專家信息：

韓禮元，男，1956年5月生，上海交通大學材料科學與工程學院教授，博士生導師，國家“**計劃”特聘專家。

教育及工作經歷：

1982年，畢業于華東紡織工學院（現東華大學）染色專業。

1988年，畢業于日本大阪府立大學應用化學專業，博士學位。

1990-1993，在日本Dainippon Ink & Chemicals Inc工作。

1993年，進入日本夏普研究所工作15年。     

學術兼職：

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主講課程：

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培養研究生情況：

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研究方向：

染料敏化太陽能電池, 有機薄膜太陽能電池和量子點太陽能電池。

承擔科研項目情況：

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科研成果：

1.在提高太陽能電池的轉換效率和模塊技術創新上有很高的造詣。深入、系統地研究了染料敏化太陽能電池的電子傳運機理，率先提出了電池的等效回路模型,為系統地提高轉換效率和長期穩定性做出了貢獻。

2. 所領導的團隊，在等效回路模型的基礎上，成功地提高了電池的光電流和降低了電池的內電阻，創造了單片電池最高光電轉換效率的世界紀錄。該成果于2006年在日本物理學會雜志(Japanese Journal of Applied Physics Express Letter)上刊登，4年來被引用了500次以上。基于卓越的研究成果,在2008年被聘請到日本物材研究機構,擔任下一代太陽能電池中心主任,負責5個研究方向(染料敏化,有機薄膜,量子點,薄膜硅,化合物太陽能電池),領導40名研究者。

3. 2011年6月, 所領導的團隊再次創造染料敏化太陽能電池單片電池公認最高光電轉換效率的世界紀錄11.4%。此外,還對在氧化鈦上的染料吸附狀態、從染料到氧化鈦的電子轉移等基礎研究，以及在新染料的開發上做出了很多貢獻。同時在有機薄膜太陽能電池、有機半導體材料上也有著深厚的造詣。

4. 至今，在國際期刊上發表了近120篇學術論文，同時申請了90多項日本專利和40多項國際專利(美國、歐洲、中國、澳大利亞)，在染料敏化太陽能電池領域，按發明者計算的專利申請件數也被列為世界第一(根據2005年度日本專利局調查)。

發明專利：

申請了90多項日本專利和40多項國際專利(美國、歐洲、中國、澳大利亞)。

1. 類石墨烯結構二氧化鈦的無氟制備方法 201510050502 畢恩兵;何金金;陳漢;楊旭東;韓禮元

2. 高氮摻雜石墨烯與超薄MoSe2納米片的復合材料及其制備方法 201410391036 畢恩兵;陳漢;韓禮元

3. 高氮摻雜石墨烯與類富勒烯硒化鉬空心球納米復合材料及其制備方法 201410391018 畢恩兵;陳漢;韓禮元

4. 類石墨烯結構銅銦硫納米片陣列薄膜的制備方法 201410098261 畢恩兵;陳漢;韓禮元

5. 制備硫化亞錫納米片陣列薄膜的方法 201410098257 畢恩兵;陳漢;韓禮元

6. 制備石墨烯-銅鋅錫硫納米晶復合材料的方法 201310723967 陳漢;韓禮元;畢恩兵

7. 用于染料敏化太陽能電池的納米復合對電極及其制備方法 201310656095 陳漢;韓禮元;畢恩兵

8. 染料敏化太陽能電池光陽極及其制備方法和應用 201310089595 張京;陳振華;彭文琴;韓禮元;諸躍進

9. 吡啶類金屬絡合物、包含該金屬絡合物的光電極和包含該光電極的染料敏化太陽能電池 200980114299 沈秀良;阿什拉富爾.伊斯蘭;古宮良一;韓禮元

10.染料敏化型太陽能電池用糊劑、染料敏化型太陽能電池用透明性絕緣膜、染料敏化型太陽能電池、以及染料敏化型太陽能電池的制造方法 200980111872 韓禮元;山中良亮;福家信洋;福井篤;高野真悟;藤橋岳

11. 包括多孔半導體層的光電池、其生產方法和太陽能電池 03101808 山中良亮;小出直城;韓禮元;千葉恭男;今井壽子;見立武仁

12. 色素增敏型太陽電池 02808434 古宮良一;韓禮元;山中良亮;石古惠理子;河野通之

13. 色素敏感型太陽能電池 03821894 古宮良一;山中良亮;韓禮元;見立武仁;石古惠理子;河野通之

14. 光電極、染料增感太陽能電池及染料增感太陽能電池模塊 200580026542 福井篤;山中良亮;韓禮元

15. 光電轉換元件及使用該光電轉換元件的太陽能電池 200680046410 千葉恭男;韓禮元;小出直城;城戶政美

論文專著：

在國際著名期刊Advanced Materials，Journal of the American Chemical Society，Energy & Environmental Science，Advanced Energy Materials，Advanced Functional Materials等上發表論文百余篇。

代表性英文論文：

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

代表性中文論文：

1 高效率鈣鈦礦太陽電池發展中的關鍵問題 楊旭東; 陳漢; 畢恩兵; 韓禮元 物理學報 2015-02-08

2 染料敏化太陽能電池敏化劑材料研究進展 陳漢; 畢恩兵; 韓禮元 中國材料進展 2013-07-15

 

上海交通大學“**計劃”韓禮元教授應邀來材料學院作學術報告

9月23日下午，“**計劃”國家特聘專家、上海交通大學材料科學與工程學院韓禮元教授應邀為材料學院教師作題為“Highly Efficient Perovskite Solar Cells（高效鈣鈦礦太陽能電池）”的學術報告。報告在材料學院A501室舉行，學院所有從事教學、科研的領導、教師聆聽了報告。

報告開始，強穎懷院長對韓教授的到來表示了誠摯的感謝和歡迎，并對韓教授的科研方向和成果進行了詳細介紹。

隨后，韓教授正式開始報告。他首先介紹了當下幾種主流太陽能電池，提出高效太陽能電池需要具備的特性。然后，韓教授講到具有鈣鈦礦結構的有機-無機雜化鉛鹵化合物的優異光電特性及其用于太陽能電池的發展歷程。通過材料形貌結構調控及器件優化，在短短數年的時間內，鈣鈦礦太陽能電池的光電轉化效率由3%左右提升至20%，這是太陽能電池發展史上絕無僅有的事件。接著，韓教授向在場的師生詳細介紹了其領導團隊的科研工作，包括在空穴阻擋層、鈣鈦礦膜沉積、無摻雜空穴傳輸材料、純相甲基銨-甲脒（MA-FA）雜化鈣鈦礦以及反式結構鈣鈦礦電池等方面的創新性工作。最后，韓教授指出鈣鈦礦太陽電池在可重現性、穩定性以及性能評估等方面還面臨著很多問題，并提出該電池的發展前景。

報告結束后，材料學院的教師分別就自己的研究項目及問題與韓教授進行了交流。強穎懷院長還邀請韓教授對學院的實驗室進行了參觀。

報告現場 

韓禮元教授簡介

韓教授生于1956年5月，1988年畢業于日本大阪府立大學，獲博士學位。現為上海交通大學材料科學與工程學院教授，博士生導師。2011年入選國家**計劃。

韓教授主要從事太陽能電池的研究開發。在染料敏化太陽能電池領域，深入、系統地研究了電子傳運機理，率先提出了電池的等效回路模型，為系統地提高轉換效率和長期穩定性做出了很大貢獻。2008年被聘請到日本物材研究機構，擔任下一代太陽能電池中心主任，負責5個研究方向（染料敏化，有機薄膜，量子點，薄膜硅，化合物太陽能電池），領導40多名研究者。2011年6月，領導的團隊創造了染料敏化太陽能電池單片電池公認最高光電轉換效率11.4%的世界紀錄。現階段，韓教授的主要研究方向集中在鈣鈦礦太陽能電池上，并創下了25px2鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率15%的記錄。

韓教授在國際著名期刊Advanced Materials，Journal of the American Chemical Society，Energy & Environmental Science，Advanced Energy Materials，Advanced Functional Materials等上發表論文百余篇，同時申請了90多項日本專利和40多項國際專利(美國、歐洲、中國、澳大利亞)。在染料敏化太陽能電池領域，按發明者計算的專利申請件數也被列為世界第一。

來源：中國礦業大學材料科學與工程學院 2015-09-28 

“**計劃”國家特聘專家韓禮元教授到我校作學術講座

3月17日上午，“**計劃”國家特聘專家，上海交通大學材料科學與工程學院教授韓禮元受邀與化學與環境工程學院教師進行學術交流。下午，韓禮元教授在圖書館報告廳為化環學院師生做了一場主題為“新一代太陽能電池：從染料敏化型到鈣鈦礦型”的學術講座，介紹了太陽能電池在國內外的最新進展和未來的發展動向。

韓禮元教授曾在日本夏普公司從事染料敏化太陽能電池的研究工作，自2006年開始一直保持該領域世界最高光電轉換效率記錄，并于2011年6月，其領導的團隊再次創造染料敏化太陽能電池單片電池公認最高光電轉換效率11．4％的世界紀錄。韓禮元教授自2008年6月開始，任職于日本國立物質材料研究所，并擔任光伏材料研究中心主任，其后在上海交通大學材料科學與工程學院及金屬基復合材料國家重點實驗室任職教授。截至目前，韓禮元教授已在國際期刊上發表了近80篇學術論文，申請了90多項日本專利和40多項國際專利（美國、歐洲、中國、澳大利亞），在提高太陽能電池的轉換效率和模塊技術創新上有很高的造詣。

來源：東莞理工學院化學與環境工程學院 2015-03-25

“**計劃”韓禮元教授訪問我校

10月14日，應我校化學與分子工程學院院長田禾院士的邀請，“**計劃”國家特聘專家、上海交通大學大學韓禮元教授來我校進行學術訪問。

韓禮元教授首先參觀了我校“結構可控先進功能材料及其制備”教育部重點實驗室，田禾院士對實驗室的建設及發展情況作了詳細介紹。參觀結束后，韓禮元教授做客我校第101期名師講壇，為廣大師生作了題為“通過界面排列的高性能染料敏化太陽能電池”的學術報告。田禾院士主持學術報告會，朱為宏、花建麗、王巧純、程毅等教授參加了學術報告會。

田禾院士介紹重點實驗室

韓禮元教授學術報告

韓禮元在報告中指出：染料敏化太陽能電池因其具有制作工藝簡單、成本低、穩定性好、理論效率高、制作和使用過程環境友好等特點，而成為新型太陽能電池研究的一個熱點。它主要由二氧化鈦光陽極、染料、電解質以及對電極構成，作為光伏轉換器件，提高效率非常關鍵。報告還探討了提高染料敏化太陽能電池轉換效率的方法。報告后，韓禮元教授與重點實驗室師生展開了討論與交流。

相關鏈接：

韓禮元，1956年生，上海交通大學材料科學與工程學院教授，博士生導師，“**計劃”國家特聘專家。1988年畢業于日本大阪府立大學應用化學專業。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，主要負責染料敏化太陽能電池的研究開發。在提高太陽能電池的轉換效率和模塊技術創新上有很高的造詣。深入、系統地研究了染料敏化太陽能電池的電子傳運機理，率先提出了電池的等效回路模型，為系統地提高轉換效率和長期穩定性做出了貢獻。其科研團隊成功地提高了電池的光電流和降低了電池的內電阻，創造了單片電池最高光電轉換效率的世界紀錄。該成果于2006年在日本物理學會雜志(Japanese Journal of Applied Physics Express Letter)上刊登。基于韓禮元教授卓越的研究成果，2008年韓禮元教授被聘請到日本物材研究機構，擔任下一代太陽能電池中心主任，負責5個研究方向(染料敏化，有機薄膜，量子點，薄膜硅，化合物太陽能電池)，領導40名研究者。2011年6月, 科研團隊再次創造染料敏化太陽能電池單片電池公認最高光電轉換效率的世界紀錄11.4%。此外，韓禮元教授還對在氧化鈦上的染料吸附狀態、從染料到氧化鈦的電子轉移等基礎研究，以及在新染料的開發上做出了很多貢獻。同時在有機薄膜太陽能電池、有機半導體材料上也有著深厚的造詣。基于這些研究，韓禮元教授在國際期刊上發表了近80篇學術論文，同時本人申請了90多項日本專利和40多項國際專利(美國、歐洲、中國、澳大利亞)，在染料敏化太陽能電池領域，按發明者計算的專利申請件數也被列為世界第一(根據2005年度日本專利局調查)。

來源：華東理工大學 2013-10-16

榮譽獎勵：

1. 2011年，入選國家“**計劃”。

 

上海交大"**計劃"特聘專家韓禮元教授
在大面積高效率鈣鈦礦太陽能電池研究上獲重要進展

近日，《Science》期刊（影響因子33.6）在線發表了韓禮元教授帶領其研究團隊及合作者在鈣鈦礦太陽能電池研究領域取得的重大突破（Science, 2015, DOI: 10.1126/science.aad1015）。這一研究也為該型太陽能電池的產業化未來提供了關鍵科學技術，這一突破性成果一經發表即受到學術和產業界的廣泛關注。

韓禮元教授。圖片來源：ecust.edu.cn

該研究發現并制備出了適合于鈣鈦礦太陽能電池的穩定、高導電性的重摻雜型電荷傳輸層材料，并探索出了其最優化制備條件，實現了高效率的光生電荷的抽取和分離，同時在大面積范圍內成功抑制了薄膜缺陷，消除了鈣鈦礦太陽能電池常見的遲滯效應。該研究在將電池工作面積提高約10倍的條件下，依然獲得能量轉化效率為15%的穩定輸出，這也使鈣鈦礦太陽能電池性能指標首次可以與其他類型太陽能電池在同一標準下進行比較。該結果得到國際權威機構AIST的認證，并被收錄于2015年第46期《Solar cell efficiency tables》，填補了國際上長期以來該領域的研究空白。

自2009年以來，有機-無機雜化鈣鈦礦新型太陽能電池吸引了人們廣泛關注，在眾多類型太陽能電池中異軍突起，在2013年曾被《Science》期刊評為10大科學突破之一。隨著相關研究的進一步發展和成熟，鈣鈦礦太陽電池有望獲得25%以上的能量轉化效率，由于同時具有低成本制備的特點，所以在清潔能源開發以替代日益枯竭的化石能源方面有著廣泛的應用前景。然而，雖然電池效率快速攀升，但是在薄膜制備、界面缺陷控制等方面上仍存在相當的困難和復雜性，之前高效率結果大都是在小面積電池器件上獲得的，器件遲滯效應明顯且穩定性不足，這些結果都限制了其進一步大規模工業化生產。因此，如何實現大面積高效率高穩定性電池，成為當前國際鈣鈦礦太陽能電池研究領域的前沿焦點問題。

在太陽能電池中，高效率的光生電荷分離和傳輸對電池整體性能的提高至關重要。該研究通過對無機電荷傳輸層實現重摻雜，在調控能帶結構以有利于電荷載流子分離的同時，顯著提高了電子和空穴傳輸效率，并且成功抑制厚度僅為10-20nm的電荷傳輸層中的電荷復合。重摻雜無機電荷傳輸層具有較好的化學穩定性，可以保護鈣鈦礦層從而提高了整體器件的穩定性，保證了電池器件順利通過國際權威機構在嚴格測試條件下進行認證過程中的考驗。

圖片來源：Science, 2015, DOI: 10.1126/science.aad1015

韓禮元教授是上海交通大學材料科學與工程學院“**計劃”特聘專家，領導著一支研發新型太陽能電池的研究團隊，同時他還領導著日本物質材料研究機構（NIMS）光伏材料中心的研究團隊。

韓禮元教授在實驗室指導工作。圖片來源：上海交通大學

在韓禮元教授的統一領導下，日方和上海交通大學材料科學與工程學院研究團隊以及其他合作者攜手，歷時兩年共同完成了上述工作。本研究得益于韓禮元教授長期從事鈣鈦礦以及染料敏化太陽電池的研究基礎以及在他強有力的帶領下研究團隊成員們的研究熱情與努力，包括以往在新材料開發、工作機理研究、穩定性提高以及高效率器件制備和應用上取得的一系列重大進展，相關工作曾多次打破新型太陽能電池的世界認證記錄，其研究結果發表在《Energy & Environmental Science》、《Advanced Materials》、《Chemsuschem》等國際著名學術期刊上。本研究還得到了華中科技大學和瑞士聯邦理工學院的合作與支持。

來源：X-MOL 2015-11-02 

 

韓禮元：巧用光能的現代夸父　　
 

從孩提時代起，我們就對“夸父逐日”的故事耳熟能詳——為了讓大地永遠充滿光明，夸父向著西斜的太陽緊追不舍……

這就是光的能量所帶來的“引力”。

那么，你知道太陽每年可以為地球提供多少能量嗎？你又知道地球上的人類一年工業生產和人們的生活活動一共需要多少能量嗎？

太陽能在我們三分之二的國土上, 年輻射量超過60萬焦耳/cm2, 每年地表吸收的太陽能大約相當于1.7萬億噸標準煤的能量。中國煤炭的總儲量為約6000億噸，換句話說，每年地表吸收的太陽能相當于2.8倍中國的煤炭總儲量。

太陽每年通過大氣向地球輸送的能量高達3×1024焦耳，這種免費潔凈的能源是地球生命和人類生存發展的可靠保證。據統計，地球上人類一年的能源總需求達到約5×1020焦耳，也就是說，如果我們可以收集其中的萬分之一到萬分之二就足夠全世界人類的需求了。

在提高太陽能電池的轉換效率和模塊技術創新上具有很高造詣、被日本媒體譽為“下一代新型太陽能電池第一人”的韓禮元教授告訴我們，僅僅需要將地球上0.2％的面積覆蓋上太陽能電池（假設光電能量轉化效率10％），也就是說，相當于中國戈壁灘沙漠或者整個日本國土那么大的面積，就可以收集到足夠的能量來滿足地球居民全部使用需求！

夸父逐日的故事已經過去了幾千年，但是直到今天，太陽所散發出的高能量，依然激勵著無數科學家不屈不撓地向著滿足人類利用太陽能的目標進發。

其中，開發出高效、價廉、實用的太陽能電池，并使之普及應用，造福人類，更是成為幾代科研工作者的夢想。韓禮元教授所致力研制的染料敏化型太陽能電池，就是這樣一種新型太陽能電池。

染料敏化太陽能電池——未來陽光燦爛

能源問題已經日益成為全球社會經濟發展的制約，二十多年研制染料敏化型太陽能電池的經驗，使韓禮元對實行“陽光計劃”、開發太陽能資源充滿期待和信心，這也是越來越多的國家尋求經濟發展的新動力。

他告訴我們，太陽能發電具有安全可靠、無噪聲、無污染、不消耗原材料、不必架設高壓輸電線路、建站周期短、規模可大可小、可以無人值守等一系列優點。特別對于偏遠地區的居民供電，或者野外科考、野外作業、軍事指揮臨時系統的穩定供電具有非常便利的優點。

太陽能高效發電技術早已列入國家中長期科學和技術發展規劃中的重點支持和優先發展的方向，成為支撐我國國民經濟可持續發展的前瞻性、戰略性新能源技術。尤其隨著人類對能源的需求量，特別是城市對能源的需求量日益增加，太陽電池的使用更顯得勢在必行。

目前，進入應用領域的太陽電池主要以硅基電池為主，已歷經半個多世紀的發展。在將來進一步更大規模的應用中，硅太陽能電池仍受到諸多限制。因為生產工藝苛刻，在生產過程中會產生污染物等原因，盡管成本降低至3-5元/峰瓦，但是仍然遠高于火電和水電的成本，離開政府的支持和補貼，難以大規模普及到農村及城市居民中。

因此，開發低成本和對環境友好的太陽能電池迫在眉睫。

隨著納米材料科學的迅速發展，納米薄膜太陽能電池日益受到研究者青睞，特別是基于納米晶多孔膜的染料敏化太陽能電池。

染料敏化太陽能電池，它模擬自然界中的光合作用原理，采用吸附染料的納米多孔二氧化鈦半導體膜作為光陽極，鍍碳或鍍鉑的導電玻璃作為光陰極，電極間選用適當的氧化-還原電解質。只要太陽光一照到電池上，它就會源源不斷地開始發電了。

從1996年至今，將近二十年的光陰歲月，染料敏化太陽能電池猶如精心呵護下長大成人的孩子，韓禮元教授對它的優點如數家珍：成本低廉，制作工藝簡單，環境友好而且能高度響應低水平的照射條件，擁有潛在的高光電轉換效率，極有可能取代傳統硅系太陽電池，成為未來太陽電池的主導，緩解能源危機問題。

染料與電池的結合——一條破釜沉舟之路

韓禮元教授是學染料出身，也許這早已注定了他與染料敏化太陽能的不解之緣。

上世紀70年代，在那個“白卷英雄”的時代，中學畢業的韓禮元即進入農場工作，然而，將近四年的電工生涯使他意識到知識的重要性。恢復高考第二年，韓禮元一舉考取華東紡織工學院（今東華大學），進入染色專業學習。1982年，大學畢業后不久，他又以優異的成績考取了國內第一屆公派留學，前往日本京都工藝纖維大學攻讀碩士研究生，進一步深入學習染料專業。此時的韓禮元在染料世界里盡情暢游，如海綿般汲取染料領域的各種知識，在一次偶然的機會中，他與同事發現合成的染料導電性非常好。當時，超電導是非常熱門的研究領域，京都工藝纖維大學電子系的一名導師看中了韓禮元的勤奮好學與專業方面的才氣，將他借調到自己的專業研修，從事電子材料領域的研究。這次借調使韓禮元發現了自己在染料專業以外的興趣所在：“也許是有以前的電工工作背景，我非常喜歡電子材料這樣的專業。”

擁有橫跨兩個專業的背景，1993年，韓禮元進入日本夏普工作之后，順理成章地成為有機感光材料領域的一名研究人員。作為感光材料的業界翹楚，公司要求韓禮元在材料領域做出開發和創新。

根據當時的文獻資料，韓禮元查到1991年瑞士洛桑高等工業學院Michael教授領導的研究小組將納晶多孔薄膜引入了染料敏化太陽能電池。“我當時想，我喜歡做電子材料和有關的器件，又懂染料，選擇研究染料敏化太陽能電池是最合適不過了。”韓禮元這樣描述自己當時選擇染料敏化太陽能電池道路的心里的想法，“事后證明我的想法有些幼稚”，談及此，他不禁大笑起來。盡管染料敏化太陽能電池并非韓禮元當初設想的那樣是染料與電子材料的組合，但他的這一建議在當時卻極具創新意識，得到了夏普公司的采納和首肯。

1996年，韓禮元正式著手染料敏化太陽能電池的研究工作。但這個選擇并不為業內同行所看好，因為相對于其他材料電池，太陽能在當時并非十分引人注目的領域。作為爭取利益最大化的私人公司，夏普公司盡管同意韓禮元進行染料敏化太陽能電池，但面對前有技術已經相對成熟的硅基太陽能電池，后有要求投入與產出效益的公司利益，夏普公司仍持謹慎態度，在前期的投入非常少。

這就造成了韓禮元教授當時的困境，前期投入與獲得成果，先有雞，還是先有蛋？

僅僅用了半年多的時間，在人力財力都十分欠缺的條件下，韓禮元教授就將染料敏化太陽能電池做到了3%的效率。

英雄，往往是先他人行一步的首位“吃螃蟹者”，因此在選擇之初也會承受更多的困難和打擊。回憶起當時的情形，韓禮元教授沒有過多描述自己面臨的困境，只是說：“正因為是自己心甘情愿做出的選擇，而非他人命令，所以即使是最困難的階段，我也不曾萌生過退意，正所謂‘破釜沉舟’吧。”

世界紀錄與“韓家族”的誕生

韓禮元教授領導的研究團隊制作的染料敏化太陽能電池，其能量轉化效率已經超過了11%。

近10年的努力，濃縮成這樣短短的一句話；從3%到11%，呈現在人們面前只是這樣簡單的數字。

背后的付出，又有幾人知？

染料敏化太陽能電池的工作原理，是染料吸收光子后發生電子躍遷，光生電子快速注入到光陽極半導體的導帶并經過收集進入外電路而流向光陰極。失去電子的染料分子成為正離子，被還原態的電解質還原再生。還原態的電解質本身被氧化，擴散到光陰極，與外電路流入的電子復合，這樣就完成了一個循環。在染料敏化太陽能電池中，光能被直接轉換成了電能。

在3%的轉化效率基礎上，韓禮元教授深入、系統地研究了染料敏化太陽能電池的電子傳運機理。他從技術已經成熟的硅基太陽能入手，借鑒等效回路方法，率先提出了染料敏化太陽能電池的等效回路模型，為系統地提高轉換效率和長期穩定性奠定了基礎。

他所領導的團隊，在等效回路模型的基礎上，成功地提高了電池的光電流和降低了電池的內電阻，創造了單片電池最高光電轉換效率的世界紀錄。

這一成果于2006年在日本物理學會雜志(Japanese Journal of Applied Physics Express Letter)上刊登，7年來被引用了1100次以上。“我的成果對其他科研工作者有幫助，為大家提供了一個很方便的工具。”這一打破世界紀錄的成果，韓禮元教授只是把它描述成“一個很方便的工具”，欣慰的語言中透出學者的謙虛。

2009年，日本《中文導報》專門以“日本最尖端研究領域的帶頭人”為題進行報道，將韓禮元稱為“下一代太陽電池的色素敏化型電池的第一人”。報道中還寫道：太陽光能源轉換為電力的效率達到11.1%，創世界紀錄。

2011年6月, 韓禮元領導的團隊再一次創造世界紀錄：染料敏化太陽能電池單片電池光電轉換效率達到11.4%，是當時公認最高的光電轉換效率。

除此之外，韓禮元教授還對在氧化鈦上的染料吸附狀態、從染料到氧化鈦的電子轉移等基礎研究，以及在新染料的開發上做出了多項貢獻；同時，在有機薄膜太陽能電池、有機半導體材料上也有著深厚的造詣；韓禮元教授還非常關注染料敏化電池在實用化方向上的研究，開發了高效率大面積電池模塊，效率達到8%以上，并多次刷新世界紀錄。

至今，他已經在國際期刊上發表了近120篇學術論文，并申請了90多項日本專利和40多項國際專利(美國、歐洲、中國、澳大利亞)。根據2005年度日本專利局調查數據，在染料敏化太陽能電池領域，韓禮元教授按發明者計算的專利申請件數也被列為世界第一。

在做出巨大成果的同時，韓禮元教授也帶出了一支精兵強將。他對學生和部下要求嚴格是出名的。“剛開始他們甚至都有點反感我這種嚴格的做法”，韓教授笑著說。他鼓勵年輕人挑戰難題，時間久了，大家都發現韓禮元教授有一個特點：支持學生按照自己的觀點去嘗試，無論事先辯論得多么面紅耳赤，只要是正確和合理的，都會得到韓教授的認可。“后來我發現，他們誰都不肯輸給我了。”

他說：“大學里主要是建立適合自己的學習方法，學會自我學習，才能不斷成長。”作為導師，他認為不應當滿足于讓學生幫助老師做課題，而要推動學生有自己的想法，培養學生對新事物的高敏感度和創新精神，不盲從，不守舊。尚顯稚嫩時出手幫扶，羽翅漸豐后及時放手，是韓禮元教授育人的原則。同時，也要讓團隊內的成員互相配合，及時發現學生的特點，取其長而舍其短，做到人盡其才。

韓禮元教授有句名言：“學生不超過老師，老師就是失敗的。”正所謂嚴師出高徒，韓禮元教授曾經的學生和部下如今也紛紛成為業內骨干，有些甚至由于與韓禮元教授分屬不同機構而成為“競爭對手”。曾有同行開玩笑：以后染料敏化太陽能電池領域的競爭都是在“韓家族”內部產生。對此，韓教授平靜的話語下掩蓋不住內心的欣慰，青出于藍而勝于藍，想來這是每一位為人師者最值得驕傲的時刻吧。　　

冬天來了　春天還會遠嗎

染料敏化太陽能電池具有許多硅基太陽能電池所不能應用的領域，例如大型玻璃幕墻，小型家用充電器等。因此，對于納米薄膜太陽電池尤其是染料敏化太陽電池，研發產業化關鍵技術具有重要意義。

現階段，韓禮元教授的研究方向主要集中在染料敏化太陽能電池基礎研究，有機薄膜太陽能電池和量子點太陽能電池。

盡管取得了舉世矚目的成就，但韓教授對整個行業有著非常清醒和理性的定位：太陽能電池行業尚處于冬天階段，這也是我們的積累階段，儲備知識和技術，以迎接即將到來的春天。幸運的是，染料敏化太陽能電池正得到國家的大力支持，韓禮元教授期望經過行業內洗牌，逐漸趨于正規之后，太陽能電池可以再次浮出水面，得到關注并創造價值。

他坦言，與硅基太陽能電池相比，盡管染料敏化太陽能電池具有發電成本低、環境友好、光入射角度依賴性低等優點，但是也有能量轉化效率相對偏低的弱點，而且未來想提高其效率尚有一定難度。正因為存在這樣的難題，才更需要研究，更需要年輕人去挑戰。

韓禮元教授認為，我國目前在染料敏化太陽能領域的基礎工藝和研發水平與國外尚存在一定差距，但是也存在有利條件：國內市場競爭者眾多，有利于國內的公司在技術上得到提高，通過競爭達到質量、性能、價格等各方面的提升。

染料敏化太陽能領域仿佛蹣跚學步的幼兒，眼下仍需要依賴于國家相關政策的幫扶，尚未達到自己站立。未來，韓禮元教授期望它能夠成長為獨立生存的產業，展現出太陽能的優勢，這也是需要技術人員、市場以及國家相關部門等業內人士共同研究和探討的課題。

目前，除了科研以外，韓禮元教授也在為染料敏化太陽能相關產品的開發而奔忙和努力。

從經濟角度來講，若實現批量生產，染料敏化太陽能電池的發電成本會接近現有電力價格，而普通的硅電池成本則高出2-3倍，因而染料敏化太陽能電池非常適合批量生產，滿足城市居民以及廣大農村的需要，特別是對我國近7000萬邊遠地區人口的用電具有實際的意義。

戰略角度來講，我國是一個能源的消耗大國，特別是電力的短缺嚴重影響我國的經濟持續穩定發展。但是無論是核電還是火電,所需要的燃料都是非常有限的，發電的同時也給環境造成了嚴重的污染。因此，我國尤其應當注重太陽能這種可再生綠色能源的開發與利用，為經濟、環境、社會的協調發展奠定良好的基礎。

從實用性角度來講，從染料敏化太陽能電池的結構可以看出，電池是由透明導電玻璃及有一定顏色的染料和電解質構成，且帶一定顏色，所以可以通過適當選擇染料和電解質的顏色及TiO2膜的厚度來控制整個電池的透光率，這樣可以把電池用作窗戶玻璃，即透光又可當電池用。

希望十年后當你搬入新家，看到帶有裝飾色彩的窗玻璃時，別忘了它正在靜靜為你發電，幫你大量節省著電費的開支。

資料鏈接

染料敏化太陽能電池小知識

染料敏化太陽能電池的研究歷史可以追溯到19世紀早期的照相術。

1837年，Daguerre制出了世界上第一張照片。兩年后，Fox Talbot將鹵化銀用于照片制作，但是由于鹵化銀的禁帶寬度較大，無法響應長波可見光，所以相片質量并沒有得到很大的提高。

1883年，德國光電化學專家Vogel發現有機染料能使鹵化銀乳狀液對更長的波長敏感，這是對染料敏化效應的最早報道。

1887年，Moser將這種染料敏化效應用到鹵化銀電極上，從而將染料敏化的概念從照相術領域延伸到光電化學領域。

1964年，Namba和Hishiki發現同一種染料對照相術和光電化學都很有效。

直到20世紀60年代，德國的Tributsch發現了染料吸附在半導體上并在一定條件下產生電流的機理，才使人們認識到光照下電子從染料的基態躍遷到激發態后繼而注入半導體的導帶的光電子轉移是造成上述現象的根本原因。這為光電化學電池的研究奠定了基礎。

但是由于當時的光電化學電池采用的是致密半導體膜，染料只能在膜的表面單層吸附，而單層染料只能吸收很少的太陽光，多層染料又阻礙了電子的傳輸，因此光電轉換效率很低，達不到應用水平。

后來人們制備了分散的顆粒或表面積很大的電極來增加染料的吸附量，但一直沒有取得非常理想的效果。

1988年，Gr?tzel小組用基于Ru的染料敏化粗糙因子為200的多晶二氧化鈦薄膜，用Br2/Br-氧化還原電對制備了太陽能電池，在單色光下取得了12 %的轉化效率，這在當時是最好的結果了。

直到1991年，Gr?tzel在O’Regan的啟發下，應用了O’Regan制備的比表面積很大的納米TiO2顆粒，使電池的效率一舉達到7.1%，取得了染料敏化太陽能電池領域的重大突破。應當說，納米技術促進了染料敏化太陽能電池的發展。

來源:科學中國人 2014年第1期