染料敏化太陽能電池
化學(xué)先生 / 2019-08-02
從Graetzel教授實驗室可見光催化分解水研究暴露出的問題分析，人工光合作用的關(guān)鍵和難點是光解水放氧。自1972 年Fujishiman和Honda首先在Nature上發(fā)表TiO2作為光陽極，在紫外光照射下可以分解水產(chǎn)氫以后，人們花了十幾年的時間還是找不到.一個理想的光催化分解水制氫體系。
無論是光電化學(xué)池，還是配位光催化或半導(dǎo)體光催化，如果不模擬光合作用先分解水放瓦，都必須外加電能或還原劑才能穩(wěn)定、高效地分解水產(chǎn)氫，這就不可避免地要增加規(guī)模制氫的成本，很難和已經(jīng)形成工業(yè)規(guī)模的熱化學(xué)制氫技術(shù)競爭。因為石油、煤和天然氣為原料的水碳反應(yīng)、水蒸氣重整以及水煤氣變換等熱化學(xué)過程，氫也主要是從水里來的。
1988年，在莫斯科召開的國際氫能會議上有人提出，可以先將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，然后再用電解水制氫。也許是巧合，1988年Graetzel 教授在JACS上發(fā)表了他們?nèi)玖厦艋柲茈姵氐淖畛跄Ｐ?。但所用的太陽能光電轉(zhuǎn)換材料一染 料敏化納米晶二氧化鈦，還是以前可見光分解水制氫的Ru(bpy)3/TiO2光催化體系。
主要創(chuàng)新之處在于添加了電子傳遞劑一一碘，光敏劑被可見光激發(fā)產(chǎn)生的電子首先傳遞到TiO2的導(dǎo)帶，I2從TiO2的導(dǎo)帶接受電子生成I-，I-再將電子傳遞給光敏劑使St還原為基態(tài)S,構(gòu)成一個完整的氧化還原循環(huán)。Ru(bpy)3/TiO2/I2組成的光催化體系巧妙地模擬了光合作用的原初物理過程，在整個循環(huán)中只通過電子傳遞使各組分的氧化還原狀態(tài)發(fā)生變化，觀察不到顯著的化學(xué)反應(yīng)。
按Graetzel教授的理論估算，染料分子的光電轉(zhuǎn)化數(shù)約為1億次，根據(jù)這一原理以導(dǎo)電玻璃或貴金屬Pr作為對極，I2或?qū)щ姼叻肿泳酆衔餅殡娊赓|(zhì)，組成可見光敏化二氧化鈦太陽能光伏電池可以連續(xù)工作20年。有關(guān)Gractzel電池的詳細(xì)結(jié)構(gòu)和功能，可以參考Grnetzel教授2001年撰寫的兩篇權(quán)威性綜述及相關(guān)參考文獻(xiàn)。
可見光敏化太陽能電池的研究，在世界范圍內(nèi)產(chǎn)生了重大影響，現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入技術(shù)開發(fā)階段。根據(jù)最新報道(http: //www. powersysterms. eetchina.com)，總部設(shè)在美國特拉華州的一家公司G24 Innovations已投資2000萬歐元建設(shè)一條年產(chǎn)能為25MW的中試生產(chǎn)線，預(yù)計到2008年生產(chǎn)規(guī)模將擴展到200MW,總投資達(dá)到6000萬歐元。這家公司的主要支持者是可再生資產(chǎn)( Renewable Capital)公司，分別由EPFL (瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院)、Konar-ka Technologies和Solarcoating 公司參股。該技術(shù)被稱為“光合作用工廠”，它和傳統(tǒng)的太陽能電池相比，不含硅和重金屬，生產(chǎn)成本只有硅太陽能電池的1/50.有望用于筆記本電腦和手機等移動電子設(shè)備的電源，并向建筑和紡織等行業(yè)擴展。
新型可見光太陽能電池的發(fā)明，使Graetzel教授多次獲獎: 2000 年獲得歐洲創(chuàng)新獎; 2001 年獲得英國皇家學(xué)會法拉第獎?wù)潞秃商mHavinga 獎; 1998年和2002年兩次獲得Mckinsey Venture獎: 2004 年獲得Italgas 獎; 2005 年獲得Gerischer獎。
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