利用鈣鈦礦開發(fā)太陽能
——低成本、高效率使新型太陽能電池成為焦點

譯海擷英

利用鈣鈦礦開發(fā)太陽能
——低成本、高效率使新型太陽能電池成為焦點

通常，一項好的研究課題都會引起一系列變革。以碳材料為例，1990年巴克球和碳納米管被發(fā)現(xiàn)后該領(lǐng)域的核心被重新認定，2004年石墨烯被發(fā)現(xiàn)并風(fēng)靡全球，碳材料領(lǐng)域新的變革再次發(fā)生。現(xiàn)在，變革正發(fā)生在太陽能電池領(lǐng)域。

“看起來我們都已被鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的缺陷咬傷。”領(lǐng)導(dǎo)牛津大學(xué)光伏和光電設(shè)備研究小組的物理學(xué)家Henry J.Snaith在考慮光伏領(lǐng)域當(dāng)前的流行話題時表示。

光伏器件直接將太陽能轉(zhuǎn)換為電能并不是新聞，被稱為太陽能電池的各種類型的能量轉(zhuǎn)換器已經(jīng)存在了幾十年。Snaith指出，鈣鈦礦太陽能電池在過去的一年半內(nèi)被強烈關(guān)注并研究。在此期間，眾多研究人員被鈣鈦礦結(jié)構(gòu)太陽能電池的高性能且廉價所吸引，紛紛展開研究并很快提高了能效。現(xiàn)在，他們正通過調(diào)整化學(xué)成分、改進制備方法、提高材料穩(wěn)定性、弄清楚此類太陽能電池為何能效如此出眾等方式來拓寬鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的應(yīng)用以進一步提高其能效。

“鈣鈦礦”這一名字的索然無味掩飾了該研究課題的熱度。嚴格說來，鈣鈦礦是指鈣-鈦礦石，主要成分為鈦酸鈣（CaTiO3）。今天，科學(xué)家們用鈣鈦礦指代一大類材料，類似CaTiO3，以ABX3形式進行化學(xué)計量并采用鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)。光伏領(lǐng)域最常研究的此類結(jié)構(gòu)的物質(zhì)為CH3NH3PbI3，CH3NH3是ABX3結(jié)構(gòu)中的A。

基于高純度結(jié)晶硅的電池具有一流的光伏性能，其光電轉(zhuǎn)換效率約為25%，但該類電池原材料昂貴、晶體生長技術(shù)和氣相沉積方法等能耗較高。目前，該類太陽能電池的最高轉(zhuǎn)換效率號稱已突破40%，但價格高昂。

得益于低成本的塑料制備方法，基于光敏有機聚合物的有機光伏器件首次亮相就掀起了波瀾。盡管價格較低，但該類太陽能電池的效率在21世紀初僅幾個百分點，經(jīng)過緩慢增長，目前達11%左右。

與之相反，鈣鈦礦型太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率幾乎一夜之間就從幾個百分點躍升到16%以上，大多數(shù)進展報道發(fā)生在2012年和2013年。這種沒有放緩跡象的快節(jié)奏性能改進，加上廉價的材料和制備方法，促使Snaith宣稱低價高效的鈣鈦礦型太陽能電池將打破“流行示例”——光電轉(zhuǎn)換效率越高，太陽能電池價格越昂貴。

鈣鈦礦型太陽能電池可通過普通濕化學(xué)方法來成型。圣母大學(xué)化學(xué)系和放射實驗室教授Prashant V.Kamat認為，對于太陽能電池制造商來說，這種通過液相化學(xué)反應(yīng)制備材料、利用噴涂或旋涂將其沉積來制造太陽能電池部件的簡便方式將最終取代干凈的房間和精密的生產(chǎn)設(shè)備。“任何人都可以參與。”Kamat評價道，這一領(lǐng)域的門檻較低，僅需標(biāo)準(zhǔn)的實驗室設(shè)備。

鈣鈦礦型太陽能電池火熱的另一個原因是它與研究比較成熟的染料敏化太陽能電池（DSSC，由瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院的Michael Gratzel發(fā)明，又稱Gratzel電池）有共同之處，甚至可以作為DSSC的一個分支。而DSSC又與太陽能電池的另一熱點——量子點太陽能電池密切相關(guān)，這三種類型太陽能電池的關(guān)鍵區(qū)別點在于光吸收體，分別為鈣鈦礦三鹵化合物、染料、無機量子點。

2009～2012年間，鈣鈦礦型太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率從3.1%提升至10.9%，2013年實現(xiàn)了質(zhì)的突破，一個又一個研究成果相繼出現(xiàn)在雜志與網(wǎng)站上，每一個成果都描述鈣鈦礦型太陽能電池的設(shè)計及光電轉(zhuǎn)換效率的轉(zhuǎn)折性提高。

韓國化學(xué)技術(shù)研究所（KRICT）的SangⅡSeok及其同事以聚三苯胺為空穴載體，制備的太陽能電池實現(xiàn)了12%的轉(zhuǎn)換效率。薩斯喀徹溫省大學(xué)化學(xué)家劉殿義（音譯）以薄層ZnO部分取代TiO2，所制備的柔性三鹵化合物鈣鈦礦型太陽能電池具備超過10%的轉(zhuǎn)換效率，剛性太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率達到15.7%。轉(zhuǎn)換效率最高的鈣鈦礦型太陽能電池通過了國際公認的太陽能電池性能驗證機構(gòu)——美國國家可再生能源實驗室的驗證，該電池來自KRICT，轉(zhuǎn)換效率達16.2%。鈣鈦礦型太陽能電池的前驅(qū)體合成、細胞組裝、器件定制等都以普通化學(xué)方法為介導(dǎo)。幾乎一夜之間，鈣鈦礦型太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率由幾個百分點提升至16%以上。“很難預(yù)知該技術(shù)將終結(jié)在何處。”Snaith認為。但肯定有“合適的成分”以盡可能低的成本提供出色的轉(zhuǎn)換效率。“只要我們能夠提高鈣鈦礦型太陽能電池制備技術(shù)的穩(wěn)定性，我們都將是低成本太陽能發(fā)電的見證者。”Snaith最后表示。

（本欄目編輯：李麗平）