染料敏化太陽能電池的破局之道

嚴永紅

如果電池有心，想必今時今日也會感到前所未有的壓力。自從《華爾街日報》發文稱“科技世界正在因電池技術進展緩慢而百般煩惱”之后，未來科技就被描摹成了強悍而無奈的巨型機器人——制作精良、無所不能，卻因缺乏一枚高效、穩定的新能源電池而無法施展萬般抱負。西安建筑科技大學教授、新能源材料專家云斯寧因此在實驗室度過了更多周末時光，與“革命性突破”等浮夸的字眼相比，他相信腳踏實地才能更迫近真理，才能讓夢想照進現實。

堅守初心

2013年，云斯寧教授與大連理工大學馬廷麗教授牽頭，由國內眾多科研單位成就卓越的科學家參編，共同編著的《染料敏化太陽能電池——從理論基礎到技術應用》一書正式出版。作為我國第一本全面介紹染料敏化太陽能電池（DSSC）的專業書籍，它的問世，讓世界看到了在新一代太陽能電池研究領域更多的“中國可能”。與此同時，這位杰出的青年科技工作者所取得的創新性國際重要研究成果，也大大提升了西安建筑科技大學無機非金屬材料學科在國內外的行業影響力，促進了功能材料新辦專業的學科發展、推動行業技術進步和產業化進程。

那么，何謂DSSC？他又是如何與之結緣的呢？

如大家所知，太陽能作為資源豐富的可再生能源，具有獨特的開發利用潛能，而DSSC就是新一代太陽能電池的一種。“它主要是模仿光合作用原理研制的。”云斯寧向記者介紹說，“植物進行光合作用的時候，是把太陽能轉化為電能，然后再轉化為化學能，而DSSC是一個電氣化學系統。植物進行光合作用，是葉綠素在起作用，而DSSC是用染料來捕獲太陽光，把光能轉化為電能進行發電。”

2003年，云斯寧在西安交通大學攻讀博士學位，從事鈣鈦礦鐵電壓電陶瓷介電弛豫行為的研究。在廣闊的科技世界走馬觀花已經無法滿足他的求勝心，“致用”開始成為這個科研新兵最為關注的命題。偶然的機會，他看到了美國能源署和中科院關于能源科學與技術未來發展展望的行業報告，開展科研的定位逐漸清晰了起來。“當時了解到我們國家碳納米管的研究在國際上比較超前，后來我就比較關注新能源，經過逐步積累，對國家的政策、需求了解多了，焦點就集中在能源危機和環境污染兩個關鍵點上了。我們做科研必須要符合國家重大戰略需求才有意義，太陽能和生物質能又是新能源里邊兩大核心。”因此，云斯寧教授將研究定位在：一方面立足于太陽能，另一方面立足于生物質能，開展低成本、高附加值資源化循環綜合利用的基礎研究和技術開發。

因為出色的表現，云斯寧博士畢業之后，其學位論文獲2007年西安交通大學優秀博士論文，而后他又作為“引進人才”進入西安建筑科技大學工作，隨后赴韓國延世大學研修，開始涉足DSSC。“在韓國，主要是搞光陽極研究，回國之后與馬廷麗教授合作，逐漸開展對電極催化劑的研究。”他說自己近期在開展捕能與儲能一體化新能源集成器件研究。

從國外到國內，從光陽極到對電極再到集成器件，云斯寧及其研究團隊一直沿著一條主線進行探索。而這條線就是——可再生能源中對太陽能和生物質能的利用。他解釋說：“隨著人口的增加和人們生活水平的逐漸提高，對能源的需求日益增加，能源危機和環境污染日益嚴重。面對這種挑戰，我們力圖通過新能源材料的研究和開發，解決國家發展過程中的重大能源需求，并且立足于資源化循環綜合利用。”

卓越的科研才華，讓云斯寧從眾多青年科研工作者中脫穎而出，他很快被破格提升為教授和博士研究生導師，并成為了西安建筑科技大學功能材料研究所“新能源材料”研究團隊和陜西省納米材料與技術重點實驗室“新能源材料器件化應用”研究團隊的方向負責人。 他和他的研究團隊一起，對國際上該領域的研究現狀、難點、熱點開展深度研究、聯合攻關。近年，參與完成、主持國家級、省部級、地市級、校級各類項目20余項，并協助國家基金委評審青年、面上、重大項目共38項。

持續突破

和當初預料的一樣，在巨大的能源缺口面前，DSSC因其光電轉化效率高、成本低、環境友好、透明等特點，順理成章地成為了全世界矚目的科研焦點。而他與“戰友們”的堅守，也為我國在該領域國際競爭力的加強，原創性成果的爭奪提供了堅實的保障。“中國發表的研究論文，位居世界第二；知識產權數量也僅此于日本和韓國，領先于美國和其他發達國家。而國內的產業化研究也基本與世界同步，早期僅能建成500瓦的示范小工程，預計今年我國能達到20兆瓦規模的水平。”云斯寧教授對我國的科研充滿信心。

藍海似乎近在咫尺，想要突破邊界，挑戰仍然不可小覷。“研究DSSC的目的最終在于應用。而產業化面臨兩個問題：一個是DSSC的效率約為13%，與成熟的硅基電池相比有點偏低；另外一個是它的長期穩定性欠佳。其次，商業化應用還面臨著一個成本問題，雖然DSSC成本僅占硅基電池的1/5?1/10，但想要產業化，還需進一步降低成本。”只有解決了效率、穩定、成本等諸多問題，DSSC才能真正走上康莊大道，云斯寧教授倍感壓力，他認識到，“只有開展新原理、新結構、新方法的應用基礎研究，開發出具有自主知識產權的關鍵核心技術，跟國際上的清潔能源技術競爭，才能從容應對。”

真抓實干、各個擊破，在他看來是登頂成功的唯一途徑。作為陜西省科技計劃評審專家，他最常強調的就是“堅持”與“超越”。“如果一天工作8個小時，生活可以很輕松，但科研這個東西，只有不停地付出，幾十年如一日的堅持，才有可能取得突破。”自2012年以來，云斯寧教授開始以每年一項新突破刷新西安建筑科技大學科研成果的發表紀錄，在《Prog Polym Sci》《Energy Environ Sci》《Adv Mater》《Adv Energy Mater》《ChemSusChem》《J Mater Chem A》《Nanoscale》等國際知名期刊發表學術論文40余篇，擁有20余項專利技術，主編專著1部，參編中國、法國、印度等大學教授專著3部，之一下載量已超過99000余次。研究成果先后被陜西省人民政府、陜西省教育廳、中國建筑學會、西安建筑科技大學、《西安建大報》、精細化工國家重點實驗室等多家媒體和網站報道，相關理論、方法或結果已被國內外同行采用或作為其研究的基礎或起點。

2014年8月，由他撰寫的綜述性文章《無鉑的染料敏化太陽能電池對電極》在國際材料領域權威刊物《先進材料》發表之后，更是引起了國際同行的關注。在他看來，無鉑催化材料有獨具優勢的創新點。一方面是原材料容易獲得，價格比貴金屬鉑要便宜很多；另一方面，制備工藝比較環保，基本對環境沒污染。他舉例說，目前的這種薄膜太陽能電池，希望像塑料紙一樣印刷出來，這樣更容易實現產業化，而溶液工藝與卷對卷大面積印刷生產是非常匹配的。此外，他們開發的無鉑催化劑性能卓越，成本低廉，原材料易得，在太陽能電池、燃料電池、超級電容器、制氫、生物傳感器、有機物降解、污染控制等領域具有潛在的應用前景。

攬海聽風

榮譽、鮮花與掌聲紛至沓來，他卻波瀾不驚地說：“想要滿足國家的發展需求，我們就不能滿足于在國內拿幾個項目，而應該更關注國際上同行之間的競爭與合作。”他不僅積極參加國內外該領域的學術會議，開展科研合作，而且與日本、瑞典、美國、韓國、芬蘭、德國、巴西、西班牙等國際知名機構的科學家保持長期穩定的科研合作，并且長期擔任20余種國際主流SCI期刊的通訊評議人。為此，《西安建大報》刊發“國際合作我受益良多”一文，特別報道了他的國際科研合作。

在他的推薦下，相關研究成果刷新了國際同行對中國在新能源材料研究領域巨大潛力的認識。越來越多的國際同行也記住了這位年輕有為的中國青年科學家。在接受采訪時，他說：“由于多學科交叉研究的特點，未來開展國際科研合作的需要會更多、更頻繁。但能否建立良好的合作關系，取決于雙方彼此的信任和坦誠相待，取決于自己的層次和實力。所以，不斷地虛心學習、不恥下問，不斷提高自己、完善自己，使自己的綜合能力不斷提高，才有和更高層次優秀團隊合作的基礎和信心。”

如他所言，新能源材料研究領域，還有更多主題亟待攻克——國際合作需要主持，科研人才需要哺育……等待中國的，是要用“創新”改變的產業格局，也是要用“堅持”寫就的破局之道。