面對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重要瓶頸是其過高的價格，解決這一問題的有效途徑有如下兩個方面，一是進一步發(fā)展新工藝、新技術，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)展和太陽能電力運用的突破口之一。我國“十五”期間由中科院物理所聯合中科院化學所、復旦大學共同承擔的國家863計劃項目“固態(tài)納米晶染料太陽能電池”的成功研發(fā)，使我國在該領域迅速躋身世界先進行列。

納晶太陽能電池的創(chuàng)始人M.Gratzel先生對他們的研究成果給予很高的評價，先后兩次參觀了他們的實驗室，并進行學術交流。M.Gratzel教授稱這一研究團隊是他的“競爭對手”，同時希望與他們建立密切的合作關系，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太陽電池，并在1991年一舉突破了7%%的光電轉換效率。立即得到了國際上廣泛地關注，至今一直是國際上研究的熱點。其廉價的生產成本和易于工業(yè)化生產的工藝技術以及廣闊的應用前景，吸引了歐、美、澳、日等眾多科學家與公司投入很大力量進行研究和開發(fā)。

美國、歐洲、日本、澳大利亞等發(fā)達國家一直把發(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)的投資逐年新增。在示范應用方面，美、歐、日等發(fā)達國家都公布了規(guī)模為吉瓦(GW)級的“百萬光伏屋頂計劃”。

據統(tǒng)計，在世界范圍內，1998年以后光伏組件的生產以每年30%以上的速度遞增。截至2004年底，全球光伏電池的生產總量超過1000萬kW。光伏技術與產業(yè)的騰飛，將逐步改變現有能源組成結構。美國計劃到2020年光伏發(fā)電要占到全美屆時發(fā)電裝機增量的15%%左右，累計安裝量達到3600萬kW。

在過去的幾年中，我國光伏產業(yè)正以每年30%的速度上升，2002年光伏電池實際生產量力僅有6MW，而2004年底國內光伏電池裝機容量達6.5萬kW。根據初步完成的《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》，到2020年太陽能發(fā)電將達到200萬kW。光伏發(fā)電重要用于家庭、交通、通訊等小型用電領域。從長遠來看，若并入電網或其他領域，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)電量要5GW，而我國光伏產業(yè)發(fā)展還相對落后，無論從生產技術、規(guī)模還是生產設備、材料等方面均與世界先進水平有較大差距。

目前，光伏電池仍然以單晶硅和非晶硅為主，產量最多的國家有日本、美國和歐洲。現世界每年約有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品，因此，全世界光伏電池的產量僅為市場容量的1%。產需巨大缺口的重要原因在于傳統(tǒng)硅基光伏電池昂貴的生產成本，為了進一步降低成本，促進光伏產業(yè)的發(fā)展，低價的新型薄膜太陽電池成為國際太陽電池研究中的重要發(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注。

“在科技部、基金委、中科院的大力支持下，我國科學院化學所、等離子體研究所、理化技術研究所、物理所和北京大學、復旦大學、清華大學、武漢大學、吉林大學、東南大學、華僑大學等研究團隊，在納晶染料敏化太陽能電池的基礎研究和應用開發(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，經過我國科技工作者的共同努力，我們在納晶染料太陽能電池領域的很多研究工作已經達到了世界先進水平。”中科院物理研究所研究員孟慶波說。

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太陽電池都是基于液體電解質來實現的，這重要是由于液體電解質具有擴散速度快、光電轉換效率高、組成成分易于調節(jié)、對納米多孔膜滲透性好等優(yōu)點。但此類電解質又存在著嚴重缺陷，重要表現在有機溶劑易揮發(fā)、電解質易泄漏，從而導致電池難于封裝、長期穩(wěn)定性差，縮短了電池的壽命。液體電解質的替代物研究已經成為納晶染料敏化太陽能電池的重點課題。

在國家科技部863項目和我國科學院“百人計劃”項目的資助下，中科院物理研究所光機能材料研究組在固態(tài)復合電解質納米晶染料敏化太陽電池的研究工作取得了很大突破，具有自主知識產權的固態(tài)復合電解質納晶染料敏化太陽電池的效率處在世界一流水平或領先水平。

孟慶波介紹說，他們選擇了全新的技術路線，在前期設計優(yōu)化納晶染料敏化太陽電池的四個部分：即納晶多孔薄膜、染料、電解質和對電極的基礎上，進一步優(yōu)化了固態(tài)電解質的結構組成和填充工藝，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驗進度。這種技術路線具有很強的科學性和先進性。基于簡單、成本低、環(huán)境友好的理念設計合成了系列新型具有自主知識產權的電解質。

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

他們在研究的過程中，發(fā)現了許多過去未觀察到的科學現象，如在小分子中發(fā)現“polymerinsalt”現象，多孔介質中孔的光散射現象等。這些現象為以后的理論研究供應了新的素材，為設計制備高效的太陽能電池開辟了新的思路。

中科院物理研究所納晶光陽極的制備、加成化合物固態(tài)電解質的設計合成及電池的制備等方面的研究工作一直在國際上具有重要的影響。在《美國化學會志》等國際一流雜志先后報道了他們的研究成果，得到納晶太陽能電池的創(chuàng)始人M.Gr?tzel教授等世界著名科學家的高度評價。同時，這一課題的合作單位———中科院化學所和復旦大學在高聚物電解質、融鹽電解質以及導電高聚物電解質的研究中，也取得了很多有價值的成果，另外，他們在研特種電網格保護膜和大面積高性能對電極方面取得了關鍵進展。最近，他們與中科院金屬所等單位密切合作，在研制低成本、高效率的納晶染料敏化太陽能電池碳對電極方面又取得了新的進展。

“這一課題組在固態(tài)復合電解質、新型高聚物電解質等的合成和應用方面做了大量的工作，基于這些電解質開發(fā)的染料敏化太陽電池光電轉換效率都超過5.0%，屬于國際一流水平。很多都是我們原創(chuàng)的。”孟慶波說。

走向市場有望化解能源危機

基于納米技術的納米晶半導體染料敏化太陽能電池，在國內外均處于開發(fā)研究階段，尚未正式產業(yè)化。但它成本低廉，制備工藝簡單，便于大規(guī)模持續(xù)生產，使其具有很強的應用和廣闊的市場前景。隨著我國經濟的快速發(fā)展，對清潔能源及環(huán)保的需求不斷新增，固態(tài)納米晶半導體染料敏化太陽電池的生產技術一旦成熟，將會有很大的市場需求。

孟慶波說，長遠來看，若能進一步提高納米晶薄膜染料敏化太陽電池的效率，使電池成本降到8元／峰瓦以下，其性能價格比與常規(guī)能源相當，不但達到綠色環(huán)保的目的，而且會逐步改變我國傳統(tǒng)能源結構，逐步減少對國際化石能源的依賴,保證我國可持續(xù)發(fā)展的能源問題，對國家的長治久安和提高人們的生活水平具有重大的戰(zhàn)略意義。

目前，該課題組正在和多家公司進行洽談合作、開發(fā)事宜。其中兩家已經簽訂了合作意向書。

孟慶波說，高性價比固態(tài)納米晶太陽能電池的應用開發(fā)，可以提高我國未來的太陽能電池產品的潛在競爭力，同時可以開發(fā)出新型民用消費光電子產品，也可以解決我國的部分地區(qū)的能源緊缺問題。最終的產業(yè)化必將為解決我國的能源問題做出重大貢獻，具有較大的社會效益和經濟效益。同時，要特別注意生產這種新型太陽能電池過程中所付出的能源成本和環(huán)境成本以及使用過程中的環(huán)境成本等。總之，這種新型的太陽能電池真正走向市場還要全社會共同努力。

■數字863

863計劃納米材料專項突破的關鍵技術在與產業(yè)界的密切合作下，使我國在納電子材料與器件技術、重大疾病的診斷與治療、納米特種功能材料等國際高技術競爭的熱點領域，具有了我國自主知識產權的產品。這些產品開始形成能與發(fā)達國家競爭的實力，取得了可觀的經濟效益。

據統(tǒng)計，863計劃納米材料專項執(zhí)行4年來，專項取得成果442項，共轉讓成果23項，成果轉讓收入1353.59萬元，成果創(chuàng)產值240334萬元，成果創(chuàng)稅收15367.09萬元。發(fā)表論文1890篇，其中：國際960篇，國內930篇；國內專著45部。申請專利654項，其中發(fā)明專利622項；獲得授權專利150項，其中發(fā)明專利131項。參加研究的人員達到1913人，其中高級職稱的人員達到754人，培養(yǎng)博士459人，碩士592人。

總的來說，納米技術在電子信息產業(yè)的應用方面，開展了納米量子器件以及高密度、高速信息存儲系統(tǒng)等研究，縮小了與先進國家差距，使我國在該領域的國際高技術競爭中處于有利的戰(zhàn)略地位。在生物醫(yī)用材料與器件方面，突破了乙肝、艾滋病等重大傳染性疾病的生物檢測技術；突破了磁性顆粒用于治療肝癌的關鍵技術，帶動傳統(tǒng)醫(yī)藥和醫(yī)療器械產業(yè)的技術進步。在改造傳統(tǒng)產業(yè)方面，重點突破一批有資源優(yōu)勢和技術優(yōu)勢或市場急需的多種納米功能材料、結構材料的關鍵制造技術、檢測技術和表征技術，使整體上接近國際先進水平，部分達到國際領先水平。加速了我國高新技術產業(yè)的發(fā)展，促進了傳統(tǒng)產業(yè)的結構調整和技術升級，增強了特種實力。