太阳能电池的制造的新材料

1、TLMXHXDm太阳能电池的制造的新材料一钙钛矿在太阳能电池的世界里面如今出现啦一个新竞争者一钙钛矿的复杂品体制 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

2、，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

3、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 制成了薄膜品体管和发光二极管。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

4、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

5、解钙钛矿，以致电池失效。步。2012之后，Gratzel与韩国成均馆大学的Nam-Gyu Park合作迈出了下年，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YLMXNxomTLMXHXDm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品度。这是神化 镓和品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

6、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

7、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0.7eV0.8eV。 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

8、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。”Cahe