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(fā)文稱“科技世界正在因電池技術(shù)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(wěn)定的新能源電池而無法施展萬般抱負。西安建筑科技大學(xué)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(xiàn)實。

堅守初心

2013年，云斯寧教授與大連理工大學(xué)馬廷麗教授牽頭，由國內(nèi)眾多科研單位成就卓越的科學(xué)家參編，共同編著的《染料敏化太陽能電池——從理論基礎(chǔ)到技術(shù)應(yīng)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(yè)書籍，它的問世，讓世界看到了在新一代太陽能電池研究領(lǐng)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(chuàng)新性國際重要研究成果，也大大提升了西安建筑科技大學(xué)無機非金屬材料學(xué)科在國內(nèi)外的行業(yè)影響力，促進了功能材料新辦專業(yè)的學(xué)科發(fā)展、推動行業(yè)技術(shù)進步和產(chǎn)業(yè)化進程。

那么，何謂DSSC？他又是如何與之結(jié)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(fā)利用潛能，而DSSC就是新一代太陽能電池的一種?！八饕悄７鹿夂献饔迷硌兄频??！痹扑箤幭蛴浾呓榻B說，“植物進行光合作用的時候，是把太陽能轉(zhuǎn)化為電能，然后再轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，而DSSC是一個電氣化學(xué)系統(tǒng)。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(zhuǎn)化為電能進行發(fā)電?！?/p>

2003年，云斯寧在西安交通大學(xué)攻讀博士學(xué)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(jīng)無法滿足他的求勝心，“致用”開始成為這個科研新兵最為關(guān)注的命題。偶然的機會，他看到了美國能源署和中科院關(guān)于能源科學(xué)與技術(shù)未來發(fā)展展望的行業(yè)報告，開展科研的定位逐漸清晰了起來?！爱敃r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(guān)注新能源，經(jīng)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(huán)境污染兩個關(guān)鍵點上了。我們做科研必須要符合國家重大戰(zhàn)略需求才有意義，太陽能和生物質(zhì)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(zhì)能，開展低成本、高附加值資源化循環(huán)綜合利用的基礎(chǔ)研究和技術(shù)開發(fā)。

因為出色的表現(xiàn)，云斯寧博士畢業(yè)之后，其學(xué)位論文獲2007年西安交通大學(xué)優(yōu)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(xué)工作，隨后赴韓國延世大學(xué)研修，開始涉足DSSC?！霸陧n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?！彼f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(nèi)，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(zhì)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(huán)境污染日益嚴重。面對這種挑戰(zhàn)，我們力圖通過新能源材料的研究和開發(fā)，解決國家發(fā)展過程中的重大能源需求，并且立足于資源化循環(huán)綜合利用?！?/p>

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(dǎo)師，并成為了西安建筑科技大學(xué)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(shù)重點實驗室“新能源材料器件化應(yīng)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(lǐng)域的研究現(xiàn)狀、難點、熱點開展深度研究、聯(lián)合攻關(guān)。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(xié)助國家基金委評審青年、面上、重大項目共38項。

持續(xù)突破

和當初預(yù)料的一樣，在巨大的能源缺口面前，DSSC因其光電轉(zhuǎn)化效率高、成本低、環(huán)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(zhàn)友們”的堅守，也為我國在該領(lǐng)域國際競爭力的加強，原創(chuàng)性成果的爭奪提供了堅實的保障?！爸袊l(fā)表的研究論文，位居世界第二；知識產(chǎn)權(quán)數(shù)量也僅此于日本和韓國，領(lǐng)先于美國和其他發(fā)達國家。而國內(nèi)的產(chǎn)業(yè)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(yù)計今年我國能達到20兆瓦規(guī)模的水平?！痹扑箤幗淌趯ξ覈目蒲谐錆M信心。

藍海似乎近在咫尺，想要突破邊界，挑戰(zhàn)仍然不可小覷?！把芯緿SSC的目的最終在于應(yīng)用。而產(chǎn)業(yè)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(wěn)定性欠佳。其次，商業(yè)化應(yīng)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(chǎn)業(yè)化，還需進一步降低成本。”只有解決了效率、穩(wěn)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(jié)構(gòu)、新方法的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵核心技術(shù)，跟國際上的清潔能源技術(shù)競爭，才能從容應(yīng)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(diào)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?！弊?012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(xué)科研成果的發(fā)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(fā)表學(xué)術(shù)論文40余篇，擁有20余項專利技術(shù)，主編專著1部，參編中國、法國、印度等大學(xué)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(xué)會、西安建筑科技大學(xué)、《西安建大報》、精細化工國家重點實驗室等多家媒體和網(wǎng)站報道，相關(guān)理論、方法或結(jié)果已被國內(nèi)外同行采用或作為其研究的基礎(chǔ)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(lǐng)域權(quán)威刊物《先進材料》發(fā)表之后，更是引起了國際同行的關(guān)注。在他看來，無鉑催化材料有獨具優(yōu)勢的創(chuàng)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(huán)保，基本對環(huán)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(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，而溶液工藝與卷對卷大面積印刷生產(chǎn)是非常匹配的。此外，他們開發(fā)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(lǐng)域具有潛在的應(yīng)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(fā)展需求，我們就不能滿足于在國內(nèi)拿幾個項目，而應(yīng)該更關(guān)注國際上同行之間的競爭與合作?！彼粌H積極參加國內(nèi)外該領(lǐng)域的學(xué)術(shù)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(gòu)的科學(xué)家保持長期穩(wěn)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(fā)“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(guān)研究成果刷新了國際同行對中國在新能源材料研究領(lǐng)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(xué)家。在接受采訪時，他說：“由于多學(xué)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(guān)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(xué)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(yōu)秀團隊合作的基礎(chǔ)和信心?！?/p>

如他所言，新能源材料研究領(lǐng)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(chuàng)新”改變的產(chǎn)業(yè)格局，也是要用“堅持”寫就的破局之道。