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本作品針對(duì)當(dāng)前能源緊缺及環(huán)境污染的問(wèn)題，旨在開(kāi)發(fā)高效、價(jià)廉、綠色和環(huán)境友好的新型太陽(yáng)能電池，并充分利用太陽(yáng)光資源，為人類的社會(huì)活動(dòng)和生產(chǎn)活動(dòng)提供必要的動(dòng)力，也有利于保護(hù)自然環(huán)境。以自然界中的天然植物花卉為原料，提取其中的色素作為敏化劑，與納米晶TiO2電極薄膜一起組裝成新型太陽(yáng)能電池。

天然花色素太陽(yáng)能電池 摘要：以天然花卉為原料提取其中的色素，并作為敏化劑，與自制的TiO2納米晶電極薄膜一起，組裝成新型染料敏化太陽(yáng)能電池。進(jìn)一步深入探討以天然植物色素作為太陽(yáng)能電池敏化材料的光電性能、制備方案、光電轉(zhuǎn)化原理等諸多方面進(jìn)行詳細(xì)介紹，并對(duì)其應(yīng)用前景與實(shí)際可行性進(jìn)行一定的分析，為開(kāi)拓新型綠色能源提供了一種新思路。關(guān)鍵詞：天然植物色素 光電轉(zhuǎn)化 太陽(yáng)能 電池 1 引言 1.1用花發(fā)電創(chuàng)意足大千世界，無(wú)奇不有。在科學(xué)見(jiàn)證了水果發(fā)電、植物光合作用之后，植物在大自然中能量轉(zhuǎn)化的道路形式并非僅止步于前，大自然蘊(yùn)含著許多有待開(kāi)發(fā)的寶貴資源，每一棵小草，每一朵鮮花都具有無(wú)限的能量，它們不再只局限于觀賞價(jià)值和陶冶心性，不再只局限于盆栽中的那點(diǎn)美麗。當(dāng)高晶硅太陽(yáng)能電池已司空見(jiàn)慣的時(shí)候，原來(lái)那些看似嬌嫩的花兒也能像上述材料一樣制備出方便人們?nèi)粘Ｆ鹁拥奶?yáng)能電池。我們光電傳奇小組通過(guò)為期半年的努力，制備出了用花卉來(lái)發(fā)電的太陽(yáng)能電池，并且我們的電池不再重復(fù)那些一如既往的單調(diào)顏色，不再重復(fù)那些統(tǒng)一而沒(méi)有創(chuàng)新的款式，而是真真正正地做到了低碳生活、環(huán)境保護(hù)與能源和諧利用的完美結(jié)合，我們用自己的雙手完成了能源轉(zhuǎn)化和美學(xué)欣賞的全新組合。在提取了數(shù)十種花朵的色素進(jìn)行集中光電轉(zhuǎn)化性能的測(cè)試后，得到了令人可喜的結(jié)果，花中色素果然不負(fù)眾望，眾多花中的色素都獲得了很高的光電轉(zhuǎn)化性能比?；ɑ馨l(fā)電是一種色素增感太陽(yáng)能電池，國(guó)內(nèi)又稱染料敏化太陽(yáng)能電池。染料敏化太陽(yáng)能電池（Dye-sensitized Solar Cell，DSSC）是一種在半導(dǎo)體上吸附染料，利用染料與基材的作用提供電子通道。其發(fā)展歷史可以追溯到20世紀(jì)60年代。1968年，德國(guó)Tributsch等研究者發(fā)現(xiàn)了染料吸附在半導(dǎo)體上在一定條件能產(chǎn)生電流，并對(duì)ZnO半導(dǎo)體電極的染料敏化做了大量研究，將Ribonavin或edamine B加入電解液中后，發(fā)現(xiàn)光電流不是在ZnO的固有感光波長(zhǎng)范圍，而是在染料吸光波長(zhǎng)范圍中增加。增加染料濃度，光電流也增加。但是在1991年以前，大多數(shù)染料敏化電池的光電轉(zhuǎn)換效率都較低(<l%)。直到1991年，瑞士洛桑高等工業(yè)學(xué)院M.Gr?tzel教授和他的研究小組采用高比表面積的納米多孔TiO2膜作半導(dǎo)體電極，以過(guò)渡金屬Ru等有機(jī)金屬化合物作染料，并選用適當(dāng)?shù)难趸€原電解質(zhì)研制出一種納米晶染料敏化太陽(yáng)能電池，一舉突破了光電轉(zhuǎn)化效率7%。1998年，M.Gr?tzel等人進(jìn)一步研制出全固態(tài)M.Gr?tzel電池，使用固體有機(jī)空穴傳輸材料替代了液體電解質(zhì)，單色光光電轉(zhuǎn)換效率最大達(dá)到33%，從而引起了全世界的關(guān)注。2006年，日本桐蔭橫濱大學(xué)的宮坂教授開(kāi)發(fā)的基于低溫TiO2電極制備技術(shù)的全柔性DSC效率超過(guò)6% 。人們預(yù)計(jì)，在未來(lái)的幾年內(nèi)這種太陽(yáng)能電池將進(jìn)入實(shí)用階段。 1.2關(guān)注能源前景好 21世紀(jì)，能源問(wèn)題已經(jīng)不僅只在工業(yè)生產(chǎn)上，而是影響到人們衣食住行各個(gè)方面?？梢哉f(shuō)本世紀(jì)的關(guān)鍵是在能源利用的突破。曾經(jīng)人們一度將希望寄托于潮汐能、水能、風(fēng)能、核能質(zhì)能源上，然而經(jīng)過(guò)20世紀(jì)后幾十年的嘗試，這些能源的不足與開(kāi)采上的苦難日益凸顯。其中水能風(fēng)能存在嚴(yán)重的分布不均勻的問(wèn)題，同時(shí)包括了時(shí)間和空間的二維不均勻性。潮汐能的利用成本過(guò)高并且存在風(fēng)險(xiǎn)。生物質(zhì)能源雖然可以再生，但伴隨在利用過(guò)程中的二氧化碳排放問(wèn)題，這對(duì)于溫室效應(yīng)的減緩是極其不利的，并且生物能源的利用還存在生產(chǎn)周期長(zhǎng)的不利因素。而日前福島核電站的核泄漏事件再度引發(fā)了人們關(guān)于能源利用的重大反思。我國(guó)也因此調(diào)整了能源建設(shè)的方向。可以說(shuō)目前世界能源的形式是相當(dāng)嚴(yán)峻，迫在眉睫?？上驳氖翘?yáng)能的利用成為一支突起的異軍，在眾多的能源上嶄露頭角。太陽(yáng)能作為一種可再生能源，具有其它能源不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，取之不盡、用之不竭、安全、無(wú)污染、不受地理?xiàng)l件的限制等。太陽(yáng)每年向地球輻照的能量大約是3×1024J，是目前人類可利用能源總和的1萬(wàn)倍，即使地球上一小部分的太陽(yáng)能得到合理與有效的利用，許多能源問(wèn)題就都可以迎刃而解。因此，太陽(yáng)能的研究和應(yīng)用受到世界的廣泛重視。其中，太陽(yáng)能電池更是世界各國(guó)政府最重視的研究課題之一。太陽(yáng)能的利用主要有以下幾個(gè)方面，即：?jiǎn)尉Ч杼?yáng)能電池、薄膜電池和染料敏化太陽(yáng)能電池等。單晶硅的利用目前比較成熟，但存在成本較高的不足。鋰電池雖然電容量強(qiáng)，已大量用于手機(jī)、筆記本電腦等數(shù)碼產(chǎn)品中，但不時(shí)傳出的爆炸性事故則引發(fā)了人們對(duì)其安全性能的擔(dān)憂。相比上述二者，染料敏化太陽(yáng)能電池有著低成本，易操作，高安全性等優(yōu)勢(shì)，一直備受國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者與投資商的青睞。國(guó)外DSC電池的研究以瑞士、日本、德國(guó)、荷蘭、英國(guó)和瑞典技術(shù)較為領(lǐng)先，美國(guó)和澳大利亞也做了一些卓有成效的研究。目前，歐洲仍然占據(jù)著DSC電池原創(chuàng)性研究的主導(dǎo)地位。瑞士M.Gr?tzel研究小組保持著DSC電池的復(fù)色光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到12.3%的最高記錄。日本對(duì)DSC電池的研究主要側(cè)重于效率的提高、降低成本以及提高穩(wěn)定性方面。另外，柔性DSC電池的開(kāi)發(fā)是近年的一個(gè)研究熱點(diǎn)。它是將電極材料制作到可彎曲的高分子塑料導(dǎo)電基板上，得到的電池具有可彎曲，重量輕，隨身攜帶方便等特點(diǎn)。但是染料太陽(yáng)能電池獲得良好光電轉(zhuǎn)化性能的同時(shí)，也遇到了一個(gè)重大的問(wèn)題，那就是來(lái)自染料自身對(duì)于大自然的污染，當(dāng)今世界是一個(gè)極度重視能源利用、生態(tài)保護(hù)的社會(huì)，2009年12月7日－12月18日在丹麥?zhǔn)锥几绫竟匍_(kāi)的全球氣候峰會(huì)，更是將節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境的重要議題推上了全新高度。能否用大自然中花的色素代替染料作為太陽(yáng)能電池的敏化劑，這便是我們小組的電池設(shè)計(jì)理念。染料敏化太陽(yáng)能電池從誕生之日起，就以其較好的光電性能、低成本和環(huán)境友好等特點(diǎn)受到全世界科學(xué)家的青睞，被認(rèn)作為代替高性能但高成本的硅系太陽(yáng)能電池，走向大范圍、實(shí)用性推廣的最佳技術(shù)。因此，染料敏化太陽(yáng)能電池在追求高效率的同時(shí)，必定更加注重它的工藝簡(jiǎn)單化、低成本化以及環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。天然染料的應(yīng)用無(wú)疑是最好的解決方法之一。 2 DSC 電池的組成結(jié)構(gòu)與工作原理 2.1組成結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)的非晶膜液體太陽(yáng)能電池的工作電極主要由半導(dǎo)體材料組成，工作電極同時(shí)要具有吸收光能和傳導(dǎo)光生載流子兩個(gè)功能，因而不可避免地存在工作電極易被光腐蝕或損失大量可見(jiàn)光的弱點(diǎn)，所以能量轉(zhuǎn)換效率很低，而在傳統(tǒng)敏化太陽(yáng)能電池中，普遍采用的都是致密的半代替薄膜，只能在膜表面上吸附單層染料，而單層染料吸收的太陽(yáng)光很有限，多層染料又阻礙了電子的運(yùn)輸，因而光電轉(zhuǎn)換效率也很低，與它們不同的是，DSC 電池以納米晶半導(dǎo)體多孔膜為光電極，其表面的粗糙度使得整個(gè)半導(dǎo)體膜成海綿狀，具有很大的表面積，能夠吸附更多染料單分子層，這樣既克服了原來(lái)太陽(yáng)能電池中只能吸附單分子層而吸收少量太陽(yáng)光的缺點(diǎn)，又增強(qiáng)了染料對(duì)于太陽(yáng)光的吸收，從而產(chǎn)生更大的光電流。DSC電池主要由透明導(dǎo)電基片(即鍍有透明導(dǎo)電膜的導(dǎo)電玻璃) 納米結(jié)構(gòu)半、導(dǎo)體多孔膜敏化劑、電解質(zhì)溶液和透明對(duì)電極幾部分組成，以納米TiO2太陽(yáng)能電池為例，圖1為其結(jié)構(gòu)示意圖： 2.2工作原理如圖 1 所示，電極由TiO2微粒組成，可見(jiàn)光不能將它激發(fā)，受激發(fā)的只是TiO2表面的一層染料敏化劑，染料分子吸收太陽(yáng)光能后躍遷到激發(fā)態(tài)，但激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，電子快速注入到緊鄰的TiO2 導(dǎo)帶，染料中失去的電子則很快從電解質(zhì)中得到補(bǔ)償，進(jìn)入TiO2 導(dǎo)帶中的電子最終進(jìn)入導(dǎo)電膜，然后通過(guò)外回路產(chǎn)生光電流，工作原理如圖2所示，在選擇光敏劑及電解質(zhì)時(shí)，光敏劑的基態(tài)、激發(fā)態(tài)的位置及電解質(zhì)的氧化還原電位非常重要，只有配置合理，整個(gè)過(guò)程才能正常運(yùn)行。 染料敏化劑的應(yīng)具備的條件染料敏化劑是 DSC電池的關(guān)鍵部分，它的性能優(yōu)劣將直接影響DSC 電池的光電轉(zhuǎn)換效率，因此， DSC電池對(duì)染料的要求非常嚴(yán)格，一種理想的敏化劑應(yīng)該滿足以下條件： (1) 能緊密吸附在納米半導(dǎo)體表面，即能快速達(dá)到吸附平衡，且不易脫落在染料分子母體中，一般應(yīng)含有易與納米半導(dǎo)體表面結(jié)合的基團(tuán)，如-COOH 、-SO3H等。研究表明(以羧酸聯(lián)吡啶釕染料為例)，染料上的羧基與TiO2 膜上的羥基結(jié)合生成了酯，從而增強(qiáng)了TiO2導(dǎo)帶 3d 軌道和染料軌道電子的耦合，使電子轉(zhuǎn)移更為容易； (2) 對(duì)可見(jiàn)光具有很好的吸收特性：即能吸收大部分或者全部的入射光，另外其吸收光譜又能與太陽(yáng)能光譜很好的匹配； (3) 其氧化態(tài)和激發(fā)態(tài)要有較高的穩(wěn)定性和活性； (4) 激發(fā)態(tài)壽命足夠長(zhǎng)，且具有很高的電荷傳輸效率； (5) 具有足夠負(fù)的激發(fā)態(tài)氧化還原電勢(shì)，以保證染料激發(fā)態(tài)電子注入TiO2導(dǎo)帶； (6) 在氧化還原過(guò)程(包括基態(tài)和激發(fā)態(tài))中要有相對(duì)低的勢(shì)壘，以便在初級(jí)和次級(jí)電子轉(zhuǎn)移過(guò)程中的自由能損失最小。染料敏化半導(dǎo)體一般涉及3 個(gè)基本過(guò)程： (1) 染料吸附到半導(dǎo)體表面； (2) 吸附態(tài)染料分子吸收光子被激發(fā)； (3) 激發(fā)態(tài)染料分子將電子注入到半導(dǎo)體的導(dǎo)帶上。因此，要獲得有效的敏化必須滿足兩個(gè)條件：即染料容易吸附在半導(dǎo)體表面上及染料激發(fā)態(tài)與半導(dǎo)體的導(dǎo)帶電位相匹配。 3 TiO2太能能敏化染料電池的制備 3.1色素的提取將新鮮的花朵于真空干燥箱在60℃下干燥十二小時(shí)，得到幾乎無(wú)水的花瓣，以1:3（g/mL）固液比用丙酮溶劑在超聲振蕩一小時(shí)的條件萃取不同種花中的色素。在萃取過(guò)程中，容器表面用錫紙包裹，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程需嚴(yán)格避光。 3.2染料敏化太能能電池的制備與相關(guān)性能的表征染料敏化太陽(yáng)能電池的組裝：將二氧化鈦納米晶（ST-01，Japan）和粘結(jié)劑制得漿料，用絲網(wǎng)印刷將其印在導(dǎo)電玻璃上并于525℃德高溫下焙燒2小時(shí)，并用TiCl4處理，厚度約為20-25微米，然后將其浸漬在不同花的色素的丙酮溶液中7d，電極薄膜的顏色由白色變?yōu)椴煌念伾ㄈ缂t色、黃色和綠色等）；再把它與對(duì)電極和注入的液態(tài)電解質(zhì)溶液組裝在一起，形成三明治結(jié)構(gòu)的染料敏化太陽(yáng)能電池，然后測(cè)其光電性能。而在為期半年的研究過(guò)程中，通過(guò)對(duì)于三色堇、桔梗、一串紅、一品紅等三十余種不同科屬花瓣中（如圖3所示）色素的萃取，并將其制備成電池，測(cè)量其光電轉(zhuǎn)化效能，得到了如圖4的數(shù)據(jù)圖：【取其中光電轉(zhuǎn)化效能較為理想的八組植物】 從上圖中可以看出，三色堇無(wú)論從電壓還是電流效率都為上述七種植物中性能最優(yōu)者，因此本實(shí)驗(yàn)小組最終確定以三色堇中的色素作為替代染料，制備太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)化電池。 4 產(chǎn)品應(yīng)用前景與推廣分析在該項(xiàng)產(chǎn)品的推廣利用層面，我們結(jié)合當(dāng)前社會(huì)能源利用形式，對(duì)該作品做了合理的展望。 4.1生活領(lǐng)域 4.1.1可以代替普通干電池，鉛蓄電池眾所周知，普通干電池是一種一次性電池，如圖5a所示。電池連續(xù)工作或是使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng),會(huì)因電池內(nèi)阻增大而失去作用，而且采用鋅和二氧化錳制造干電池，造成每年全球用于干電池回收、廢液處理等衍生危害方面的金額投入逐年攀升。而鉛蓄電池(如圖5b所示)則由于含有濃硫酸與Pb（Ⅱ）離子等由于對(duì)環(huán)境造成巨大的污染限制了其發(fā)展。天然植物色素光電轉(zhuǎn)化電池（如圖5c所示）除了具備原材料來(lái)源廣泛 的優(yōu)勢(shì)之外還具備可循環(huán)利用的優(yōu)點(diǎn)，由于日常太陽(yáng)能光所能輻射到的范圍廣泛，只要接觸到足夠的太陽(yáng)光即可保證電池的循環(huán)利用. 4.1.2服裝設(shè)計(jì)的結(jié)合應(yīng)用國(guó)際頂級(jí)時(shí)裝設(shè)計(jì)廠商每年的新款時(shí)裝為響應(yīng)節(jié)能低碳的號(hào)召，都在致力于推出以天然植物作為設(shè)計(jì)理念的方案，將傳統(tǒng)時(shí)裝中的亮片（如圖6所示）部分用我們?cè)O(shè)計(jì)的天然植物色素太陽(yáng)能電池代替，既可以滿足人們對(duì)于時(shí)裝炫目耀眼的需求，又可以在日常起居中深刻地貫徹和實(shí)現(xiàn)能源的充分利用，一舉兩得。 4.1.3傘制造設(shè)計(jì)領(lǐng)域的革新提及傘，在完成遮陽(yáng)避雨的基本功用后，人們對(duì)其賦予的含義已經(jīng)在逐漸深化，傘成為了時(shí)裝界的寵兒，成為了個(gè)性之人彰顯自身獨(dú)創(chuàng)性的一種有力手段。將我們的太陽(yáng)能電池以局部覆蓋的方式固定于其上，以別出心裁的造型促進(jìn)環(huán)保與實(shí)用的有效統(tǒng)一。 4.2 建筑領(lǐng)域 4.2.1 光伏建筑一體化. 染料薄膜電池還可以運(yùn)用到玻璃幕墻，屋頂，室外墻體上。眾所周知在日常生活中我們對(duì)對(duì)光能的利用率非常低。例如，變色玻璃的造價(jià)昂貴，其變色原理一般也以無(wú)機(jī)銅離子等的氧化還原反應(yīng)為主，只是單純的吸收光能而沒(méi)有加以利用，如若在窗戶玻璃表面加上一層太陽(yáng)能敏化染料電池的薄膜材料，將其所吸收的光能貯藏轉(zhuǎn)化為電能，并連通家居照明裝置即可在夜間供給日常照明之用，另外由于植物色素的顏色豐富，在滿足日常使用的同時(shí)又兼具良好的裝飾性能。我們知道，城市用地的稀缺性，使建立地面太陽(yáng)能發(fā)電站幾乎成為不可能，而將太陽(yáng)能敏化染料電池的薄膜材料應(yīng)用于城市中大量既有和待開(kāi)發(fā)的建筑外立面、屋頂、窗戶等，既可以避免現(xiàn)有玻璃幕墻的光污染問(wèn)題，代替建材，同時(shí)發(fā)電又節(jié)能，而且還可以給建筑套上美麗的外衣美化城市. 4.2.2 農(nóng)業(yè)大棚的結(jié)合應(yīng)用燃料敏化太陽(yáng)能農(nóng)業(yè)大棚電站就是將透明染料太陽(yáng)能電池和農(nóng)業(yè)大棚結(jié)合起來(lái)，如圖8所示，簡(jiǎn)而言之，就是利用大棚屋頂發(fā)電，同時(shí)棚內(nèi)種植農(nóng)作物。薄膜式太陽(yáng)能農(nóng)業(yè)大棚不僅不會(huì)影響農(nóng)作物的生長(zhǎng)，而且有保溫作用，在一定程度上還能加快農(nóng)作物生長(zhǎng)。在涂膜過(guò)程中我們可以選用與植物吸收波段互補(bǔ)的植物色素。減少了其他薄膜電池對(duì)光吸收波段的限制而影響了植物的生長(zhǎng)。 4.3 交通領(lǐng)域太陽(yáng)能電池的在交通領(lǐng)域的利用主要集中在交通道路基礎(chǔ)設(shè)施及汽車配件的改良。其中道路交通基礎(chǔ)設(shè)施方面可以利用我們的電池制造路燈（如圖9）、指示燈等一系列產(chǎn)品。汽車目前均是以石油產(chǎn)品為燃料，然而，石油的儲(chǔ)備形勢(shì)嚴(yán)峻，并且污染嚴(yán)重，性質(zhì)不穩(wěn)定，而天然色素電池作為新型能源可以大大改善上述問(wèn)題（如圖10），是未來(lái)發(fā)展的方向。 4.4 航天航空領(lǐng)域 如果我們?cè)O(shè)計(jì)的太陽(yáng)能電池能夠得到更大的推廣和研究，我們可以將其應(yīng)用于衛(wèi)星太陽(yáng)能接收面板上的材料，以其作為吸收太陽(yáng)能的載體，為航天器械的正常的電力供給提供一條極為有力的措施。關(guān)于航空航天等領(lǐng)域有重大發(fā)展前景。 總之，以天然植物色素為對(duì)象研究的太陽(yáng)能染料敏化電池具備非常優(yōu)異的應(yīng)用前景，若將其商品化，必將得到全社會(huì)的廣泛使用的環(huán)保人士的親睞，在全民標(biāo)榜低碳經(jīng)濟(jì)的時(shí)代，對(duì)于能源利用率的要求也在逐年升高，新型電池的研發(fā)與開(kāi)拓將極為有利地方便人們的日常生活。 參考文獻(xiàn) [1] B. 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第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品 三等獎(jiǎng)
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