染料敏化太阳能电池转换效率骤增突破15％大关

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       瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）教授迈克尔·格兰泽尔(Michael Gratzel)的研究小组、英国牛津大学（Universityof Oxford）和日本桐荫横滨大学的研究小组，分别独立开发出了转换效率超过15％的固体型染料敏化太阳能电池（DSSC）。约在半年左右的时间内就将转换效率提高了约4个百分点，大大超过了其他有机类太阳能电池（图1）。

       这种DSSC采用钙钛矿相的有机无机混合结晶材料CH3NH3PbI3作为染料敏化材料，并用由有机材料构成的空穴输送材料（HTM）取代了电解液（图2）。洛桑联邦理工学院开发的DSSC由玻璃、FTO、TiO2、CH3NH3PbI3、HTM及Au等构成。而牛津大学等开发的DSSC还与TiO2一同采用了铝材（Al2O3）。作为采用有机材料和无机材料制造的太阳能电池，两者首次实现了可与结晶硅型太阳能电池相匹敌的转换效率。

       采用固体电解质大幅提高转换效率

       这种结构的DSSC的前身是日本桐荫横滨大学教授宫坂力的研究小组于2009年4月提出的太阳能电池。当时，很多人尝试采用无机半导体微粒——量子点作为敏化材料，制造“量子点增感型太阳能电池”。宫坂指出“量子点效率低，并且存在电流反向流动等许多课题”。因此，将目光转向了CH3NH3PbI3。

       CH3NH3PbI3不仅能高效吸收从可见光到波长800nm的广谱光，还具有能在TiO2等多孔质材料上直接化学合成的特点。非常适合涂布工艺。

       不过，宫坂等人在2009年试制时，采用了传统的DSSC电解液，转换效率只有3.8％。之后，2012年来到宫坂研究室的牛津大学研究人员，用一般用作固体型DSSC的HTM的“螺二芴化合物”取代了电解液，结果转换效率首次突破10％，达到了10.9％。后来，随着工艺不断优化，转换效率仅约半年时间就猛增至15.36％。

图1：远远超越其他太阳能电池

       此次钙钛矿相染料敏化太阳能电池的转换效率的增幅与其他有机太阳能电池相比较。

       将来转换效率还可能达到21％

       虽然此次的技术以DSSC为基础，但“也有人指出这已不是DSSC”（宫坂）。因为从材料、元件构成及发电原理来看，其拥有很多跟有机薄膜太阳能电池和无机化合物CIGS（CuInGaSe）类太阳能电池相似的特点（图3）。

       正因为相似，如果不超越原来的太阳能电池，其混合材料意义就不大，而新太阳能电池在转换效率方面已经超越了原来的DSSC和有机薄膜太阳能电池。并且，据称今后还有可能超越CIGS类太阳能电池。

图2：利用光吸收率高的材料实现

       图中所示为此次的钙钛矿相类染料敏化太阳能电池的结构和材料。作为敏化材料采用了钙钛矿相的有机无机铅卤化物CH3NH3PbI3，并用有机材料与钴（Co）的络合物取代了原来的电解液。

图3：与有机薄膜太阳能电池不断重叠

       染料敏化太阳能电池与有机薄膜太阳能电池及此次的钙钛矿相染料敏化太阳能电池的关系。

       CIGS类太阳能电池的转换效率目前最高为20.4％，宫坂表示“此次的太阳能电池采用现在的材料和技术，转换效率能达到17％。将来，还能够达到21％”。另外，新太阳能电池跟CIGS类太阳能电池不同，不使用铟（In）及镓（Ga）等重金属和稀有金属，能以成本非常低的材料制造。并且，一开始就是采用涂布工艺开发的，这也是一大优势。

       另一方面，新太阳能电池还存在两大课题。一是现在的有机无机混合材料虽然成本低，但含有对人体有害的铅（Pb）。最近，已开始尝试用锡（Sn）和铜（Cu）代替铅。

       另一个课题是元件特性差异太大。宫坂说“有的试制品转换效率高达约11％，有的试制品只能达到5％”。但据称这今后通过优化制造工艺能够解决。实际上，格兰泽尔等人的研究小组通过采用分两个阶段涂布形成CH3NH3PbI3的工艺，不仅实现了高转换效率，还大幅改善了特性差异。

       来自：《日经电子》