基本信息
- 项目名称：
- 花卉发电
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本作品针对当前能源紧缺及环境污染的问题，旨在开发高效、价廉、绿色和环境友好的新型太阳能电池，并充分利用太阳光资源，为人类的社会活动和生产活动提供必要的动力，也有利于保护自然环境。以自然界中的天然植物花卉为原料，提取其中的色素作为敏化剂，与纳米晶TiO2电极薄膜一起组装成新型太阳能电池。
- 详细介绍：
- 天然花色素太阳能电池 摘要：以天然花卉为原料提取其中的色素，并作为敏化剂，与自制的TiO2纳米晶电极薄膜一起，组装成新型染料敏化太阳能电池。进一步深入探讨以天然植物色素作为太阳能电池敏化材料的光电性能、制备方案、光电转化原理等诸多方面进行详细介绍，并对其应用前景与实际可行性进行一定的分析，为开拓新型绿色能源提供了一种新思路。关键词：天然植物色素 光电转化 太阳能 电池 1 引言 1.1用花发电创意足大千世界，无奇不有。在科学见证了水果发电、植物光合作用之后，植物在大自然中能量转化的道路形式并非仅止步于前，大自然蕴含着许多有待开发的宝贵资源，每一棵小草，每一朵鲜花都具有无限的能量，它们不再只局限于观赏价值和陶冶心性，不再只局限于盆栽中的那点美丽。当高晶硅太阳能电池已司空见惯的时候，原来那些看似娇嫩的花儿也能像上述材料一样制备出方便人们日常起居的太阳能电池。我们光电传奇小组通过为期半年的努力，制备出了用花卉来发电的太阳能电池，并且我们的电池不再重复那些一如既往的单调颜色，不再重复那些统一而没有创新的款式，而是真真正正地做到了低碳生活、环境保护与能源和谐利用的完美结合，我们用自己的双手完成了能源转化和美学欣赏的全新组合。在提取了数十种花朵的色素进行集中光电转化性能的测试后，得到了令人可喜的结果，花中色素果然不负众望，众多花中的色素都获得了很高的光电转化性能比。花卉发电是一种色素增感太阳能电池，国内又称染料敏化太阳能电池。染料敏化太阳能电池（Dye-sensitized Solar Cell，DSSC）是一种在半导体上吸附染料，利用染料与基材的作用提供电子通道。其发展历史可以追溯到20世纪60年代。1968年，德国Tributsch等研究者发现了染料吸附在半导体上在一定条件能产生电流，并对ZnO半导体电极的染料敏化做了大量研究，将Ribonavin或edamine B加入电解液中后，发现光电流不是在ZnO的固有感光波长范围，而是在染料吸光波长范围中增加。增加染料浓度，光电流也增加。但是在1991年以前，大多数染料敏化电池的光电转换效率都较低(<l%)。直到1991年，瑞士洛桑高等工业学院M.Grätzel教授和他的研究小组采用高比表面积的纳米多孔TiO2膜作半导体电极，以过渡金属Ru等有机金属化合物作染料，并选用适当的氧化还原电解质研制出一种纳米晶染料敏化太阳能电池，一举突破了光电转化效率7%。1998年，M.Grätzel等人进一步研制出全固态M.Grätzel电池，使用固体有机空穴传输材料替代了液体电解质，单色光光电转换效率最大达到33%，从而引起了全世界的关注。2006年，日本桐荫横滨大学的宫坂教授开发的基于低温TiO2电极制备技术的全柔性DSC效率超过6% 。人们预计，在未来的几年内这种太阳能电池将进入实用阶段。 1.2关注能源前景好 21世纪，能源问题已经不仅只在工业生产上，而是影响到人们衣食住行各个方面。可以说本世纪的关键是在能源利用的突破。曾经人们一度将希望寄托于潮汐能、水能、风能、核能质能源上，然而经过20世纪后几十年的尝试，这些能源的不足与开采上的苦难日益凸显。其中水能风能存在严重的分布不均匀的问题，同时包括了时间和空间的二维不均匀性。潮汐能的利用成本过高并且存在风险。生物质能源虽然可以再生，但伴随在利用过程中的二氧化碳排放问题，这对于温室效应的减缓是极其不利的，并且生物能源的利用还存在生产周期长的不利因素。而日前福岛核电站的核泄漏事件再度引发了人们关于能源利用的重大反思。我国也因此调整了能源建设的方向。可以说目前世界能源的形式是相当严峻，迫在眉睫。可喜的是太阳能的利用成为一支突起的异军，在众多的能源上崭露头角。太阳能作为一种可再生能源，具有其它能源不可比拟的优点，取之不尽、用之不竭、安全、无污染、不受地理条件的限制等。太阳每年向地球辐照的能量大约是3×1024J，是目前人类可利用能源总和的1万倍，即使地球上一小部分的太阳能得到合理与有效的利用，许多能源问题就都可以迎刃而解。因此，太阳能的研究和应用受到世界的广泛重视。其中，太阳能电池更是世界各国政府最重视的研究课题之一。太阳能的利用主要有以下几个方面，即：单晶硅太阳能电池、薄膜电池和染料敏化太阳能电池等。单晶硅的利用目前比较成熟，但存在成本较高的不足。锂电池虽然电容量强，已大量用于手机、笔记本电脑等数码产品中，但不时传出的爆炸性事故则引发了人们对其安全性能的担忧。相比上述二者，染料敏化太阳能电池有着低成本，易操作，高安全性等优势，一直备受国内外许多学者与投资商的青睐。国外DSC电池的研究以瑞士、日本、德国、荷兰、英国和瑞典技术较为领先，美国和澳大利亚也做了一些卓有成效的研究。目前，欧洲仍然占据着DSC电池原创性研究的主导地位。瑞士M.Grätzel研究小组保持着DSC电池的复色光电转换效率达到12.3%的最高记录。日本对DSC电池的研究主要侧重于效率的提高、降低成本以及提高稳定性方面。另外，柔性DSC电池的开发是近年的一个研究热点。它是将电极材料制作到可弯曲的高分子塑料导电基板上，得到的电池具有可弯曲，重量轻，随身携带方便等特点。但是染料太阳能电池获得良好光电转化性能的同时，也遇到了一个重大的问题，那就是来自染料自身对于大自然的污染，当今世界是一个极度重视能源利用、生态保护的社会，2009年12月7日－12月18日在丹麦首都哥本哈根召开的全球气候峰会，更是将节能减排、保护环境的重要议题推上了全新高度。能否用大自然中花的色素代替染料作为太阳能电池的敏化剂，这便是我们小组的电池设计理念。染料敏化太阳能电池从诞生之日起，就以其较好的光电性能、低成本和环境友好等特点受到全世界科学家的青睐，被认作为代替高性能但高成本的硅系太阳能电池，走向大范围、实用性推广的最佳技术。因此，染料敏化太阳能电池在追求高效率的同时，必定更加注重它的工艺简单化、低成本化以及环境友好等优点。天然染料的应用无疑是最好的解决方法之一。 2 DSC 电池的组成结构与工作原理 2.1组成结构传统的非晶膜液体太阳能电池的工作电极主要由半导体材料组成，工作电极同时要具有吸收光能和传导光生载流子两个功能，因而不可避免地存在工作电极易被光腐蚀或损失大量可见光的弱点，所以能量转换效率很低，而在传统敏化太阳能电池中，普遍采用的都是致密的半代替薄膜，只能在膜表面上吸附单层染料，而单层染料吸收的太阳光很有限，多层染料又阻碍了电子的运输，因而光电转换效率也很低，与它们不同的是，DSC 电池以纳米晶半导体多孔膜为光电极，其表面的粗糙度使得整个半导体膜成海绵状，具有很大的表面积，能够吸附更多染料单分子层，这样既克服了原来太阳能电池中只能吸附单分子层而吸收少量太阳光的缺点，又增强了染料对于太阳光的吸收，从而产生更大的光电流。DSC电池主要由透明导电基片(即镀有透明导电膜的导电玻璃) 纳米结构半、导体多孔膜敏化剂、电解质溶液和透明对电极几部分组成，以纳米TiO2太阳能电池为例，图1为其结构示意图： 2.2工作原理如图 1 所示，电极由TiO2微粒组成，可见光不能将它激发，受激发的只是TiO2表面的一层染料敏化剂，染料分子吸收太阳光能后跃迁到激发态，但激发态不稳定，电子快速注入到紧邻的TiO2 导带，染料中失去的电子则很快从电解质中得到补偿，进入TiO2 导带中的电子最终进入导电膜，然后通过外回路产生光电流，工作原理如图2所示，在选择光敏剂及电解质时，光敏剂的基态、激发态的位置及电解质的氧化还原电位非常重要，只有配置合理，整个过程才能正常运行。 染料敏化剂的应具备的条件染料敏化剂是 DSC电池的关键部分，它的性能优劣将直接影响DSC 电池的光电转换效率，因此， DSC电池对染料的要求非常严格，一种理想的敏化剂应该满足以下条件： (1) 能紧密吸附在纳米半导体表面，即能快速达到吸附平衡，且不易脱落在染料分子母体中，一般应含有易与纳米半导体表面结合的基团，如-COOH 、-SO3H等。研究表明(以羧酸联吡啶钌染料为例)，染料上的羧基与TiO2 膜上的羟基结合生成了酯，从而增强了TiO2导带 3d 轨道和染料轨道电子的耦合，使电子转移更为容易； (2) 对可见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，另外其吸收光谱又能与太阳能光谱很好的匹配； (3) 其氧化态和激发态要有较高的稳定性和活性； (4) 激发态寿命足够长，且具有很高的电荷传输效率； (5) 具有足够负的激发态氧化还原电势，以保证染料激发态电子注入TiO2导带； (6) 在氧化还原过程(包括基态和激发态)中要有相对低的势垒，以便在初级和次级电子转移过程中的自由能损失最小。染料敏化半导体一般涉及3 个基本过程： (1) 染料吸附到半导体表面； (2) 吸附态染料分子吸收光子被激发； (3) 激发态染料分子将电子注入到半导体的导带上。因此，要获得有效的敏化必须满足两个条件：即染料容易吸附在半导体表面上及染料激发态与半导体的导带电位相匹配。 3 TiO2太能能敏化染料电池的制备 3.1色素的提取将新鲜的花朵于真空干燥箱在60℃下干燥十二小时，得到几乎无水的花瓣，以1:3（g/mL）固液比用丙酮溶剂在超声振荡一小时的条件萃取不同种花中的色素。在萃取过程中，容器表面用锡纸包裹，整个实验过程需严格避光。 3.2染料敏化太能能电池的制备与相关性能的表征染料敏化太阳能电池的组装：将二氧化钛纳米晶（ST-01，Japan）和粘结剂制得浆料，用丝网印刷将其印在导电玻璃上并于525℃德高温下焙烧2小时，并用TiCl4处理，厚度约为20-25微米，然后将其浸渍在不同花的色素的丙酮溶液中7d，电极薄膜的颜色由白色变为不同的颜色（如红色、黄色和绿色等）；再把它与对电极和注入的液态电解质溶液组装在一起，形成三明治结构的染料敏化太阳能电池，然后测其光电性能。而在为期半年的研究过程中，通过对于三色堇、桔梗、一串红、一品红等三十余种不同科属花瓣中（如图3所示）色素的萃取，并将其制备成电池，测量其光电转化效能，得到了如图4的数据图：【取其中光电转化效能较为理想的八组植物】 从上图中可以看出，三色堇无论从电压还是电流效率都为上述七种植物中性能最优者，因此本实验小组最终确定以三色堇中的色素作为替代染料，制备太阳能光电转化电池。 4 产品应用前景与推广分析在该项产品的推广利用层面，我们结合当前社会能源利用形式，对该作品做了合理的展望。 4.1生活领域 4.1.1可以代替普通干电池，铅蓄电池众所周知，普通干电池是一种一次性电池，如图5a所示。电池连续工作或是使用时间过长,会因电池内阻增大而失去作用，而且采用锌和二氧化锰制造干电池，造成每年全球用于干电池回收、废液处理等衍生危害方面的金额投入逐年攀升。而铅蓄电池(如图5b所示)则由于含有浓硫酸与Pb（Ⅱ）离子等由于对环境造成巨大的污染限制了其发展。天然植物色素光电转化电池（如图5c所示）除了具备原材料来源广泛 的优势之外还具备可循环利用的优点，由于日常太阳能光所能辐射到的范围广泛，只要接触到足够的太阳光即可保证电池的循环利用. 4.1.2服装设计的结合应用国际顶级时装设计厂商每年的新款时装为响应节能低碳的号召，都在致力于推出以天然植物作为设计理念的方案，将传统时装中的亮片（如图6所示）部分用我们设计的天然植物色素太阳能电池代替，既可以满足人们对于时装炫目耀眼的需求，又可以在日常起居中深刻地贯彻和实现能源的充分利用，一举两得。 4.1.3伞制造设计领域的革新提及伞，在完成遮阳避雨的基本功用后，人们对其赋予的含义已经在逐渐深化，伞成为了时装界的宠儿，成为了个性之人彰显自身独创性的一种有力手段。将我们的太阳能电池以局部覆盖的方式固定于其上，以别出心裁的造型促进环保与实用的有效统一。 4.2 建筑领域 4.2.1 光伏建筑一体化. 染料薄膜电池还可以运用到玻璃幕墙，屋顶，室外墙体上。众所周知在日常生活中我们对对光能的利用率非常低。例如，变色玻璃的造价昂贵，其变色原理一般也以无机铜离子等的氧化还原反应为主，只是单纯的吸收光能而没有加以利用，如若在窗户玻璃表面加上一层太阳能敏化染料电池的薄膜材料，将其所吸收的光能贮藏转化为电能，并连通家居照明装置即可在夜间供给日常照明之用，另外由于植物色素的颜色丰富，在满足日常使用的同时又兼具良好的装饰性能。我们知道，城市用地的稀缺性，使建立地面太阳能发电站几乎成为不可能，而将太阳能敏化染料电池的薄膜材料应用于城市中大量既有和待开发的建筑外立面、屋顶、窗户等，既可以避免现有玻璃幕墙的光污染问题，代替建材，同时发电又节能，而且还可以给建筑套上美丽的外衣美化城市. 4.2.2 农业大棚的结合应用燃料敏化太阳能农业大棚电站就是将透明染料太阳能电池和农业大棚结合起来，如图8所示，简而言之，就是利用大棚屋顶发电，同时棚内种植农作物。薄膜式太阳能农业大棚不仅不会影响农作物的生长，而且有保温作用，在一定程度上还能加快农作物生长。在涂膜过程中我们可以选用与植物吸收波段互补的植物色素。减少了其他薄膜电池对光吸收波段的限制而影响了植物的生长。 4.3 交通领域太阳能电池的在交通领域的利用主要集中在交通道路基础设施及汽车配件的改良。其中道路交通基础设施方面可以利用我们的电池制造路灯（如图9）、指示灯等一系列产品。汽车目前均是以石油产品为燃料，然而，石油的储备形势严峻，并且污染严重，性质不稳定，而天然色素电池作为新型能源可以大大改善上述问题（如图10），是未来发展的方向。 4.4 航天航空领域 如果我们设计的太阳能电池能够得到更大的推广和研究，我们可以将其应用于卫星太阳能接收面板上的材料，以其作为吸收太阳能的载体，为航天器械的正常的电力供给提供一条极为有力的措施。关于航空航天等领域有重大发展前景。 总之，以天然植物色素为对象研究的太阳能染料敏化电池具备非常优异的应用前景，若将其商品化，必将得到全社会的广泛使用的环保人士的亲睐，在全民标榜低碳经济的时代，对于能源利用率的要求也在逐年升高，新型电池的研发与开拓将极为有利地方便人们的日常生活。 参考文献 [1] B. 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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 作品设计：在自制的TiO2纳米晶电极薄膜上，吸附从天然植物三色堇中提取的色素，并组装成花色素敏化的太阳能电池。作品发明的目的和思路：本作品针对当前能源紧缺及环境污染的问题，旨在开发高效、价廉、绿色和环境友好的新型太阳能电池，并充分利用太阳光资源，为人类的社会活动和生产活动提供必要的动力，也有利于保护自然环境。本作品的创新之处在于：以自然界中的天然植物花卉为原料，提取其中的色素作为敏化剂，与纳米晶TiO2电极薄膜一起组装成新型太阳能电池。与目前广泛使用的敏化剂相比，从花卉中提取的色素是纯天然物质、其来源丰富、价格低廉、对环境不会造成污染，是真正的绿色能源。技术关键是在于提取天然色素并制备成染料以及与TiO2表面形成结合，能够使激发的电子传导到TiO2导带上并产生循环电流。主要技术指标为电池效率即其光电转化率。
科学性、先进性
- 染料敏化太阳能电池（Dye-sensitized Solar Cell，DSC）是一种在半导体上吸附染料，利用染料与基质的作用提供电子通道。天然植物色素敏化太阳能电池是利用自然花色素替代现有的钌基配合物或有机化合物，以获得真正的环境友好的新型太阳能电池。传统敏化太阳能电池的敏化染料为钌多吡啶有机金属配合物、酞菁和菁类染料、“固体染料”，存在原料来源匮乏、价格昂贵等问题。同时，其制备副反应较多、光腐蚀等缺点。因此，开发出新型绿色、环境友好的染料是十分重要的。本作品在自然界中广泛存在的花色素中，提取了性能较为稳定，完全没有污染的色素，开拓染料的来源渠道。同时，通过调整染料电池制备工艺，有可能提高电池的光电转化效率。因此，本作品有可能为开发新型绿色能源提供了一种新的思路。
获奖情况及鉴定结果
- 暂无
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 签约投资转让
作品可展示的形式
- 实物、产品、视频、图片
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本作品作为一种新型太阳能电池，其优势如下：1）简单的可操作性工艺：无须高精密的仪器，制备过程简单，材料丰富；2）绿色、低碳、环保：本作品取材来自于大自然中的天然花卉，安全无毒，在制作和使用过程当中不产生环境污染，迎合了社会提倡的“发展低碳经济”和大众主张的“节能减排低毒无污染”；3）外表透明美观，质轻便携、可塑性强，可以随心所欲地设计和制备出各种形状大小，在为人类提供能源动力的同时，又能给人们视觉享受。综上，花色素敏化柔性太阳能电池有可能成为未来便携式电源，并且在路灯、建筑物外墙、玻璃、车辆等方面有广阔的应用前景。
同类课题研究水平概述
- 当前，国外染料敏化太阳能电池的研究以瑞士、日本、德国、荷兰、英国和瑞典技术较为领先，美国和澳大利亚也做了一些卓有成效的研究。目前，日本和欧洲仍然占据着DSC电池原创性研究的主导地位。瑞士M.Grätzel研究小组保持着DSC电池的光电转换效率达到12.3%的最高记录。日本对DSC电池的研究主要侧重于效率的提高、降低成本以及提高稳定性方面。另外，柔性DSC电池的开发是近年的一个研究热点。它是将电极材料制作到可弯曲的树脂等高分子塑料导电基板上，得到的电池具有可弯曲，重量轻，随身携带方便等特点，据相关文献报道，目前柔性DSC电池的光电转化比最高可达6%。但本项目所研究的花色素柔性DSC电池在国内尚未有科研工作者深入研究，是一种创新的研究思路。 我国中科院物理所对固态纳米晶太阳能电池的各组成部分(包括纳米薄膜、染料、电解质及对电极等)进行全面的分析和优化，制备大比表面、高孔隙率的纳晶二氧化钛薄膜、宽光谱响应的有机染料、高离子传导和电导率的固态电解质以及低载铂量高活性的对电极。此外，对电池的制备组装工艺也进行全面的研究，为大面积电池的制备和工业化生产打下良好的基础。其中，组装的小面积固态纳晶电池的效率达到5.48%的国际先进水平。此外，北京大学化学系、中国科学院理化技术所、清华大学、南开大学、华侨大学等在DSC领域也有较好的研究基础和研究进展。
