潔凈、高效、環保，集多種優點于一身的太陽能被譽為未來能源。但即使如此，太陽能也有一個非常明顯的缺點，那就是碰上陰雨天氣時，電池板基本無法有效地儲存能量。然而，來自中國海洋大學的一項研究成果卻有望填補傳統太陽能電池的這一致命缺陷。借助“萬能石”石墨烯，中國海洋大學的唐群委教授與專家組們成功開發出一種在陰雨天也能采集能源的新型太陽能電池。
太陽能電池雨天也能發電
近日，中國海洋大學與云南師范大學的科研團隊在德國著名期刊《應用化學國際版》上發布了新型太陽能電池研究詳細報告，讓長久以來困擾人們的雨天太陽能收集能源問題有望得到解決，報告的刊登也讓國際諸多太陽能研究機構為之震驚。
得知自己論文被刊發，中國海洋大學唐群委教授并不意外，對于他和眾位科學家們的研究成果，唐教授顯得非常自信。“目前已經開發的太陽能電池只能在太陽光照時將光能轉換為電能，雨天時光照強度很弱，所以太陽能電池的發電效率幾乎為零，這一難題始終沒有得到解決，而現在可以說是找到了一條解決之道。”唐群委教授告訴記者。在德國《應用化學》刊發的論文中，唐教授和專家組首次研發成功了可在雨天發電的太陽能電池。通過石墨烯薄膜與柔性太陽能電池耦合能夠很好地解決這一問題。所組裝的柔性太陽能電池在太陽光照下具有6.53％的光電轉換效率，而在下雨時能產生0.5微安/滴雨的電流和150微伏/滴雨的電壓。另外，柔性太陽能電池具有質輕、柔性好、能在特殊曲面領域應用的優勢。
新型電池已具備量產可能
除了在國際知名期刊刊登報告論文外，還有一條值得欣喜的消息是，雨天太陽能電池的研究如今已不局限于理論階段，而是已經有了實物研究成果，并且具備量產的可能性。
在唐群委教授的實驗室內，記者有幸見到這種新型的太陽能電池。但從電池的外觀看，長寬約2厘米，四四方方的一塊太陽能電池看起來與平常見到的并無兩樣，但如果仔細觀察就能看到這種新型太陽能電池表面覆蓋著一層特殊的涂層。唐教授告訴記者，這種特殊的涂層學名叫做石墨烯，在青島某些地區是比較豐富的一種資源，從普通的太陽能電池過渡到可在雨天發電的新型太陽能電池，石墨烯是其中關鍵。雨天發電的太陽能電池的工作原理是：在太陽光照時，吸附在光陽極上的光敏染料吸收太陽能并激發出電子，電子由光陽極經外電路傳輸至對電極，在對電極的催化作用下，電解質中的氧化態離子被還原為還原態，進而將激發態的光敏染料還原為基態。
簡單來說就是雨水并非純凈水，而是含有豐富的陽離子和陰離子。在下雨時，雨滴在石墨烯薄膜表面先鋪展后收縮。當雨滴與太陽能電池中的石墨烯薄膜接觸時，雨滴中的陽離子與石墨烯的離域電子吸附形成雙電層電容，在雨滴鋪展過程中，雨滴中的陽離子驅動被吸附的電子向外遷移，也即為雙電層電容充電；而在雨滴收縮過程中，雨滴中的陽離子驅動被吸附的電子向內遷移，也即為雙電層電容放電；雙電層電容的充放電即能產生了電流和電壓。
太陽能全天候發電不是夢
雨天太陽能電池的研發有何
現實意義？
研究顯示，我們的地球在一個小時之內從陽光中吸收的能量比全球在一年內消耗的能量還要多。太陽能有潛力發展為一種清潔而廉價的主要能源，太陽能便于獲取、開發原理簡單而且能維持幾十億年。計算結果表明，如果地球表面積的1%覆蓋了傳統的太陽能電池，整個世界的能源需求都可以得到滿足。但是太陽能在全球能量產出中的份額還不到1%。這其中除了太陽能電池造價昂貴等原因外，對環境要求高成為其開發的一大難點。唐教授表示，雨天發電太陽能電池的研發成功為全天候太陽能電池的研究提供了思路。未來的太陽能電池預計可以不分白天和黑夜地實現全天候發電，該成果有助于延長太陽能電池的潛在發電時間。除此之外，這一研究成果還可以應用于雨量充沛但太陽能資源不夠豐富的地區發電，也可在酸雨多發地區，以及島礁供電和海上航行等領域發揮更大作用，讓太陽能真正成為一種常規能源。與傳統能源相比，太陽能潔凈無污染，也有利于環境的保護和可持續能源的開發。
未來高樓也可當發電機
雨天太陽能電池的問世讓太陽能的利用有望提升到一個新的高度，面對社會各界的褒獎，唐教授和專家們并未就此滿足而停下前進的腳步。
城市里高樓林立，如何讓這些靜止的建筑物也能成為采集太陽能的一塊塊電池板？在理論支持下，唐教授和專家們采用相同的原理，開發成功了可在雨天發電的發電涂層，有望用于建筑物外墻并在雨天發電，未來聳立的高樓、你家的外墻都將有可能變成一塊塊電池板，采集潔凈的太陽能。
島城石墨烯產業風頭正勁
青島作為國內石墨資源三大主要產地之一，這也使得島城雨天太陽能電池及其它先進碳材料產業的發展具有得天獨厚的優勢。青島高新區依托青島國際石墨烯科技創新園，建設國內首個國際石墨烯創新中心和北方唯一的國家級石墨烯產業創新示范基地，打造涵蓋“苗圃、孵化器、加速器”的全鏈條孵化場所。搭建青島國際石墨交易中心，依靠專業的交易通道建設機構，為高新區石墨烯產業發展提供有力的資源保證。設立1億元的國內首只石墨烯天使投資基金，為石墨烯企業培育壯大提供有力保障。搭建青島市石墨烯公共檢測平臺和協同創新平臺，完善石墨烯的“政、產、學、研、金”一體化組織合作鏈條。
據悉，預計到2023年，青島石墨烯及先進碳材料特色產業基地產值將突破300億元，新增專利500項以上，產學研成果轉化200個以上，創建5-10個國家級品牌或馳名商標，形成中國北方最大的、具有國際影響力的、以海洋為特色的石墨烯及先進碳材料產業基地。
記者：雨天太陽能電池的研發大概用了多長時間？
唐群委：這項研究是從2015年開始，到2016年3月完成論文寫作。
記者：在雨天太陽能電池的研究過程中您和專家組都遇到過哪些困難？又是如何克服的呢？
唐群委：如何把石墨烯和現在的太陽能電池結合，進而制造出既可在晴天時運用太陽光發電，又可在下雨天利用雨水發電的新型太陽能電池是研究的初衷也是我們遇到的最大挑戰。實驗初期，我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。但是經過多個方案的比較研究，最終在太陽能電池上通過熱壓法組裝完成了相關實驗。但必須說明的是石墨烯薄膜與太陽能電池的合理耦合仍然是懸而未決的難題，這項研究仍有改進的空間。
記者：為何會選擇該領域的研究？
唐群委：如何解決能源危機與環境污染問題是人類正面臨的重大挑戰，開發可再生的清潔能源是實現世界經濟可持續發展的戰略選擇。地球上的絕大多數能量都是直接或間接地來源于太陽，因此開發并高效利用太陽能被認為是能源發展戰略的核心。光電轉換被認為是利用太陽能最直接有效的方式之一。
記者：您覺得您的研究最大的現實意義是什么？
唐群委：雨天太陽能電池的研發，其貢獻不僅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。不僅在國內，在國際上也是首次提出，它為未來全天候太陽能電池的發展指明了方向。
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