“人造樹葉”變光為電

對于綠色植物的光合作用，我們并不陌生：通過葉綠體，吸收并利用光能，把二氧化碳和水轉化成儲存能量的有機物，同時釋放出氧氣。受光合作用啟發，科學家們正在著手研制一種與葉綠體原理部分相似的新型電池——染料敏化太陽能電池，它可將光能轉化成電能，實現真正“零排放”。

“人造樹葉”電池

綠色植物利用葉綠體，吸收太陽光，把光能轉化為太陽能。整個過程中，只要有太陽光，光合作用就能一直進行下去。一種名為“染料敏化太陽能電池”(簡稱DSC)的新型電池，其工作原理與光合作用原理相類似。不同的是，綠色植物的光合作用是通過葉綠體，而DSC借助的是類似葉綠素的染料，利用這種染料來吸收太陽光，產生電子，電子再被負電極收集，然后再通過外電路，回到正電極，產生光電流。

這種電池使用了廉價的性能很好的納米二氧化鈦為電池的負極，然后在納米二氧化鈦上吸附一層對太陽光敏感的有機染料，所以叫染料敏化太陽能電池。它制作的原材料簡單易得，工藝并不復雜，功能如同于一片樹葉，所以被形象地稱為“人造樹葉”。

和樹葉相比較，染料敏化太陽能電池中所使用的染料，就如同樹葉中的葉綠素，在太陽光的照射下，會產生電子，納米二氧化鈦電極則是集結電子的收集器。這種電池只要在光照下，就會源源不斷地產生電子，將光能直接轉化為電能，而且不會排放任何廢物。

不同的“光合作用”

“人造樹葉”電池的工作原理是：當染料分子吸收太陽光后，電子開始變得活躍，并脫離原先的基態，與二氧化鈦發生氧化反應，電子很快跑到表面被電極收集，通向外電路：而從另一端電極返回的電子被電解質中的離子捕獲，送還給被氧化的染料分子，使其重新回復到基態，這就完成電子的輸運循環過程。中科院等離子體物理研究所研究員戴松元指出：“整個循環過程，只要有太陽光，并且與外電路接通，就能持續不斷地將太陽能轉換成電能。”

但是，DSC的光合作用與植物的光合作用并不相同。我們可以把植物中葉綠素分子看做是DSC中所用的染料分子中的一種。它們之間的相似點就是光吸收，電子受激發，電荷傳遞。區別就在于后面的步驟不一樣，對DSC來說，就是在兩個電極中收集傳遞過來的電荷，產生電能；而對光合作用，電荷傳遞到反應中心，形成新的化學鍵，它將光能轉化成化學能。

物美價廉無污染

相對于其他太陽能電池，DSC制作簡單，成本低廉、環境友好，并可以制備在柔性基板上。此外，DSC的原材料豐富，性能穩定。DSC制作中主要工藝是大面積絲網印刷技術和簡單浸泡方法，有利于大面積工業化生產，而且所有原材料和生產工藝都無毒、無污染，電池中的導電玻璃可以得到充分的回收，對環境保護有深遠的意義。

戴松元表示，由于DSC可直接把太陽能轉變成電能，實現大規模光伏發電，對解決我國廣大中西部無電地區的能源問題有重大意義。他算了一筆賬，從長遠來看，如果DSC成本降到每峰瓦10元，其性價比就可與常規能源相當。如果效率達到7％，每平方米電池供電將有70瓦，那么，14.3平方千米的面積就可達到1000兆瓦的供電能力。

應用前景廣闊

DSC的下一步主要目標是在工藝和產業化制造技術上爭取有新的突破，重點解決電池長時間穩定性和提高電池組件的效率，一旦推廣應用，要求至少要有15～20年以上的穩定期。但從長遠來說，太陽電池要真正做到低價應用，使普通老百姓用得起，才是關鍵的出路。

光伏電池在未來將成為一種重要的安全可靠的新能源。DSC作為光伏電池的一種，有它的特有應用市場。

據悉，由于二氧化鈦具有較好的可見光透過率，所以這種“人造樹葉”幾乎是透明的，薄如蟬翼而且可以隨意彎曲，隨著材料和器件結構的不斷改進，這種神奇“樹葉”的商業化前景非常樂觀。

專家介紹，這種透明的“樹葉”如果做成大面積的，有可能代替玻璃，只要接收光照，就可以為室內小型電器提供動力，也可以為室外廣告牌提供電力。在高原沙漠地帶，只要在車頂上架個裝有“人造樹葉”的大篷，就可以為小型汽車提供動力，人們長途旅行時就不用擔心汽車缺少燃油，還免除了旅行中額外的輜重。

此外，這種可彎曲并且透明的電池不但收放自如，還能層疊起來，提高太陽光的利用率，在航天方面將是宇宙飛船或者衛星動力的新寵。

制約瓶頸何在?

雖然前景誘人，但是要使DSC成為未來能源體系的組成部分，關鍵是要實現其性能價格比可與常規能源相當。戴松元認為，以DSC的成本優勢，如達到6％的光電轉換效率，室外穩定性達到10年以上，就具有了產業化潛力。但DSC作為一種長期置于戶外的裝置，必將受到各種自然條件的影響。因此，研究長壽命、高穩定性的DSC是一個十分迫切的問題。

目前，染料敏化太陽電池遇到的另一個問題是染料分子問題。目前它的光吸收效率還不夠高，照射到地球上太陽光的光譜很寬，光譜中49％能量集中在紅外光，而目前的絕大多數染料分子對紅外光的吸收效率不高。所以，合成具有高吸收效率的染料分子也成為一個很重要的研究方向。