本刊记者　吴应清

　　
　　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。