专家信息:
韩礼元,男,1956年5月生,上海交通大学材料科学与工程学院教授,博士生导师,国家“**计划”特聘专家。
教育及工作经历:
1982年,毕业于华东纺织工学院(现东华大学)染色专业。
1988年,毕业于日本大阪府立大学应用化学专业,博士学位。
1990-1993,在日本Dainippon Ink & Chemicals Inc工作。
1993年,进入日本夏普研究所工作15年。
学术兼职:
资料更新中……
主讲课程:
资料更新中……
培养研究生情况:
资料更新中……
研究方向:
染料敏化太阳能电池, 有机薄膜太阳能电池和量子点太阳能电池。
承担科研项目情况:
资料更新中……
科研成果:
1.在提高太阳能电池的转换效率和模块技术创新上有很高的造诣。深入、系统地研究了染料敏化太阳能电池的电子传运机理,率先提出了电池的等效回路模型,为系统地提高转换效率和长期稳定性做出了贡献。
2. 所领导的团队,在等效回路模型的基础上,成功地提高了电池的光电流和降低了电池的内电阻,创造了单片电池最高光电转换效率的世界纪录。该成果于2006年在日本物理学会杂志(Japanese Journal of Applied Physics Express Letter)上刊登,4年来被引用了500次以上。基于卓越的研究成果,在2008年被聘请到日本物材研究机构,担任下一代太阳能电池中心主任,负责5个研究方向(染料敏化,有机薄膜,量子点,薄膜硅,化合物太阳能电池),领导40名研究者。
3. 2011年6月, 所领导的团队再次创造染料敏化太阳能电池单片电池公认最高光电转换效率的世界纪录11.4%。此外,还对在氧化钛上的染料吸附状态、从染料到氧化钛的电子转移等基础研究,以及在新染料的开发上做出了很多贡献。同时在有机薄膜太阳能电池、有机半导体材料上也有着深厚的造诣。
4. 至今,在国际期刊上发表了近120篇学术论文,同时申请了90多项日本专利和40多项国际专利(美国、欧洲、中国、澳大利亚),在染料敏化太阳能电池领域,按发明者计算的专利申请件数也被列为世界第一(根据2005年度日本专利局调查)。
发明专利:
申请了90多项日本专利和40多项国际专利(美国、欧洲、中国、澳大利亚)。
1. 类石墨烯结构二氧化钛的无氟制备方法 201510050502 毕恩兵;何金金;陈汉;杨旭东;韩礼元
2. 高氮掺杂石墨烯与超薄MoSe2纳米片的复合材料及其制备方法 201410391036 毕恩兵;陈汉;韩礼元
3. 高氮掺杂石墨烯与类富勒烯硒化钼空心球纳米复合材料及其制备方法 201410391018 毕恩兵;陈汉;韩礼元
4. 类石墨烯结构铜铟硫纳米片阵列薄膜的制备方法 201410098261 毕恩兵;陈汉;韩礼元
5. 制备硫化亚锡纳米片阵列薄膜的方法 201410098257 毕恩兵;陈汉;韩礼元
6. 制备石墨烯-铜锌锡硫纳米晶复合材料的方法 201310723967 陈汉;韩礼元;毕恩兵
7. 用于染料敏化太阳能电池的纳米复合对电极及其制备方法 201310656095 陈汉;韩礼元;毕恩兵
8. 染料敏化太阳能电池光阳极及其制备方法和应用 201310089595 张京;陈振华;彭文琴;韩礼元;诸跃进
9. 吡啶类金属络合物、包含该金属络合物的光电极和包含该光电极的染料敏化太阳能电池 200980114299 沈秀良;阿什拉富尔.伊斯兰;古宫良一;韩礼元
10.染料敏化型太阳能电池用糊剂、染料敏化型太阳能电池用透明性绝缘膜、染料敏化型太阳能电池、以及染料敏化型太阳能电池的制造方法 200980111872 韩礼元;山中良亮;福家信洋;福井笃;高野真悟;藤桥岳
11. 包括多孔半导体层的光电池、其生产方法和太阳能电池 03101808 山中良亮;小出直城;韩礼元;千叶恭男;今井寿子;见立武仁
12. 色素增敏型太阳电池 02808434 古宫良一;韩礼元;山中良亮;石古惠理子;河野通之
13. 色素敏感型太阳能电池 03821894 古宫良一;山中良亮;韩礼元;见立武仁;石古惠理子;河野通之
14. 光电极、染料增感太阳能电池及染料增感太阳能电池模块 200580026542 福井笃;山中良亮;韩礼元
15. 光电转换元件及使用该光电转换元件的太阳能电池 200680046410 千叶恭男;韩礼元;小出直城;城户政美
论文专著:
在国际著名期刊Advanced Materials,Journal of the American Chemical Society,Energy & Environmental Science,Advanced Energy Materials,Advanced Functional Materials等上发表论文百余篇。
代表性英文论文:
1. “Bulk-heterojunction organic photovoltaic cells fabricated using a high viscosity solution of poly (3-hexylthiophene) with extreme” Polym. J. 45[2] (2013) 129-132
2. “Structure of electron collection electrode in dye-sensitized nanocrystalline TiO2” Electrochim. Acta 87 (2013) 309-316 “Improving the Spectral Response of Black Dye by Cosensitization with a Simple Indoline Based Dye in Dye-Sensitized Solar Cell” J. Mater. Chem. 2013 (2013) 910527-1
3. “Functional 2-benzyl-12-dihydro[60]fullerenes as acceptors for organic photovoltaics: facile synthesis and high photovoltaic per” Tetrahedron 69[4] (2013) 1302-1306
4. “Multiwall Carbon Nanotube Coated with Conducting Polyaniline Nanocomposites for Quasi-Solid-State Dye-Sensitized Solar Cells” JOURNAL OF CHEMISTRY 2013 (2013) 962387-1
5. “Improved power conversion efficiency of bulk-heterojunction organic solar cells using a benzothiadiazole-triphenylamine polymer” J. Mater. Chem. 22[6] (2012) 2539-2544
6. “Synthesis Characterizarion and Self-assembly of Colloidal Quantum Dots” Intelligent Nanomaterials (2012) 3-38
7. “Surface Treatment for Effective Dye Adsorption on Nanocrystalline TiO2” Jpn. J. Appl. Phys 51[10] (2012) 10NE16-1
8. “Fast Carrier Formation from Acceptor Exciton in Low-Gap Organic Photovotalic” Appl. Phys. Express 5[4] (2012) 042302-1
9. “Carrier Formation Dynamics of Organic Photovoltaics as Investigated by Time-Resolved Spectroscopy” ADVANCES IN OPTICAL TECHNOLOGIES 2012 (2012) 316045-1
10. “Use of benzothiadiazole–triphenylamine amorphous polymer for reproducible performance of polymer–fullerene bulk-heterojunction solar cells” Org. Electron. 13 (2012) 1802-1808
11. “Template method for fabricating interdigitate p-n heterojunction for organic solar cell” Nanoscale Res. Lett. 7 (2012) 469-1
12. “Aggregation-free branch-type organic dye with a twisted molecular architecture for dye-sensitized solar cells” ENERGY & ENVIRONMENTAL SCIENCE 5[9] (2012) 8548-8552
13. “ A New Factor Affecting the Performance of Dye-Sensitized Solar Cells in the Presence of 4- tert -Butylpyridine ” APPLIED PHYSICS EXPRESS 5 (2012) 042303-1
14. “Effect of Cerium Doping in the TiO2 Photoanode on the Electron Transport of Dye-Sensitized Solar Cells” J. Phys. Chem. C 116 (2012) 19182-19190
15. “Tuning the Electrical and Optical Properties of Diketopyrrolopyrrole Complexes for Panchromatic Dye-Sensitized Solar Cells” Chem.-Asian J. 7[12] (2012) 2895-2903
16. “Evaluation of carrier transport and recombinations in cadmium selenide quantum-dot-sensitized solar cells” Sol. Energy Mater. Sol. Cells 101[6] (2012) 5-10
17. “High-Efficiency Dye-Sensitized Solar Cell with a Novel Co-Adsorbent” ENERGY & ENVIRONMENTAL SCIENCE 3 (2012) 6057-6060
18. “Cascade cyclization of aryldiynes using iodine: synthesis of iodo-substituted benzo[b]naphtho[2 1-d]thiophene derivatives for dye-sensitized solar cells” Tetrahedron Lett 53 (2012) 1946-1950
19. “Donor–acceptor dyes incorporating a stable dibenzosilole π-conjugated spacer for dye-sensitized solar cells” J. Mater. Chem. 22 (2012) 10771-10778
20. “Metal-Free and Fluorescent Diketopyrrolopyrrole Fluorophores for Dye-Sensitized Solar Cells” CHEM PLUS CHEM 77[6] (2012) 462-469
21. “Efficient thiocyanate-free sensitizer: a viable alternative to N719 dye for dye-sensitized solar cells” Dalton Trans 41 (2012) 7604-7608
22. “Highly efficient nanoporous graphitic carbon with tunable textural properties for dye-sensitized solar cells” J. Mater. Chem. 22 (2012) 20866-20869
23. “One bipyridine and triple advantages: tailoring ancillary ligands in ruthenium complexes for efficient sensitization in dye solar cells” J. Mater. Chem. 22 (2012) 18757-18760
24. “Functionalized styryl bipyridine as a superior chelate for a ruthenium sensitizer in dye sensitized solar cells” Dalton Trans 41 (2012) 8770-8772
25. “Structure–property relationship of naphthalene based donor–π–acceptor organic dyes for dye-sensitized solar cells: remarkable improvement of open-circuit photovoltage” J. Mater. Chem. 22 (2012) 22550-22557
26. “A novel carbazole-based dye outperformed the benchmark dye N719 for high efficiency dye-sensitized solar cells (DSSCs)” J. Mater. Chem. 22 (2012) 24048-24056
27. “Directly Determine an Additive-Induced Shift in Quasi-Fermi Level of TiO$_{2}$ Films in Dye-Sensitized Solar Cells” Jpn. J. Appl. Phys 51[10NE15] (2012) 10NE15-1
28. “Ellipsoidal TiO2 Hierarchitectures with Enhanced Photovoltaic Performance” Chem.-Eur. J. 18[17] (2012) 5269-5274
29. “Reliable evaluation of dye-sensitized solar cells” ENERGY & ENVIRONMENTAL SCIENCE 6[1] (2012) 54-66
代表性中文论文:
1 高效率钙钛矿太阳电池发展中的关键问题 杨旭东; 陈汉; 毕恩兵; 韩礼元 物理学报 2015-02-08
2 染料敏化太阳能电池敏化剂材料研究进展 陈汉; 毕恩兵; 韩礼元 中国材料进展 2013-07-15
上海交通大学“**计划”韩礼元教授应邀来材料学院作学术报告
9月23日下午,“**计划”国家特聘专家、上海交通大学材料科学与工程学院韩礼元教授应邀为材料学院教师作题为“Highly Efficient Perovskite Solar Cells(高效钙钛矿太阳能电池)”的学术报告。报告在材料学院A501室举行,学院所有从事教学、科研的领导、教师聆听了报告。
报告开始,强颖怀院长对韩教授的到来表示了诚挚的感谢和欢迎,并对韩教授的科研方向和成果进行了详细介绍。
随后,韩教授正式开始报告。他首先介绍了当下几种主流太阳能电池,提出高效太阳能电池需要具备的特性。然后,韩教授讲到具有钙钛矿结构的有机-无机杂化铅卤化合物的优异光电特性及其用于太阳能电池的发展历程。通过材料形貌结构调控及器件优化,在短短数年的时间内,钙钛矿太阳能电池的光电转化效率由3%左右提升至20%,这是太阳能电池发展史上绝无仅有的事件。接着,韩教授向在场的师生详细介绍了其领导团队的科研工作,包括在空穴阻挡层、钙钛矿膜沉积、无掺杂空穴传输材料、纯相甲基铵-甲脒(MA-FA)杂化钙钛矿以及反式结构钙钛矿电池等方面的创新性工作。最后,韩教授指出钙钛矿太阳电池在可重现性、稳定性以及性能评估等方面还面临着很多问题,并提出该电池的发展前景。
报告结束后,材料学院的教师分别就自己的研究项目及问题与韩教授进行了交流。强颖怀院长还邀请韩教授对学院的实验室进行了参观。
报告现场
韩礼元教授简介
韩教授生于1956年5月,1988年毕业于日本大阪府立大学,获博士学位。现为上海交通大学材料科学与工程学院教授,博士生导师。2011年入选国家**计划。
韩教授主要从事太阳能电池的研究开发。在染料敏化太阳能电池领域,深入、系统地研究了电子传运机理,率先提出了电池的等效回路模型,为系统地提高转换效率和长期稳定性做出了很大贡献。2008年被聘请到日本物材研究机构,担任下一代太阳能电池中心主任,负责5个研究方向(染料敏化,有机薄膜,量子点,薄膜硅,化合物太阳能电池),领导40多名研究者。2011年6月,领导的团队创造了染料敏化太阳能电池单片电池公认最高光电转换效率11.4%的世界纪录。现阶段,韩教授的主要研究方向集中在钙钛矿太阳能电池上,并创下了25px2钙钛矿太阳能电池的光电转换效率15%的记录。
韩教授在国际著名期刊Advanced Materials,Journal of the American Chemical Society,Energy & Environmental Science,Advanced Energy Materials,Advanced Functional Materials等上发表论文百余篇,同时申请了90多项日本专利和40多项国际专利(美国、欧洲、中国、澳大利亚)。在染料敏化太阳能电池领域,按发明者计算的专利申请件数也被列为世界第一。
来源:中国矿业大学材料科学与工程学院 2015-09-28
“**计划”国家特聘专家韩礼元教授到我校作学术讲座
3月17日上午,“**计划”国家特聘专家,上海交通大学材料科学与工程学院教授韩礼元受邀与化学与环境工程学院教师进行学术交流。下午,韩礼元教授在图书馆报告厅为化环学院师生做了一场主题为“新一代太阳能电池:从染料敏化型到钙钛矿型”的学术讲座,介绍了太阳能电池在国内外的最新进展和未来的发展动向。
韩礼元教授曾在日本夏普公司从事染料敏化太阳能电池的研究工作,自2006年开始一直保持该领域世界最高光电转换效率记录,并于2011年6月,其领导的团队再次创造染料敏化太阳能电池单片电池公认最高光电转换效率11.4%的世界纪录。韩礼元教授自2008年6月开始,任职于日本国立物质材料研究所,并担任光伏材料研究中心主任,其后在上海交通大学材料科学与工程学院及金属基复合材料国家重点实验室任职教授。截至目前,韩礼元教授已在国际期刊上发表了近80篇学术论文,申请了90多项日本专利和40多项国际专利(美国、欧洲、中国、澳大利亚),在提高太阳能电池的转换效率和模块技术创新上有很高的造诣。
来源:东莞理工学院化学与环境工程学院 2015-03-25
“**计划”韩礼元教授访问我校
10月14日,应我校化学与分子工程学院院长田禾院士的邀请,“**计划”国家特聘专家、上海交通大学大学韩礼元教授来我校进行学术访问。
韩礼元教授首先参观了我校“结构可控先进功能材料及其制备”教育部重点实验室,田禾院士对实验室的建设及发展情况作了详细介绍。参观结束后,韩礼元教授做客我校第101期名师讲坛,为广大师生作了题为“通过界面排列的高性能染料敏化太阳能电池”的学术报告。田禾院士主持学术报告会,朱为宏、花建丽、王巧纯、程毅等教授参加了学术报告会。
田禾院士介绍重点实验室
韩礼元教授学术报告
韩礼元在报告中指出:染料敏化太阳能电池因其具有制作工艺简单、成本低、稳定性好、理论效率高、制作和使用过程环境友好等特点,而成为新型太阳能电池研究的一个热点。它主要由二氧化钛光阳极、染料、电解质以及对电极构成,作为光伏转换器件,提高效率非常关键。报告还探讨了提高染料敏化太阳能电池转换效率的方法。报告后,韩礼元教授与重点实验室师生展开了讨论与交流。
相关链接:
韩礼元,1956年生,上海交通大学材料科学与工程学院教授,博士生导师,“**计划”国家特聘专家。1988年毕业于日本大阪府立大学应用化学专业。1990 – 1993工作于日本Dainippon Ink & Chemicals Inc。之后在夏普公司研究所工作15年,主要负责染料敏化太阳能电池的研究开发。在提高太阳能电池的转换效率和模块技术创新上有很高的造诣。深入、系统地研究了染料敏化太阳能电池的电子传运机理,率先提出了电池的等效回路模型,为系统地提高转换效率和长期稳定性做出了贡献。其科研团队成功地提高了电池的光电流和降低了电池的内电阻,创造了单片电池最高光电转换效率的世界纪录。该成果于2006年在日本物理学会杂志(Japanese Journal of Applied Physics Express Letter)上刊登。基于韩礼元教授卓越的研究成果,2008年韩礼元教授被聘请到日本物材研究机构,担任下一代太阳能电池中心主任,负责5个研究方向(染料敏化,有机薄膜,量子点,薄膜硅,化合物太阳能电池),领导40名研究者。2011年6月, 科研团队再次创造染料敏化太阳能电池单片电池公认最高光电转换效率的世界纪录11.4%。此外,韩礼元教授还对在氧化钛上的染料吸附状态、从染料到氧化钛的电子转移等基础研究,以及在新染料的开发上做出了很多贡献。同时在有机薄膜太阳能电池、有机半导体材料上也有着深厚的造诣。基于这些研究,韩礼元教授在国际期刊上发表了近80篇学术论文,同时本人申请了90多项日本专利和40多项国际专利(美国、欧洲、中国、澳大利亚),在染料敏化太阳能电池领域,按发明者计算的专利申请件数也被列为世界第一(根据2005年度日本专利局调查)。
来源:华东理工大学 2013-10-16
荣誉奖励:
1. 2011年,入选国家“**计划”。
上海交大"**计划"特聘专家韩礼元教授
在大面积高效率钙钛矿太阳能电池研究上获重要进展
近日,《Science》期刊(影响因子33.6)在线发表了韩礼元教授带领其研究团队及合作者在钙钛矿太阳能电池研究领域取得的重大突破(Science, 2015, DOI: 10.1126/science.aad1015)。这一研究也为该型太阳能电池的产业化未来提供了关键科学技术,这一突破性成果一经发表即受到学术和产业界的广泛关注。
韩礼元教授。图片来源:ecust.edu.cn
该研究发现并制备出了适合于钙钛矿太阳能电池的稳定、高导电性的重掺杂型电荷传输层材料,并探索出了其最优化制备条件,实现了高效率的光生电荷的抽取和分离,同时在大面积范围内成功抑制了薄膜缺陷,消除了钙钛矿太阳能电池常见的迟滞效应。该研究在将电池工作面积提高约10倍的条件下,依然获得能量转化效率为15%的稳定输出,这也使钙钛矿太阳能电池性能指标首次可以与其他类型太阳能电池在同一标准下进行比较。该结果得到国际权威机构AIST的认证,并被收录于2015年第46期《Solar cell efficiency tables》,填补了国际上长期以来该领域的研究空白。
自2009年以来,有机-无机杂化钙钛矿新型太阳能电池吸引了人们广泛关注,在众多类型太阳能电池中异军突起,在2013年曾被《Science》期刊评为10大科学突破之一。随着相关研究的进一步发展和成熟,钙钛矿太阳电池有望获得25%以上的能量转化效率,由于同时具有低成本制备的特点,所以在清洁能源开发以替代日益枯竭的化石能源方面有着广泛的应用前景。然而,虽然电池效率快速攀升,但是在薄膜制备、界面缺陷控制等方面上仍存在相当的困难和复杂性,之前高效率结果大都是在小面积电池器件上获得的,器件迟滞效应明显且稳定性不足,这些结果都限制了其进一步大规模工业化生产。因此,如何实现大面积高效率高稳定性电池,成为当前国际钙钛矿太阳能电池研究领域的前沿焦点问题。
在太阳能电池中,高效率的光生电荷分离和传输对电池整体性能的提高至关重要。该研究通过对无机电荷传输层实现重掺杂,在调控能带结构以有利于电荷载流子分离的同时,显著提高了电子和空穴传输效率,并且成功抑制厚度仅为10-20nm的电荷传输层中的电荷复合。重掺杂无机电荷传输层具有较好的化学稳定性,可以保护钙钛矿层从而提高了整体器件的稳定性,保证了电池器件顺利通过国际权威机构在严格测试条件下进行认证过程中的考验。
图片来源:Science, 2015, DOI: 10.1126/science.aad1015
韩礼元教授是上海交通大学材料科学与工程学院“**计划”特聘专家,领导着一支研发新型太阳能电池的研究团队,同时他还领导着日本物质材料研究机构(NIMS)光伏材料中心的研究团队。
韩礼元教授在实验室指导工作。图片来源:上海交通大学
在韩礼元教授的统一领导下,日方和上海交通大学材料科学与工程学院研究团队以及其他合作者携手,历时两年共同完成了上述工作。本研究得益于韩礼元教授长期从事钙钛矿以及染料敏化太阳电池的研究基础以及在他强有力的带领下研究团队成员们的研究热情与努力,包括以往在新材料开发、工作机理研究、稳定性提高以及高效率器件制备和应用上取得的一系列重大进展,相关工作曾多次打破新型太阳能电池的世界认证记录,其研究结果发表在《Energy & Environmental Science》、《Advanced Materials》、《Chemsuschem》等国际著名学术期刊上。本研究还得到了华中科技大学和瑞士联邦理工学院的合作与支持。
来源:X-MOL 2015-11-02
韩礼元:巧用光能的现代夸父
从孩提时代起,我们就对“夸父逐日”的故事耳熟能详——为了让大地永远充满光明,夸父向着西斜的太阳紧追不舍……
这就是光的能量所带来的“引力”。
那么,你知道太阳每年可以为地球提供多少能量吗?你又知道地球上的人类一年工业生产和人们的生活活动一共需要多少能量吗?
太阳能在我们三分之二的国土上, 年辐射量超过60万焦耳/cm2, 每年地表吸收的太阳能大约相当于1.7万亿吨标准煤的能量。中国煤炭的总储量为约6000亿吨,换句话说,每年地表吸收的太阳能相当于2.8倍中国的煤炭总储量。
太阳每年通过大气向地球输送的能量高达3×1024焦耳,这种免费洁净的能源是地球生命和人类生存发展的可靠保证。据统计,地球上人类一年的能源总需求达到约5×1020焦耳,也就是说,如果我们可以收集其中的万分之一到万分之二就足够全世界人类的需求了。
在提高太阳能电池的转换效率和模块技术创新上具有很高造诣、被日本媒体誉为“下一代新型太阳能电池第一人”的韩礼元教授告诉我们,仅仅需要将地球上0.2%的面积覆盖上太阳能电池(假设光电能量转化效率10%),也就是说,相当于中国戈壁滩沙漠或者整个日本国土那么大的面积,就可以收集到足够的能量来满足地球居民全部使用需求!
夸父逐日的故事已经过去了几千年,但是直到今天,太阳所散发出的高能量,依然激励着无数科学家不屈不挠地向着满足人类利用太阳能的目标进发。
其中,开发出高效、价廉、实用的太阳能电池,并使之普及应用,造福人类,更是成为几代科研工作者的梦想。韩礼元教授所致力研制的染料敏化型太阳能电池,就是这样一种新型太阳能电池。
染料敏化太阳能电池——未来阳光灿烂
能源问题已经日益成为全球社会经济发展的制约,二十多年研制染料敏化型太阳能电池的经验,使韩礼元对实行“阳光计划”、开发太阳能资源充满期待和信心,这也是越来越多的国家寻求经济发展的新动力。
他告诉我们,太阳能发电具有安全可靠、无噪声、无污染、不消耗原材料、不必架设高压输电线路、建站周期短、规模可大可小、可以无人值守等一系列优点。特别对于偏远地区的居民供电,或者野外科考、野外作业、军事指挥临时系统的稳定供电具有非常便利的优点。
太阳能高效发电技术早已列入国家中长期科学和技术发展规划中的重点支持和优先发展的方向,成为支撑我国国民经济可持续发展的前瞻性、战略性新能源技术。尤其随着人类对能源的需求量,特别是城市对能源的需求量日益增加,太阳电池的使用更显得势在必行。
目前,进入应用领域的太阳电池主要以硅基电池为主,已历经半个多世纪的发展。在将来进一步更大规模的应用中,硅太阳能电池仍受到诸多限制。因为生产工艺苛刻,在生产过程中会产生污染物等原因,尽管成本降低至3-5元/峰瓦,但是仍然远高于火电和水电的成本,离开政府的支持和补贴,难以大规模普及到农村及城市居民中。
因此,开发低成本和对环境友好的太阳能电池迫在眉睫。
随着纳米材料科学的迅速发展,纳米薄膜太阳能电池日益受到研究者青睐,特别是基于纳米晶多孔膜的染料敏化太阳能电池。
染料敏化太阳能电池,它模拟自然界中的光合作用原理,采用吸附染料的纳米多孔二氧化钛半导体膜作为光阳极,镀碳或镀铂的导电玻璃作为光阴极,电极间选用适当的氧化-还原电解质。只要太阳光一照到电池上,它就会源源不断地开始发电了。
从1996年至今,将近二十年的光阴岁月,染料敏化太阳能电池犹如精心呵护下长大成人的孩子,韩礼元教授对它的优点如数家珍:成本低廉,制作工艺简单,环境友好而且能高度响应低水平的照射条件,拥有潜在的高光电转换效率,极有可能取代传统硅系太阳电池,成为未来太阳电池的主导,缓解能源危机问题。
染料与电池的结合——一条破釜沉舟之路
韩礼元教授是学染料出身,也许这早已注定了他与染料敏化太阳能的不解之缘。
上世纪70年代,在那个“白卷英雄”的时代,中学毕业的韩礼元即进入农场工作,然而,将近四年的电工生涯使他意识到知识的重要性。恢复高考第二年,韩礼元一举考取华东纺织工学院(今东华大学),进入染色专业学习。1982年,大学毕业后不久,他又以优异的成绩考取了国内第一届公派留学,前往日本京都工艺纤维大学攻读硕士研究生,进一步深入学习染料专业。此时的韩礼元在染料世界里尽情畅游,如海绵般汲取染料领域的各种知识,在一次偶然的机会中,他与同事发现合成的染料导电性非常好。当时,超电导是非常热门的研究领域,京都工艺纤维大学电子系的一名导师看中了韩礼元的勤奋好学与专业方面的才气,将他借调到自己的专业研修,从事电子材料领域的研究。这次借调使韩礼元发现了自己在染料专业以外的兴趣所在:“也许是有以前的电工工作背景,我非常喜欢电子材料这样的专业。”
拥有横跨两个专业的背景,1993年,韩礼元进入日本夏普工作之后,顺理成章地成为有机感光材料领域的一名研究人员。作为感光材料的业界翘楚,公司要求韩礼元在材料领域做出开发和创新。
根据当时的文献资料,韩礼元查到1991年瑞士洛桑高等工业学院Michael教授领导的研究小组将纳晶多孔薄膜引入了染料敏化太阳能电池。“我当时想,我喜欢做电子材料和有关的器件,又懂染料,选择研究染料敏化太阳能电池是最合适不过了。”韩礼元这样描述自己当时选择染料敏化太阳能电池道路的心里的想法,“事后证明我的想法有些幼稚”,谈及此,他不禁大笑起来。尽管染料敏化太阳能电池并非韩礼元当初设想的那样是染料与电子材料的组合,但他的这一建议在当时却极具创新意识,得到了夏普公司的采纳和首肯。
1996年,韩礼元正式着手染料敏化太阳能电池的研究工作。但这个选择并不为业内同行所看好,因为相对于其他材料电池,太阳能在当时并非十分引人注目的领域。作为争取利益最大化的私人公司,夏普公司尽管同意韩礼元进行染料敏化太阳能电池,但面对前有技术已经相对成熟的硅基太阳能电池,后有要求投入与产出效益的公司利益,夏普公司仍持谨慎态度,在前期的投入非常少。
这就造成了韩礼元教授当时的困境,前期投入与获得成果,先有鸡,还是先有蛋?
仅仅用了半年多的时间,在人力财力都十分欠缺的条件下,韩礼元教授就将染料敏化太阳能电池做到了3%的效率。
英雄,往往是先他人行一步的首位“吃螃蟹者”,因此在选择之初也会承受更多的困难和打击。回忆起当时的情形,韩礼元教授没有过多描述自己面临的困境,只是说:“正因为是自己心甘情愿做出的选择,而非他人命令,所以即使是最困难的阶段,我也不曾萌生过退意,正所谓‘破釜沉舟’吧。”
世界纪录与“韩家族”的诞生
韩礼元教授领导的研究团队制作的染料敏化太阳能电池,其能量转化效率已经超过了11%。
近10年的努力,浓缩成这样短短的一句话;从3%到11%,呈现在人们面前只是这样简单的数字。
背后的付出,又有几人知?
染料敏化太阳能电池的工作原理,是染料吸收光子后发生电子跃迁,光生电子快速注入到光阳极半导体的导带并经过收集进入外电路而流向光阴极。失去电子的染料分子成为正离子,被还原态的电解质还原再生。还原态的电解质本身被氧化,扩散到光阴极,与外电路流入的电子复合,这样就完成了一个循环。在染料敏化太阳能电池中,光能被直接转换成了电能。
在3%的转化效率基础上,韩礼元教授深入、系统地研究了染料敏化太阳能电池的电子传运机理。他从技术已经成熟的硅基太阳能入手,借鉴等效回路方法,率先提出了染料敏化太阳能电池的等效回路模型,为系统地提高转换效率和长期稳定性奠定了基础。
他所领导的团队,在等效回路模型的基础上,成功地提高了电池的光电流和降低了电池的内电阻,创造了单片电池最高光电转换效率的世界纪录。
这一成果于2006年在日本物理学会杂志(Japanese Journal of Applied Physics Express Letter)上刊登,7年来被引用了1100次以上。“我的成果对其他科研工作者有帮助,为大家提供了一个很方便的工具。”这一打破世界纪录的成果,韩礼元教授只是把它描述成“一个很方便的工具”,欣慰的语言中透出学者的谦虚。
2009年,日本《中文导报》专门以“日本最尖端研究领域的带头人”为题进行报道,将韩礼元称为“下一代太阳电池的色素敏化型电池的第一人”。报道中还写道:太阳光能源转换为电力的效率达到11.1%,创世界纪录。
2011年6月, 韩礼元领导的团队再一次创造世界纪录:染料敏化太阳能电池单片电池光电转换效率达到11.4%,是当时公认最高的光电转换效率。
除此之外,韩礼元教授还对在氧化钛上的染料吸附状态、从染料到氧化钛的电子转移等基础研究,以及在新染料的开发上做出了多项贡献;同时,在有机薄膜太阳能电池、有机半导体材料上也有着深厚的造诣;韩礼元教授还非常关注染料敏化电池在实用化方向上的研究,开发了高效率大面积电池模块,效率达到8%以上,并多次刷新世界纪录。
至今,他已经在国际期刊上发表了近120篇学术论文,并申请了90多项日本专利和40多项国际专利(美国、欧洲、中国、澳大利亚)。根据2005年度日本专利局调查数据,在染料敏化太阳能电池领域,韩礼元教授按发明者计算的专利申请件数也被列为世界第一。
在做出巨大成果的同时,韩礼元教授也带出了一支精兵强将。他对学生和部下要求严格是出名的。“刚开始他们甚至都有点反感我这种严格的做法”,韩教授笑着说。他鼓励年轻人挑战难题,时间久了,大家都发现韩礼元教授有一个特点:支持学生按照自己的观点去尝试,无论事先辩论得多么面红耳赤,只要是正确和合理的,都会得到韩教授的认可。“后来我发现,他们谁都不肯输给我了。”
他说:“大学里主要是建立适合自己的学习方法,学会自我学习,才能不断成长。”作为导师,他认为不应当满足于让学生帮助老师做课题,而要推动学生有自己的想法,培养学生对新事物的高敏感度和创新精神,不盲从,不守旧。尚显稚嫩时出手帮扶,羽翅渐丰后及时放手,是韩礼元教授育人的原则。同时,也要让团队内的成员互相配合,及时发现学生的特点,取其长而舍其短,做到人尽其才。
韩礼元教授有句名言:“学生不超过老师,老师就是失败的。”正所谓严师出高徒,韩礼元教授曾经的学生和部下如今也纷纷成为业内骨干,有些甚至由于与韩礼元教授分属不同机构而成为“竞争对手”。曾有同行开玩笑:以后染料敏化太阳能电池领域的竞争都是在“韩家族”内部产生。对此,韩教授平静的话语下掩盖不住内心的欣慰,青出于蓝而胜于蓝,想来这是每一位为人师者最值得骄傲的时刻吧。
冬天来了 春天还会远吗
染料敏化太阳能电池具有许多硅基太阳能电池所不能应用的领域,例如大型玻璃幕墙,小型家用充电器等。因此,对于纳米薄膜太阳电池尤其是染料敏化太阳电池,研发产业化关键技术具有重要意义。
现阶段,韩礼元教授的研究方向主要集中在染料敏化太阳能电池基础研究,有机薄膜太阳能电池和量子点太阳能电池。
尽管取得了举世瞩目的成就,但韩教授对整个行业有着非常清醒和理性的定位:太阳能电池行业尚处于冬天阶段,这也是我们的积累阶段,储备知识和技术,以迎接即将到来的春天。幸运的是,染料敏化太阳能电池正得到国家的大力支持,韩礼元教授期望经过行业内洗牌,逐渐趋于正规之后,太阳能电池可以再次浮出水面,得到关注并创造价值。
他坦言,与硅基太阳能电池相比,尽管染料敏化太阳能电池具有发电成本低、环境友好、光入射角度依赖性低等优点,但是也有能量转化效率相对偏低的弱点,而且未来想提高其效率尚有一定难度。正因为存在这样的难题,才更需要研究,更需要年轻人去挑战。
韩礼元教授认为,我国目前在染料敏化太阳能领域的基础工艺和研发水平与国外尚存在一定差距,但是也存在有利条件:国内市场竞争者众多,有利于国内的公司在技术上得到提高,通过竞争达到质量、性能、价格等各方面的提升。
染料敏化太阳能领域仿佛蹒跚学步的幼儿,眼下仍需要依赖于国家相关政策的帮扶,尚未达到自己站立。未来,韩礼元教授期望它能够成长为独立生存的产业,展现出太阳能的优势,这也是需要技术人员、市场以及国家相关部门等业内人士共同研究和探讨的课题。
目前,除了科研以外,韩礼元教授也在为染料敏化太阳能相关产品的开发而奔忙和努力。
从经济角度来讲,若实现批量生产,染料敏化太阳能电池的发电成本会接近现有电力价格,而普通的硅电池成本则高出2-3倍,因而染料敏化太阳能电池非常适合批量生产,满足城市居民以及广大农村的需要,特别是对我国近7000万边远地区人口的用电具有实际的意义。
战略角度来讲,我国是一个能源的消耗大国,特别是电力的短缺严重影响我国的经济持续稳定发展。但是无论是核电还是火电,所需要的燃料都是非常有限的,发电的同时也给环境造成了严重的污染。因此,我国尤其应当注重太阳能这种可再生绿色能源的开发与利用,为经济、环境、社会的协调发展奠定良好的基础。
从实用性角度来讲,从染料敏化太阳能电池的结构可以看出,电池是由透明导电玻璃及有一定颜色的染料和电解质构成,且带一定颜色,所以可以通过适当选择染料和电解质的颜色及TiO2膜的厚度来控制整个电池的透光率,这样可以把电池用作窗户玻璃,即透光又可当电池用。
希望十年后当你搬入新家,看到带有装饰色彩的窗玻璃时,别忘了它正在静静为你发电,帮你大量节省着电费的开支。
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染料敏化太阳能电池小知识
染料敏化太阳能电池的研究历史可以追溯到19世纪早期的照相术。
1837年,Daguerre制出了世界上第一张照片。两年后,Fox Talbot将卤化银用于照片制作,但是由于卤化银的禁带宽度较大,无法响应长波可见光,所以相片质量并没有得到很大的提高。
1883年,德国光电化学专家Vogel发现有机染料能使卤化银乳状液对更长的波长敏感,这是对染料敏化效应的最早报道。
1887年,Moser将这种染料敏化效应用到卤化银电极上,从而将染料敏化的概念从照相术领域延伸到光电化学领域。
1964年,Namba和Hishiki发现同一种染料对照相术和光电化学都很有效。
直到20世纪60年代,德国的Tributsch发现了染料吸附在半导体上并在一定条件下产生电流的机理,才使人们认识到光照下电子从染料的基态跃迁到激发态后继而注入半导体的导带的光电子转移是造成上述现象的根本原因。这为光电化学电池的研究奠定了基础。
但是由于当时的光电化学电池采用的是致密半导体膜,染料只能在膜的表面单层吸附,而单层染料只能吸收很少的太阳光,多层染料又阻碍了电子的传输,因此光电转换效率很低,达不到应用水平。
后来人们制备了分散的颗粒或表面积很大的电极来增加染料的吸附量,但一直没有取得非常理想的效果。
1988年,Gr?tzel小组用基于Ru的染料敏化粗糙因子为200的多晶二氧化钛薄膜,用Br2/Br-氧化还原电对制备了太阳能电池,在单色光下取得了12 %的转化效率,这在当时是最好的结果了。
直到1991年,Gr?tzel在O’Regan的启发下,应用了O’Regan制备的比表面积很大的纳米TiO2颗粒,使电池的效率一举达到7.1%,取得了染料敏化太阳能电池领域的重大突破。应当说,纳米技术促进了染料敏化太阳能电池的发展。
来源:科学中国人 2014年第1期
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