我國自20世紀50年代中后期開始進行太陽能電池研發,直到21世紀太陽能電池才進入民用領域，且主要以金屬硅（工業硅）提純而來的各類晶硅電池為主。然而這種金屬硅提煉過程中產生的四氯化硅有強腐蝕性、急毒性，又難保存，因而污染最為嚴重。從金屬硅中提純出的多晶硅片處理又要耗費大量電能。針對這種高污染、高消耗的弊端，1991年，瑞士聯邦理工學院的科學家成功研發了介孔染料敏化太陽能電池，不僅將這一電池的發電效率由1%以下提升至7.1%，而且還采用了薄膜化技術，使其更加輕便、柔韌，并由此掀起了薄膜太陽能電池研究的熱潮，這一新型電池的研發態勢可以用“各有特色”來形容。

唐群委教授（中）在指導學生做實驗。（馮文波攝）

近年來，中國海洋大學材料科學與工程研究院唐群委教授帶領團隊開展新型太陽能研發，取得了可在雨天發電的太陽能電池的重要性階段成果，使科學界和產業界向“全天候太陽能”的設想邁進了一大步。

談及這一研究背景，唐群委教授說：“這要從長期困擾太陽能電池研究的學術難題談起。”

懸而未決之問引發科技突破

電解質、對電極一直是制約染料敏化太陽能電池發展的兩大技術“瓶頸”。前者易泄露、揮發，后者成本高、易溶解。2013年11月，第九屆中國太陽級硅及光伏發電研討會期間，云南師范大學可再生能源材料先進技術與制備教育部重點實驗室楊培志教授提到：“如果能開發一種在夜晚和陰雨天等其他天氣情況下也能發電的太陽能電池，那對光伏發電的推動作用將是非常大的。”唐群委大受啟發，順著楊教授的思路認真思考并研究在其他天氣情況下的太陽能發電問題。他說：“有的單位以有機染料見長，有的學者主要研究纖維太陽能電池，有的團隊以凝膠電解質研究著稱，而我們則側重于‘導電’凝膠電解質和合金對電極的研究。”

唐群委教授團隊首先采用自主研發的“導電”凝膠電解質組裝太陽能電池,使最高光電轉換效率達到了9.1%（普通凝膠電解質電池的轉換效率為6%，液體電解質電池的轉換效率為7%），開創了凝膠電解質研究的新模式。接著他們又采用自己發明的合金對電極組裝的太陽能電池，發電效率更是達到了12.75%，接近世界先進水平，進一步縮小了與發達國家的差距。此外，他們還開發了以鈷鎳合金為原料的低成本對電極材料，并獲得了8.3%的電池效率，在染料敏化太陽能電池規模產業化的道路上又前進了一步。

在太陽能電池基礎研究中，除了聚焦電解質、對電極這兩大制約染料敏化太陽能電池發展的“瓶頸”外，唐群委還向另一長期困擾太陽能電池科學界的難題發起沖擊。“太陽能電池在暗環境發電效率低，甚至不發電，一直是無法解決的難題。十多年來，國際上投入了大量的人力、物力、財力，研究也沒有明顯起色。”唐群委說，從事其他研究之余，他也始終在思考這個難題，但始終沒有想到破解之法。一次偶然機會讀到南京航空航天大學郭萬林教授關于鹽水在石墨烯材料上流動會產生電信號的研究報告，唐群委對雨滴滴落在石墨烯材料上是否也能產生電信號產生了質疑。他帶領科研團隊迫不及待地進行實驗，果不其然，雨滴滴落在石墨烯材料上也會形成陽離子/電子雙電層“贗電容”，雨滴在石墨烯表面的鋪展-收縮即為“贗電容”充、放電過程，進而產生電壓和電流。

實際應用中的“雨天”攻關

“如何把石墨烯和現在的太陽能電池結合，制造出既可在晴天運用太陽光發電，又可在下雨天利用雨水發電的新型太陽能電池是我們遇到的最大挑戰。”唐群委表示，實驗初期，他們把透明的石墨烯放置于太陽能電池的上層，白天有光照時，太陽光先穿過石墨烯，再照射到太陽能電池板上發電。下雨天，雨水直接滴落在最外層的石墨烯板上發電。“不同方法研制的石墨烯性能有差異，且石墨烯的透光率并非100%，以至于正常光照時電池效率比沒有石墨烯的電池效率有所降低，這在實際應用中并不經濟。”經過多個方案的比較研究，最終采用楊培志教授團隊研制的石墨烯，在太陽能電池上通過熱壓法組裝完成了相關實驗，但石墨烯薄膜與太陽能電池的合理耦合仍然是一個需要不斷探索和創新的課題。

在使用一定濃度的氯化鈉溶液模擬雨水的實驗中，此太陽能電池實現了大約100微伏/滴的電壓和0.5微安/滴的電流輸出以及6.53%的光電轉換效率。有學者在寫給唐群委的郵件中表示，這項工作的貢獻不在于產生了多少電能，而是提出了太陽能電池向“全天候”發展的新思路，打破了以往科學研究中過分關注如何高效利用和轉化太陽光的思維方式。

“全天候”是終極探索

唐群委帶領他的年輕團隊和云南師范大學楊培志教授團隊聯合在德國最新一期科技期刊《應用化學》上刊發了題為“一種既可在陽光下也可在雨水中發電的太陽能電池”的論文，立即引起了國際新聞界和學術界的關注，并被翻譯成英、法、德、拉丁、捷克等多種語言，甚至有媒體稱其為“光伏發電史上具有里程碑意義”的創新。

談及雨天發電的太陽能電池產業化之路，唐群委表示，從實驗室到工廠還有很長的路要走，但他對該項目的應用前景保持樂觀。“雨量充沛但太陽能資源不夠豐富的地區，酸雨多發地區，以及島礁供電和海上航行等領域都能派上用場”。著眼更長遠的未來，唐群委說：“雨天發電的太陽能電池不是最終目標，研發‘全天候太陽能電池’才是我們的終極理想，未來的太陽能電池有望在任何天氣情況（白天、夜晚、陰、雨、霧、霾等）下發電。”（通訊員馮文波）