新型太阳能电池——染料敏化太阳能电池研制进展
能源问题是当今世界各国共同面临的严重问题；寻求低污染、可持续使用绿色能源是世界各国科学家共同关注的问题.太阳能不仅是地球几十亿年来，推动自然界种种演化的基本动力，也是当今人类实现可持续发展最可靠的能源.但是长期以来人们仅仅靠太阳自然照射状态下，通过植物吸收、风云雨雪变化利用太阳能.物理学的发展，尤其是半导体材料的创造，开创了人类用科技手段进行太阳能发电的道路.
说起太阳能发电，人们并不陌生.以单晶硅或多晶硅为主要原料的太阳能电池板正越来越多地点缀于城市建筑的屋顶、墙壁，成为一座座清洁无污染的太阳能电站.然而几十年过去了，尽管其光电转化效率高达15%～20%，太阳能发电始终还没能跻身电业领域主导地位.这是因为在这种被称为“绿色电站”的身后，却隐藏着一系列高能耗、高污染、高成本的生产过程.
植物体内神奇的光合作用早就给人类实现更清洁的能源的梦想提供了极为有益的启示.1991年，《自然》杂志报道了瑞士科学家模拟植物光合作用，发明出世界上第一块染料敏化太阳能电池，其光电转换效率在全光照射下可达7%～8%，这种新型低成本光伏电池很快成为世界范围内的研究热点.
近年来，我国科研工作者也积极投身于染料敏化太阳能电池领域研究，如华东师范大学的科研人员利用纳米材料，在实验室中成功地“再造”了“叶绿体”，以极其低廉的成本实现了光能发电.这项研究并非在植物体外“拷贝”了一个叶绿体，而是以自然为灵感，研制出一种与叶绿体结构相似的染料敏化太阳能电池，并将光能转化成电能.在上海市纳米专项基金的支持下，华东师范大学的科研人员经过3年多实验与探索，在实验室条件下已能使仿生太阳能电池的光电转化效率超过10%，接近11%的世界最高水平.显示了可喜的前景.
新型太阳能电池是一种类似于“三明治”的结构——中空玻璃夹着层纳米“夹心”，光电转化的玄机就藏在这几十微米厚的复合薄膜中.纳米“夹心”的“配方”十分独特：染料充当“捕光手”，纳米二氧化钛则是“光电转换器”.为了让染料尽可能多地“吸收”太阳光，科研人员通过改变材料结构嵌入了一种由纳米荧光材料制成的量子点，让不同波长的阳光都能被“捕光手”吸收.科研人员就是通过不断改进“配方”，使纳米“夹心”的光电转化效率一次次提高.可见攻克染料敏化太阳能电池的关键是研究高效的纳米材料.
作为第三代太阳能电池，染料敏化电池的最大吸引力在于廉价的原材料和简单的制作工艺.据估算，染料敏化电池的成本仅相当于硅电池板的110.同时，它对光照条件要求不高，即便在阳光不太充足的室内，其光电转化率也不会受到太大影响.另外，它还有许多有趣的用途；比如，用塑料替代玻璃“夹板”，就能制成可弯曲的柔性电池；将它做成显示器，就可一边发电，一边发光，实现能源自给自足.染料敏化太阳能电池还属于实验室阶段成果，要大规模推广应用，还存在一些有待攻克的弱点，如解决此类电池效率随面积放大而降低的难题，进一步延长其使用寿命问题等.
当今人类在实现可持续发展中共同面临能源、环境、生态的问题，最核心问题是能源的问题.有了绿色能源就可以有效地改变环境，改善生态.我国虽然土地辽阔，但占23以上的土地是高山、沙漠、缺乏植被，生态条件很差.如果不久的将来，能大规模、廉价地生产新型仿生太阳能电池，那么就可以启动改造戈壁、沙漠的绿色工程，构建起生态系统，真正实现地球上人类的可持续发展战略.现代物理学发展，促成一次次科技革命，带动了现代人类文明的进步，必将使人类不断解决所面临的可持续发展问题.
本刊编辑部
