【狮城论坛1】新加坡高中学霸脑洞深不可测，橙皮、旧铅笔也能做出太阳能电池

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橙皮、旧铅笔这两个风马牛不相及的东西，在一般人眼里或许是厨余或废料，怎么能和太阳能电池联系到一起。但新家坡华侨中学（高中部）四个学霸，在他们强大的脑洞下，却把这两样东西作为制造一种更环保的太阳能电池的部分材料。

太阳能发电被视为产生洁净能源的重要途径之一。然而，市面上的太阳能电池普遍以硅（silicon）制成，不仅成本昂贵，生产过程产生的化学废料如果没有处理妥当，将对环境造成破坏。近几年，“染料敏化太阳能电池”（dye-sensitized solar cell，简称DSSC）的研发，在海外和本地是热门研究领域，目的是找出一个有望在未来替代以硅为材料的太阳能电池。DSSC主要通过模仿光合作用，将光转为能量。它一般是由发挥半导体作用的二氧化钛（titanium dioxide）、吸收光能的染料、电解质（electrolyte）和电极（counter electrode）组成，再由透明的导电玻璃封装，形成一种薄膜太阳能电池。

说到了DSSC，简单追述一下DSSC发展史。DSSC的研究历史可以追溯到19世纪早期的照相术，也可以说是一种非常古老的技术。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导。

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。这是染料敏化领域的重要事件，只是当时不能确定其机理，即不确定敏化到底是通过电子的转移还是通过能量的转移来实现的。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。

直到1991年，米夏埃尔·格雷策尔（Michael Grätzel）tzel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，纳米技术也成为促进染料敏化太阳能电池发展的重要技术，后也被称为格雷策尔电池。米夏埃尔·格雷策尔尔因为本发明而曾荣获2010年千禧技术奖（2010 millennium technology grand prize）。其主要优势是：原材料丰富、成本低、工艺技术相对简单，在大面积工业化生产中具有较大的优势，同时所有原材料和生产工艺都是无毒、无污染的，部分材料可以得到充分的回收，对保护人类环境具有重要的意义。

四个学霸开发初衷也是追溯前辈的脚印，就是要开发一种更环保又低成本的太阳能电池，电池的主要组成部分都准备采用有机材料，目的是将环境污染减至最低。为了寻找材料也是费尽九牛二虎之力、比如制造DSSC类电池所需的二氧化钛，往往使用有害化学物质。经过一番资料搜寻，花了半年在校内实验室研制的产品原型，最终选择用橙皮作催化剂，以产生这个原料。橙皮含有的柠檬酸，是合成二氧化钛所需原料，它也是厨余当中最常被丢弃的果皮，因此符合低成本和废物循环的理念。

再说说第二个主要材料旧铅笔。主要是从旧铅笔笔芯所含的石墨（graphite），制成电路系统所需的电极。另外，经过数百次的尝试，从普通不能再普通的樱桃和菠菜中，分别提取花青素（anthocyanin）和叶绿素（chlorophyll），制成让电池加快吸收光能的红色和绿色染料。使用不同颜色染料的作用，主要是能为电池增添装饰用途。他们其中一个构想在路边装置“太阳能树”，将这类电池制成“叶子”，以便白天吸收光能，产生电力，晚上成为路灯，提供照明。产品原型如果进行大量生产，成本将比以硅为材料的太阳能电池少一半。

四个学霸所开发的“染料敏化太阳能电池”产品原型，是今年角逐“圣诺哥永续挑战赛”其中一项入围高中组决赛圈的项目。今年角逐“圣诺哥永续挑战赛”（Senoko Sustainability Challenge）其中一项入围高中组决赛圈的项目，是华侨中学（高中部）学生所开发的“染料敏化太阳能电池”产品原型（prototype）。“圣诺哥永续挑战赛”每隔两三年举办一次，今年有近60所学府派队参加。15个入围决赛的校队，上周五为评审团介绍各自项目。成绩将在7月29日揭晓。评审是由大专学府研究员及讲师、政府机构和业界代表组成。

目前，四个学霸开发的染料敏化太阳能电池面对的一大挑战是，效能不及传统太阳能电池，商业用途受限。下一步，将继续改良产品原型，包括从椰子壳提取纳米碳管（carbon nanotubes）为原料，以提高电池的效能。也许，再过不久，在新加坡街头就能看到四个学霸开发的“太阳能树”了。