2013年08月08日10:12
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瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）教授邁克爾·格蘭澤爾(Michael Gratzel)的研究小組，以及英國牛津大學(xué)（Universityof Oxford）和日本桐蔭橫濱大學(xué)的研究小組，分別獨立開發(fā)出了轉(zhuǎn)換效率超過15％的固體型染料敏化太陽能電池（DSSC）。約在半年左右的時間內(nèi)就將轉(zhuǎn)換效率提高了約4個百分點，大大超過了其他有機類太陽能電池（圖1）。
手捧染料敏化太陽能電池的邁克爾·格蘭澤爾(Michael Gratzel)
這種DSSC采用鈣鈦礦相的有機無機混合結(jié)晶材料CH3NH3PbI3作為染料敏化材料，并用由有機材料構(gòu)成的空穴輸送材料（HTM）取代了電解液（圖2）。洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院開發(fā)的DSSC由玻璃、FTO、TiO2、CH3NH3PbI3、HTM及Au等構(gòu)成。而牛津大學(xué)等開發(fā)的DSSC還與TiO2一同采用了鋁材（Al2O3）。作為采用有機材料和無機材料制造的太陽能電池，兩者首次實現(xiàn)了可與結(jié)晶硅型太陽能電池相匹敵的轉(zhuǎn)換效率。
采用固體電解質(zhì)大幅提高轉(zhuǎn)換效率
這種結(jié)構(gòu)的DSSC的前身是日本桐蔭橫濱大學(xué)教授宮坂力的研究小組于2009年4月提出的太陽能電池。當(dāng)時，很多人嘗試采用無機半導(dǎo)體微�！孔狱c作為敏化材料，制造“量子點增感型太陽能電池”。宮坂指出“量子點效率低，并且存在電流反向流動等許多課題”。因此，將目光轉(zhuǎn)向了CH3NH3PbI3。
CH3NH3PbI3不僅能高效吸收從可見光到波長800nm的廣譜光，還具有能在TiO2等多孔質(zhì)材料上直接化學(xué)合成的特點。非常適合涂布工藝。
不過，宮坂等人在2009年試制時，采用了傳統(tǒng)的DSSC電解液，轉(zhuǎn)換效率只有3.8％。之后，2012年來到宮坂研究室的牛津大學(xué)研究人員，用一般用作固體型DSSC的HTM的“螺二芴化合物”取代了電解液，結(jié)果轉(zhuǎn)換效率首次突破10％，達到了10.9％。后來，隨著工藝不斷優(yōu)化，轉(zhuǎn)換效率僅約半年時間就猛增至15.36％。
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圖1：遠遠超越其他太陽能電池 此次鈣鈦礦相染料敏化太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率的增幅與其他有機太陽能電池相比較。 |
將來轉(zhuǎn)換效率還可能達到21％
雖然此次的技術(shù)以DSSC為基礎(chǔ)，但宮坂稱“也有人指出這已不是DSSC”。因為從材料、元件構(gòu)成及發(fā)電原理來看，其擁有很多跟有機薄膜太陽能電池和無機化合物CIGS（CuInGaSe）類太陽能電池相似的特點（圖3）。
正因為相似，如果不超越原來的太陽能電池，其混合材料意義就不大，而新太陽能電池在轉(zhuǎn)換效率方面已經(jīng)超越了原來的DSSC和有機薄膜太陽能電池。并且，據(jù)稱今后還有可能超越CIGS類太陽能電池。
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圖2：利用光吸收率高的材料實現(xiàn) 圖中所示為此次的鈣鈦礦相類染料敏化太陽能電池的結(jié)構(gòu)和材料。作為敏化材料采用了鈣鈦礦相的有機無機鉛鹵化物CH3NH3PbI3，并用有機材料與鈷（Co）的絡(luò)合物取代了原來的電解液。 |
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圖3：與有機薄膜太陽能電池不斷重疊 染料敏化太陽能電池與有機薄膜太陽能電池及此次的鈣鈦礦相染料敏化太陽能電池的關(guān)系。 |
CIGS類太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率目前最高為20.4％，宮坂表示“此次的太陽能電池采用現(xiàn)在的材料和技術(shù)，轉(zhuǎn)換效率能達到17％。將來，還能夠達到21％”。另外，新太陽能電池跟CIGS類太陽能電池不同，不使用銦（In）及鎵（Ga）等重金屬和稀有金屬，能以成本非常低的材料制造。并且，一開始就是采用涂布工藝開發(fā)的，這也是一大優(yōu)勢。
另一方面，新太陽能電池還存在兩大課題。一是現(xiàn)在的有機無機混合材料雖然成本低，但含有對人體有害的鉛（Pb）。最近，已開始嘗試用錫（Sn）和銅（Cu）代替鉛。
另一個課題是元件特性差異太大。宮坂說“有的試制品轉(zhuǎn)換效率高達約11％，有的試制品只能達到5％”。但據(jù)稱這今后通過優(yōu)化制造工藝能夠解決。實際上，格蘭澤爾等人的研究小組通過采用分兩個階段涂布形成CH3NH3PbI3的工藝，不僅實現(xiàn)了高轉(zhuǎn)換效率，還大幅改善了特性差異。（日經(jīng)能源環(huán)境網(wǎng) 供稿）
