染料敏化太阳能电池
化学先生 / 2019-08-02
从Graetzel教授实验室可见光催化分解水研究暴露出的问题分析，人工光合作用的关键和难点是光解水放氧。自1972 年Fujishiman和Honda首先在Nature上发表TiO2作为光阳极，在紫外光照射下可以分解水产氢以后，人们花了十几年的时间还是找不到.一个理想的光催化分解水制氢体系。
无论是光电化学池，还是配位光催化或半导体光催化，如果不模拟光合作用先分解水放瓦，都必须外加电能或还原剂才能稳定、高效地分解水产氢，这就不可避免地要增加规模制氢的成本，很难和已经形成工业规模的热化学制氢技术竞争。因为石油、煤和天然气为原料的水碳反应、水蒸气重整以及水煤气变换等热化学过程，氢也主要是从水里来的。
1988年，在莫斯科召开的国际氢能会议上有人提出，可以先将太阳能转化为电能，然后再用电解水制氢。也许是巧合，1988年Graetzel 教授在JACS上发表了他们染料敏化太阳能电池的最初模型。但所用的太阳能光电转换材料一染 料敏化纳米晶二氧化钛，还是以前可见光分解水制氢的Ru(bpy)3/TiO2光催化体系。
主要创新之处在于添加了电子传递剂一一碘，光敏剂被可见光激发产生的电子首先传递到TiO2的导带，I2从TiO2的导带接受电子生成I-，I-再将电子传递给光敏剂使St还原为基态S,构成一个完整的氧化还原循环。Ru(bpy)3/TiO2/I2组成的光催化体系巧妙地模拟了光合作用的原初物理过程，在整个循环中只通过电子传递使各组分的氧化还原状态发生变化，观察不到显著的化学反应。
按Graetzel教授的理论估算，染料分子的光电转化数约为1亿次，根据这一原理以导电玻璃或贵金属Pr作为对极，I2或导电高分子聚合物为电解质，组成可见光敏化二氧化钛太阳能光伏电池可以连续工作20年。有关Gractzel电池的详细结构和功能，可以参考Grnetzel教授2001年撰写的两篇权威性综述及相关参考文献。
可见光敏化太阳能电池的研究，在世界范围内产生了重大影响，现在已经进入技术开发阶段。根据最新报道(http: //www. powersysterms. eetchina.com)，总部设在美国特拉华州的一家公司G24 Innovations已投资2000万欧元建设一条年产能为25MW的中试生产线，预计到2008年生产规模将扩展到200MW,总投资达到6000万欧元。这家公司的主要支持者是可再生资产( Renewable Capital)公司，分别由EPFL (瑞士洛桑联邦理工学院)、Konar-ka Technologies和Solarcoating 公司参股。该技术被称为“光合作用工厂”，它和传统的太阳能电池相比，不含硅和重金属，生产成本只有硅太阳能电池的1/50.有望用于笔记本电脑和手机等移动电子设备的电源，并向建筑和纺织等行业扩展。
新型可见光太阳能电池的发明，使Graetzel教授多次获奖: 2000 年获得欧洲创新奖; 2001 年获得英国皇家学会法拉第奖章和荷兰Havinga 奖; 1998年和2002年两次获得Mckinsey Venture奖: 2004 年获得Italgas 奖; 2005 年获得Gerischer奖。
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