约6000亿吨）换句话说每年地表吸收的太阳能可以相当于280多倍中国的煤炭总储量。l太阳每年通过大气向地球输送的能量高达31024焦耳，这种免费洁净的能源是地球发展的可靠保证。据统计地球上人类一年的能源总需求达到约4.3631020焦耳，也就是说如果我们可以收集其中的万分之一到万分之二就足够我们的需求了。9什么是染料敏化太阳电池？l“染料敏化太阳电池”全称为“染料敏化纳米薄膜太阳电池”，是模拟自然界中的光合作用原理，采用吸附染料的纳米多孔二氧化钛半导体膜作为光阳极，并选用适
6、当的氧化还原电解质，用镀铂的导电玻璃作为光阴极，这样一个简单的染料敏化太阳电池就做好了。只要太阳光一照到电池上，它就会源源不断的开始发电了。10太阳电池的优点：l太阳能发电具有安全可靠、无噪声、无污染、不消耗原材料、不必架设高压输电线路、建站周期短、规模可大可小、可以无人值守等一系列优点。l特别对于偏远地区的居民供电，或者野外科考、野外作业、军事指挥临时系统的稳定供电具有非常 便利的优点。11单多晶硅太阳电池的缺点：l目前，进入应用领域的太阳电池主要以硅电池为主，由于其苛刻的生产工艺，使得生产成本一直居高不下，为20-40元/峰瓦，只能在军事和必不可少的通迅领域内应用，无法在广大的农村以及城市
7、居民中推广应用；因而只能作为一种必要的紧急用电的补充，不可能成为一种主要的发电手段和能源供应形式。12染料敏化太阳电池的优点：l从经济角度来讲：若批量生产，电池的成本在510元/(峰瓦)左右3，而普通的硅电池在20-40元/(峰瓦)，因而染料敏化纳米薄膜太阳电池电池非常适合批量生产，满足城市居民以及广大农村的需要，特别是对我国近七千万边远地区人口的用电具有实际的意义。13染料敏化太阳电池的优点l战略角度来讲 我国是一个能源的消耗大国，特别是电力的短缺严重影响我国的经济持续稳定发展。但是无论是核电还是火电所需要的燃料都是非常有限的，发电的同时也给环境造成了严重的污染。因此我国尤其应当注重太阳能这
8、种可再生绿色能源的开发与利用。为经济、环境、社会的协调发展奠定良好的基础。14染料敏化太阳电池的优点从实用性角度来讲：从染料敏化纳米薄膜太阳电池的结构可以看出，电池是由双块透明导电玻璃及有一定颜色的染料和电解质构成，而整个电池是透明的，且带一定颜色，所以可以通过适当选择染料和电解质的颜色及TiO2膜的厚度来控制整个电池的透光率，这样可以把电池用作窗户玻璃，即透光又可当电池用。15染料敏化太阳电池的结构染料敏化纳米薄膜太阳电池电池主要由以下几部分组成：透明导电玻璃、纳米多孔TiO2膜、染料光敏化剂、电解质和反电极 16染料敏化太阳电池的工作原理l当太阳光照射到电池表面时，吸附在二氧化钛光电极表面
9、的染料分子受到激发由基态S跃迁到激发态S*,然后将一个电子注入到二氧化钛导带内，此时染料分子自身转变为氧化态S+.l注入到二氧化钛层的电子富集到导电基底，并通过外电路流向对电极,形成电流.处于氧化态的染料分子氧化溶液中的电子给体(此种在电解质溶液中的电子给体),自身恢复为还原态，使染料分子得到再生。被氧化的电子给体扩散至对电极,在电极表面被还原,从而完成一个光电化学反应循环。17染料敏化太阳电池的工作原理简图18染料敏化太阳电池的工作原理19染料敏化太阳电池的研究历史l1、1991年,M.Grtzel等人提出了一种新型的以染料敏化二氧化钛纳米薄膜为光阳极的光伏电池,称为M.Grtzel电池,它
10、以羧酸联吡啶钌()配合物为敏化染料。l2、1993年M.Grtzel等人再次报道了光电转换效率达10%的染料敏化纳米太阳能电池，2001年效率达到了10%11%，短路电流密度为20.53mA/cm2,开路电压为720。l3、1997年,这种M.Grtzel电池已经应用于电致变色器件,人们预计,在未来的几年内,这种太阳能电池将进入实用阶段。l4、1998年,M.Grtzel等人进一步研制出全固态M.Grtzel电池,使用固体有机空穴传输材料替代了液体电解质,单色光光电转换效率最大达到33%,从而引起了全世界的关注。20我国染料敏化太阳电池的研究历史l1、我国科研研究小组在九十年代中后期开始跟踪研
11、究该项技术，中科院和北大等高校率先在该项研究上取得较好的成绩。l2、其中中科院等离子体所、化学所和理化所的研究小组在中科院院长特别基金的支持下，开展了前期的跟踪研究，同时于2000年6月，该项研究被中科院列入中科院知识创新项目，并获得相应的经费支持，中科院等离子体物理研究所和王孔嘉研究员分别为项目承担单位和首席科学家，化学所和理化所为项目参加单位。l3、2000年10月，“低价、长寿新型光伏电池的基础研究”项目列入国家重点基础研究规划项目（973计划），中科院等离子体物理研究所和南开大学为项目承担单位，王孔嘉研究员和耿新华教授为项目首席科学家，化学所、理化所、中科院研究生院、北工大等七个单位为
12、项目参加单位，染料敏化纳米薄膜太阳电池作为项目研究的主要方向之一。21等离子体所染料敏化太阳电池的研究进展及成果l1、其中小面积电池（0.2cm2）光电转换效率达8.95%（one Sun）l2、单片电池（面积40.75cm2）光电转换效率达7.7%（one Sun）l3、大面积（从10cm10cm到15cm20cm）电池，如图5所示，其光电转换效率达5%以上，为国际上相同电池的较好结果 22大面积染料敏化太阳电池图 15cm20cm的电池样品23中国首个染料敏化太阳电池示范电站图 建立在等离子体所内的瓦规模的小型示范电站24戴老师教你制作染料敏化太阳电池！在听完戴老师对染料敏化太阳电池的简单
13、介绍后，您一定对这种新型的绿色能源非常感兴趣，那么你是不是想自己动手制作一块自己的太阳能池呢？闲话少叙那么下面就跟着戴老师进行染料敏化太阳电池的制作吧！第一步：二氧化钛膜的制备；第二步：利用天然染料把二氧化钛膜着色；第三步：制作反电极；第四步：注入电解质；第五步：组装电池。25第一步：二氧化钛膜的制备 把二氧化钛胶体涂敷在透明导电玻璃上。就象二氧化钛膜一样，透明导电玻璃上已经事先镀有一层透明导电膜（SnO2）一调制纳米二氧化钛浆料二、在导电玻璃片上涂膜三、用酒精灯烤干26第二步：利用天然染料把二氧化钛膜着色 把新鲜的或冰冻的黑莓、山莓石榴籽或红茶，用一大汤匙的水进行挤压，然后把二氧化钛膜放进去
14、进行着色，大约需要5分钟，直到膜层变成深紫色，如果膜层两面着色的不均匀，可以再放进去浸泡5分钟，最后用乙醇冲洗，并用柔软的纸轻轻地擦干。27第三步：制作反电极 电池既需要光阳极，又要一个对电极才能工作。对电极又叫反电极，是由涂有导电的SnO2膜层组成的，利用一个简单的万用表就可以判断玻璃的哪一面是导电的，利用手指也可以作出判断，导电面较为粗糙。把非导电面标上+，然后用铅笔在导电面上均匀地涂上一层石墨。28第四步：注入电解质 注入含碘和碘离子的溶液作为太阳电池的电解质，它主要用于还原和再生染料。29第五步：组装电池 把着色后的二氧化钛膜面朝上放在桌上，在膜上面滴一到两滴含碘和碘离子的电解质，然后
15、把反电极的导电面朝下压在二氧化钛膜上。把两片玻璃稍微错开，以便利用暴露在外面的部分作为电极的测试用。利用两个夹子把电池夹住，这样，你的太阳能电池就作成了。在室外太阳光下，可以获得开路电压0.43V，短路电流1mA/cm2的自己做的太阳电池。30恭喜你染料敏化太阳电池制作成功了！31结束语l夸父逐日的故事已经过去了几千年，但是依然激励着华夏儿女在今天对太阳不屈不挠的追求，利用太阳能，发展太阳能，利用太阳发电成为许许多多华夏儿女以及其他国家科学家的热切追求，等离子体物理所的科学工作者就是他们中的一员。他们已经在迈向征服太阳的方向上作出了很大的贡献，愿他们百尺竿头，更进一步，作出效率更高，造价更便宜的染料敏化太阳电池。因为只需要将地球上0.3的面积上铺上太阳能电池（光电转化效率10）就可以收集足够的能量供应地球居民全部的能量需求！l希望十年后当你搬入新家时，当你看到淡褐色的窗玻璃时，别忘了它正在静静为你发电，从此不必交电费。
