點亮雨天的新能源之光

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唐群委（中）在指導學生做實驗。

■本報記者 廖洋 通訊員 馮文波

「這對世界上沒有電的地區來說，是一項巨大的幫助，我向你致敬」「我是一名正在創業的年輕人，想引入你的科研成果進行產業化」……近日，中國海洋大學材料科學與工程研究院教授唐群委收到了來自世界各地的多封郵件。「德國、英國、法國、義大利、澳大利亞、阿富汗、拉丁美洲都有，有記者請求採訪的，有商人尋求合作的，有學術同行表示祝賀的……」談及這一讓他既感到高興，又讓他有些吃不消的「被打擾」，唐群委說，這一切皆由他的團隊和雲南師範大學教授楊培志的團隊聯合在德國最新一期科技期刊《應用化學》上刊發的一篇題為《一種既可在陽光下也可在雨水下發電的太陽能電池》的論文引起。

在文章中，唐群委不僅記述了他帶領科研團隊開展新型太陽能電池研發的曲折歷程，也詳細闡釋了這一可在雨天發電的太陽能電池的工作原理，從而使科學界和產業界向「全天候太陽能電池」邁進的夢想又近了一步。霎時間，這一發明成為太陽能學術界和光伏產業界關注的焦點。

談及這一可在雨天發電的太陽能電池的研發背景，唐群委說，這要從長期困擾太陽能電池研究的學術難題談起。

源起：一個懸而未決的難題

自1954年美國貝爾實驗室發明第一塊單晶硅太陽能電池以來，在人類利用太陽能發電的歷程中陸續出現了GaAs（砷化鎵）電池、多晶硅電池、非晶硅電池、CdTe（碲化鎘）電池……1991年，瑞士聯邦理工學院的科學家Michael Gr?覿tzel教授又研發成功了介孔染料敏化太陽能電池，不僅將這一電池的發電效率由1%以下提升至7.1%，而且還採用了薄膜化技術，使其更加輕便、柔韌，並由此掀起了薄膜太陽能電池研究的熱潮。

中國的太陽能電池研發起步於20世紀50年代中後期，當時僅限於航空航天領域，直至21世紀初才進入民用領域，且主要以各類晶硅電池為主。而對於新興的染料敏化太陽能電池的研發，唐群委用「各有特色」來形容目前中國的研究態勢。

「有的單位以有機染料見長，有的學者主要研究纖維太陽能電池，有的團隊以凝膠電解質研究著稱，而我們側重於『導電』凝膠電解質和合金對電極的研究。」唐群委說，電解質、對電極一直是制約染料敏化太陽能電池發展的兩大技術瓶頸，前者易泄露、揮發，後者成本高、易溶解。「針對此，我們專註於『導電』凝膠電解質和合金對電極的研究，並取得了良好的成效」。

自2012年以來，唐群委帶領科研團隊聚焦技術瓶頸，大膽創新，取得了令學術界同行刮目相看的成績。先是他們採用自主研發的「導電」凝膠電解質組裝的太陽能電池的最高光電轉換效率達到了9.1%（普通凝膠電解質電池的轉換效率為6%，液體電解質電池的轉換效率為7%），開創了凝膠電解質研究的新模式；接著他們採用自己發明的合金對電極組裝的太陽能電池的發電效率達到了12.75%，已接近世界先進水平，進一步縮小了與發達國家的差距。此外，他們還開發了以Co-Ni（鈷鎳）合金為原料的低成本對電極材料，並獲得了8.3%的電池效率，在染料敏化太陽能電池規模產業化的道路上又前進了一步。

在太陽能電池的基礎研究中，除了聚焦電解質、對電極這兩大制約染料敏化太陽能電池發展的瓶頸外，唐群委還向另一長期困擾太陽能電池科學界的難題發起了衝擊。「太陽能電池在暗環境發電效率低，甚至不發電一直是無法解決的難題。十多年來，國際上投入了大量的人力、物力、財力研究也沒有明顯起色。」唐群委說。從事其他研究之餘，他也一直在思考這一難題，但始終沒有想到破解之法，直到2015年在與雲南師範大學楊培志教授的聊天中他才得到啟發，最終促成了可在雨天發電太陽能電池的問世。

創新：思路一變天地寬

2013年11月，第九屆中國太陽級硅及光伏發電研討會在江蘇常熟舉行，會議期間唐群委與來自雲南師範大學可再生能源材料先進技術與製備教育部重點實驗室教授楊培志一見如故。在太陽能電池研究方面的志趣相投、理念一致，以及知識結構和研究背景的互補性使二人成為親密無間的科研合作夥伴。「在一次交談中，楊培志教授說如果能開發一種在夜晚和陰雨天等其他天氣情況下也能發電的太陽能電池，那對光伏發電的推動作用將是非常大的。」唐群委說，正是有了楊培志教授的點撥，他才有意識地思考在其他天氣情況下的太陽能發電問題。

如果說學術同行的點撥為唐群委指明了研究的新方向，那麼偶然間讀到的一篇論文，成為了他正式開始雨天發電太陽能電池研發的催化劑。「2014年，一次偶然的機會，我讀到南京航空航天大學郭萬林教授的一篇文章，他們團隊在實驗中發現一滴鹽水在石墨烯材料上流動會產生電信號。」唐群委說，通過理論計算和數值模擬，郭萬林團隊對這一現象提出了合理解釋：水滴中的陽離子與石墨烯的離域電子結合形成雙電層電容，水滴的前部陽離子逐漸與電子結合，相當於給電容充電；而水滴的尾部陽離子與電子脫離，相當於給電容放電，這一充放電過程就產生了電信號。「受此啟發，我就考慮雨滴滴落在石墨烯材料上是否也能產生電信號呢」？

雨水並非純凈水，受海風、風化、閃電等各種自然因素的影響而含有鈉離子、鈣離子、銨離子等陽離子以及氯離子、硫酸根離子、硝酸根離子等陰離子，這些離子的含量與種類還會因氣候和環境的不同而呈現出明顯的區域性差異。唐群委帶領科研團隊迫不及待地進行了實驗，果不其然，雨滴滴落在石墨烯材料上也會形成陽離子/電子雙電層「贗電容」，雨滴在石墨烯表面的鋪展-收縮過程即為「贗電容」充、放電，進而產生電壓和電流。

「如何把石墨烯和現在的太陽能電池結合，進而製造出既可在晴天時運用太陽光發電，又可在下雨天利用雨水發電的新型太陽能電池是我們遇到的最大挑戰。」唐群委表示。實驗初期，他們把透明的石墨烯放置於太陽能電池的上層，白天有光照時，太陽光先穿過石墨烯，再照射到太陽能電池板上發電。下雨天，雨水直接滴落在最外層的石墨烯板上發電。「不同方法研製的石墨烯性能有差異，且石墨烯的透光率並非100%，以至於正常光照時電池效率比沒有石墨烯的電池效率有所降低，這在實際應用中並不經濟。」唐群委說，經過多個方案的比較研究，最終採用楊培志團隊研製的石墨烯，在太陽能電池上通過熱壓法組裝完成了相關實驗，但石墨烯薄膜與太陽能電池的合理耦合仍然是一個需要不斷探索和創新的課題。

在使用一定濃度的氯化鈉溶液模擬雨水的實驗中，此太陽能電池實現了大約100微伏/滴的電壓和0.5微安/滴的電流輸出以及6.53%的光電轉換效率。有學者在寫給唐群委的郵件中表示，這項工作的貢獻不在於產生了多少電能，而是提出了太陽能電池向全天候發展的新思路，打破了以往科學研究中過分關注如何高效利用和轉化太陽光的思維方式。

團隊：一個「80後」加一群「90後」

2012年8月，32歲的唐群委成為中國海洋大學藉助「青年英才工程」（第一層次）引進的又一青年學者。「讀大學時我就對中國海洋大學『海納百川、取則行遠』的校園文化氛圍十分嚮往。而且山東人比較戀家，我也希望回到家鄉工作。」唐群委說，初到海大，沒有實驗室、沒有設備、沒有原料，甚至都沒有明確的研究方向。「在學校和學院領導及同事的幫助下，我儘快搭建了工作平台，邊摸索邊干，逐漸確立了以染料敏化太陽能電池的『導電』凝膠電解質和合金對電極為主的研究方向」。

自2013年正式進入工作狀態以來，「80後」的唐群委帶領一群「90後」研究生和本科生實幹苦幹、穩紮穩打，三年多來，獲授權國家發明專利6項，以第一或通訊作者身份發表SCI論文110篇以上，其中不乏《應用化學》這樣的國際知名期刊。

博士研究生段艷艷是「90後」學生團隊中年齡最大的一位，也是令導師和師弟師妹信任的科研骨幹。「她在學生團隊中起帶頭作用，大家都向她看齊。來實驗室不到三年，她已在《應用化學》等雜誌發表了9篇SCI論文。」唐群委在言語間流露出對學生的讚揚之意。回憶起雨天發電太陽能電池的研發歷程，段艷艷用「既有辛苦，又有驚喜」來形容，「早晨五點起床，把實驗樓傳達室的大叔喊起來開門，晚上十點半又在大叔的催促下走出實驗室。到了最後的攻堅階段，就通宵做實驗、採集數據」。

「學生們既勤奮，又執著，為了確保數據的真實性，每一個實驗都要重複上百次。做到最後，有學生都堅持不住了，問我『唐老師可以了吧？』」唐群委說，為了避免學生在研究中走彎路，每周四下午他都會召開「組會」，大家輪流介紹自己一周的科研進展情況，遇到的問題，好的思路、建議也要提出來，彼此集思廣益，在碰撞與交流中推進工作。

在成功獲得實驗數據的基礎上，經過與楊培志的反覆探討，他們最終撰寫出了題為《一種既可在陽光下也可在雨水下發電的太陽能電池》的論文，投給德國《應用化學》雜誌後，兩位評審專家均給出了「無須修改，直接刊用」的意見，併當選為VIP（Very Important Paper）和Wiley出版社的Hot Topic。論文刊發後，立刻引起了國際新聞界和學術界的關注，並被翻譯成英、法、德、拉丁、捷克等多種語言，甚至有媒體稱其為光伏發電史上具有「里程碑」意義的創新。

未來：打造全天候太陽能電池

作為全球光伏發電裝機容量最大的國家，2015年底，中國的裝機容量已達4318萬千瓦，但其電池類型主要以晶硅電池為主。第三代太陽能電池產品——染料敏化太陽能電池的產業化之路才剛剛起步。

談及雨天發電太陽能電池的產業化之路，唐群委表示，從實驗室到工廠還有很長的路要走，但他對該項目的應用前景保持樂觀。「雨量充沛但太陽能資源不夠豐富的地區，酸雨多發地區，以及島礁供電和海上航行等領域都能派上用場」。著眼更長遠的未來，唐群委說：「雨天發電太陽能電池不是最終目標，研發『全天候太陽能電池』才是我們的終極理想，未來的太陽能電池有望在任何天氣情況（白天、夜晚、陰、雨、霧、霾等）下發電。」

《中國科學報》 (2016-05-12 第7版 視角)

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