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小电池指引光伏产业新方向

攻克钙钛矿技术瓶颈成市场化当务之急

2013年11月21日08:51    来源:科学网    手机看新闻
原标题:小电池指引光伏产业新方向

在不同类型的太阳能电池里,有一种产品脱颖而出。数十年里,几乎所有的太阳能技术,例如晶体硅晶片和碲化镉薄膜都有一个缓慢稳定的发展过程,同时也有技术能将太阳光线的14%能量转换为电力。但如今一个新竞争者脱颖而出:由名为钙钛矿的复杂晶体制成的太阳能电池。 

2009年,这种电池悄然到来,当时其有效转换率为3.8%——这是一个乏味的结果,因为当时的顶级硅光电池在实验室中的转换率能达到25%。但是,到2011年年底,新电池的有效率翻了一番达到6.5%,去年攀升到10%,2013年,有效率为15%。“这让人惊讶。”以色列魏茨曼科学研究学院材料学家David Cahen说,“在太阳能电池里,我们从未看到这样的结果。”

这种电池的发展趋势越来越好。钙钛矿是由现成材料制成的,不像某些种类的太阳能电池,它们廉价而容易产生。专家认为,这种电池还有许多改进空间,明年效率能达到20%。钙钛矿太阳能电池还有潜力与硅电池板相结合,制造出效率达30%甚至更高的串联电池。 

“它在发展。”美国斯坦福大学材料学家Michael McGehee说。“它非常具有竞争性。”瑞士联邦理工学院化学家Michael Gratzel说。“战役在继续。它的发展非常迅速,我没有时间睡觉了。”美国加州大学洛杉矶分校太阳能电池专家Yang Yang说。 

正确方向

钙钛矿在1个多世纪前就摆在了太阳能电池制造者面前。1839年,一位俄罗斯矿物学家首次发现了这种矿物质的自然状态。目前,已知有数百种此类矿物质,太阳能电池钙钛矿属于半导体,其他家族成员从导体到绝缘体范围极为广泛,最著名的是高温氧化铜超导体。 

上世纪90年代,IBM华生研究中心物理学家David Mitzi使用钙钛矿半导体制成了薄膜晶体管和发光二极管。这些装置能够工作。尽管许多发光材料也能制成良好的吸光器,但Mitzi发现钙钛矿太不稳定而无法制作太阳能电池——材料必须能够持续数十年才有商业价值。 

几乎在10年之后,Tsutomu Miyasaka朝着解决问题的方向迈出了第一步。日本桐荫横滨大学化学家Miyasaka及同事致力于研究染色敏化太阳能电池(DSSCs)。与传统的硅太阳能电池不同,DSSCs包含有机吸光染料混合物,这些混合物为二氧化钛(TiO2)等微小颗粒添加涂层,这些颗粒被电解液包围。 

在标准DSSCs里,当染色分子吸引光子时,光能够提高染色剂中电子的能量,使其跳到二氧化钛微粒上。在那里,它会从微粒跳到微粒,直至到达电极,然后被收集起来,送入电路中。同时,其他电子从电解质跳到染色剂,并使其恢复到初始状态。 

Gratzel表示,这里就有个麻烦。1991年Gratzel研究小组发明了DSSCs,但其染色剂不能吸收所有的光,因此降低了电池的能效。为了做得更好,Miyasaka将注意力转向钙钛矿。他的研究小组花费了两年时间,寻找能使这种物质变稳定的秘方。他们使用了一层薄薄的吸光钙钛矿层,能效达3.8%。但不幸的是,这种电池也包含液体电解质,会在几分钟内溶解钙钛矿,以致电池失效。 

之后,Gratzel与韩国成均馆大学的Nam-Gyu Park合作迈出了下一步。2012年,他们宣布使用固体取代了原来的液体,能效接近10%。现在,事情开始变得有趣。 

越来越好

当其他技术还在为突破12%竞争时,钙钛矿太阳能电池为何能遥遥领先?Cahen表示,正确答案的一部分是,钙钛矿有近乎完美的结晶度。这是砷化镓和晶体硅等顶级太阳能电池材料共有的特征。 

在第二类电池材料中,这种晶体排列充斥着许多瑕疵。当电荷快速通过晶体陷入瑕疵时,它们通常会放弃额外的能量。制造无瑕疵的晶体通常需要超高的温度,或价值数百万美元的设备。但是钙钛矿能在80摄氏度下被制成,并能从溶液中简单沉淀析出近乎完美的形式。“有一点美梦成真的感觉。”Cahen说。 

今年10月,英国牛津大学Henry Snaith研究小组和Gratzel小组等宣布,他们获得了更完美的结果:钙钛矿能允许电荷在材料里穿行很长的距离。这种被称为载流子扩散长度的性能对所有太阳能电池都非常重要。它用于衡量一个电子在遇到带正电荷的电子空位或坑洞并掉入之前能走多远。在这个过程中,电子会放弃从阳光的光子获得的多余能量,产生热能而非电力。

有机太阳能电池的扩散长度大约为10纳米。相比之下,钙钛矿的扩散长度是前者的100倍。“结果是,你能收集通行了更长距离的电荷。”Gratzel说。 

钙钛矿还有另一个价值很高的特性:产生电压的效率。例如,在晶体硅太阳能电池中,需要从光子获得至少1.1电子伏(eV)的能量,从而将一个电子反冲出硅原子的束缚,成为自由电子。然后,电子到达电极,再进入电路,它们的电压会降至0.7eV,仅丧失了0.4eV——这也是硅在商业上取得成功的部分原因。 

对于传统的DSSCs和有机太阳能电池而言,这些损耗约为0.7eV~0.8eV。但是,钙钛矿的损耗仅有0.4eV,与商业利益相匹配。“钙钛矿的这些优点非常好。”Yang说,“这就是我们想要的。”Yang小组在过去10年里花费大量时间研究有机太阳能电池,将其效能提高到接近11%。但是,之后他们开始研究钙钛矿,“我们在5个月里使其能效达到13%。”Yang说。 

另外,钙钛矿在吸收蓝色和绿色光子方面比硅更好。钙钛矿的生成温度比玻璃的熔点低,工程师能够将它们直接铺在硅电池玻璃涂层的顶端。McGehee表示,这一策略可能制造廉价串联电池,但是没有人这样做过。 

遭遇障碍

太阳能电池企业需要新的活力。近年来,太阳能电池价格下降,经过残酷的商业淘沙,大量相关企业纷纷破产。Gratzel指出,风险投资公司以及科学基金机构,对支持有机太阳能光伏电板和DSSCs等进展缓慢研究的热情逐渐冷却。他补充道:“相关企业的情绪非常低落”。因此钙钛矿来得正是时候,“我们需要激励”。 

即便如此,在钙钛矿太阳能电池为进入市场作好准备前还有很长的路要走。首先,Cahen说,目前实验室里制造的大部分电池是微小的,仅几厘米大。相比之下,硅电池板直径能达数米。“很难生产较大的钙钛矿连续膜。”Cahen说。而且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,会与其发生化学反应进而破坏晶体结构,并产生水蒸气,溶解盐状的钙钛矿。更糟的是,目前最好的钙钛矿中的铅可能会滤出,污染屋顶和土壤。 

“这里也存在许多困难。”Cahen说,“此时,我是一个乐观主义者,并且是材料研究的信徒。”有关钙钛矿的诸多挑战需要解决,“该领域在未来几年中将非常活跃”。Gratzel说。全球太阳能电池市场价值每年将达到近500亿美元,研究人员有动力推进该领域的发展。

(责编:实习生 杜煜天、马丽)

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