小电池指引光伏产业新方向

新的光电材料已经在实验室创造了奇迹，但是它们能商业化吗？

资料来源:DOUGLAS FRY

在不同类型的太阳能电池中，有一种产品脱颖而出。在过去的几十年里，几乎所有的太阳能技术，如晶体硅晶片和碲化镉薄膜，都经历了缓慢而稳定的发展过程。与此同时，也有技术可以将14%的太阳能转化为电能。但是现在一个新的竞争对手脱颖而出:由复杂晶*成的太阳能电池，叫做钙钛矿。

2009年，电池悄然问世，有效转换率为3.8%，这是一个乏味的结果，因为当时实验室中*硅光电池的转换率可能达到25%。然而，到2011年底，新电池的有效率翻了一番，达到6.5%，去年攀升至10%，2013年达到15%。“这令人惊讶。”以色列魏茨曼科学研究所的材料科学家大卫·卡亨说，“我们从未在太阳能电池中看到过这样的结果。”

这种电池的发展趋势越来越好。钙钛矿是由现成的材料制成的。与某些类型的太阳能电池不同，它们便宜且易于生产。专家认为，这种电池仍有很大的改进空间，明年其效率可达20%。钙钛矿太阳能电池也有潜力与硅面板结合生产效率为30%或更高的系列电池。

“它正在发展。”斯坦福大学的材料科学家迈克尔·麦克格赫说。“竞争非常激烈。”瑞士联邦理工学院的化学家Michael Gratzel说。“战斗还在继续。它发展得非常快。我没有时间睡觉。”洛杉矶加州大学的太阳能电池专家杨扬说。

正确的方向

一个多世纪前，钙钛矿被放在太阳能电池制造商面前。1839年，一位俄罗斯矿物学家首次发现了这种矿物的自然状态。目前，已知有数百种这样的矿物。太阳能电池钙钛矿属于半导体。其他家庭成员的范围从导体到绝缘体。最著名的是高温氧化铜超导体。

20世纪90年代，国际商用机器公司沃森研究中心的物理学家大卫·米兹用钙钛矿半导*造了薄膜晶体管和发光二极管。这些设备可以工作。尽管许多发光材料也可以制成很好的光吸收剂，但米兹发现钙钛矿太不稳定，无法制成太阳能电池——这些材料必须使用几十年才能具有商业价值。

将近10年后，高桥努宫坂朝解决这个问题迈出了第一步。日本东京横滨大学的化学家宫坂和他的同事致力于染料敏化太阳能电池的研究。与传统的硅太阳能电池不同，太阳能电池含有有机吸光染料混合物，这种混合物可以给二氧化钛等被电解质包裹的微小颗粒增加涂层。

在标准染料敏化太阳能电池中，当染料分子吸引光子时，光可以增加染料中电子的能量，从而跳到二氧化钛粒子上。在那里，它从一个粒子跳到另一个粒子，直到它到达电极，然后被收集并送入电路。与此同时，其他电子从电解质跳到染料上，并使其恢复到原来的状态。

格拉茨尔说这里有个问题。1991年，格拉茨尔研究小组发明了染料敏化太阳能电池，但是它的着色剂不能吸收所有的光，因此降低了电池的能量效率。为了做得更好，宫坂把他的注意力转向钙钛矿。他的研究小组花了两年时间寻找一种稳定这种物质的秘密配方。他们使用了一层能量效率为3.8%的吸光钙钛矿。不幸的是，电池还含有液体电解质，它能在几分钟内溶解钙钛矿，导致电池失效。

自那以后，Gratzel与韩国成庆坤大学的Nam-Gyu Park合作采取了下一步行动。2012年，他们宣布用固体代替原来的液体，能效接近10%。现在，事情开始变得有趣了。

越来越好。

为什么钙钛矿太阳能电池遥遥领先，而其他技术仍在争取12%的突破？卡亨说，部分正确答案是钙钛矿具有近乎完美的结晶度。这是砷化镓和晶体硅等*太阳能电池材料的共同特征。

在第二种电池材料中，这种晶体排列充满了许多缺陷。当电荷快速穿过晶体并落入缺陷时，它们通常会释放出额外的能量。制造完美的晶体通常需要超高温，或者价值数百万美元的设备。然而，钙钛矿可以在80摄氏度下制成，并且可以以近乎完美的形式从溶液中沉淀出来。“感觉就像梦想成真。”卡亨说。

今年10月，牛津大学的亨利·斯纳斯研究小组和格拉茨研究小组宣布，他们获得了一个更完美的结果:钙钛矿可以让电荷在材料中长距离传输。这种被称为载流子扩散长度的性能对于所有太阳能电池都非常重要。它被用来测量一个电子在遇到带正电的电子空位或空穴并落入其中之前能走多远。在这个过程中，电子放弃从太阳光光子中获得的多余能量，产生热量而不是电能。

有机太阳能电池的扩散长度约为10纳米。相反，钙钛矿的扩散长度是前者的100倍。"其结果是，你可以收集长距离传输的电荷."格拉茨尔说。

钙钛矿还有另一个高价值的特点:电压产生的效率。例如，在晶体硅太阳能电池中，需要从光子中获得至少1.1电子伏特(eV)的能量，以将电子从硅原子的限制中逆转成*电子。然后电子到达电极，然后进入电路，它们的电压下降到0.7电子伏，只有0.4电子伏——丢失了——这也是硅取得商业成功的部分原因。

对于传统的太阳能电池和有机太阳能电池，这些损耗约为0.7至0.8电子伏。然而，钙钛矿的损失只有0.4电子伏，这符合商业利益。"钙钛矿的这些优点非常好."杨说:“这就是我们想要的。”在过去的10年里，杨的团队花了大量时间研究有机太阳能电池，将其效率提高到近11%。但是后来他们开始研究钙钛矿，“我们在5个月内实现了13%的能源效率。”杨说道。

此外，钙钛矿比硅更能吸收蓝色和绿色光子。钙钛矿的形成温度低于玻璃的熔点，因此工程师可以将它们直接放在硅电池的玻璃涂层上。麦克格说，这一战略可能会生产廉价系列电池，但没有人这样做。

遇到障碍

太阳能电池企业需要新的活力。近年来，太阳能电池的价格已经下降。经过残酷的商业淘沙，大量相关企业破产。Gratzel指出，风险投资公司和科学基金机构支持发展缓慢的研究，如有机太阳能光伏电池板和太阳能电池板的热情已经逐渐冷却。他补充道:“相关企业的情绪非常低落。”所以钙钛矿来得正是时候，“我们需要激励”

即便如此，钙钛矿太阳能电池要进入市场还有很长的路要走。首先，卡亨说目前实验室生产的大多数电池都很小，只有几厘米大。相比之下，硅电池板的直径可以达到几米。"生产大型钙钛矿连续薄膜是困难的."卡亨说。没有研究人员能解决耐久性问题。钙钛矿电池对氧气非常敏感，会与氧气发生反应，破坏晶体结构，产生水蒸气溶解盐钙钛矿。更糟糕的是，最好的钙钛矿中的铅可能会过滤掉，污染屋顶和土壤。

“这里也有许多困难。”卡亨说，“此时，我是一个乐观主义者，也是材料研究的信徒。”许多关于钙钛矿的挑战需要解决，“这一领域在未来几年将非常活跃”。格拉茨尔说。全球太阳能电池的市场价值每年将达到近500亿美元。研究人员有动机推动这一领域的发展。(唐峰)

《中国科学新闻》(第三版国际，2013年11月20日)