新型廉价环保太阳能电池前景光明

新电解质材料铯锡碘（CsSnI）的晶体结构，以及光学和电学传导属性。   来源：西北大学

尤其是，这种设备首次解决了格拉兹尔电池（Grätzel cell）的问题，这是一种很有前途的低成本环保太阳能电池，但具有显著的缺点：就是泄漏。这种染料敏化电池（dye-sensitized cell）的电解质是用有机液体制成，会泄漏，而且会腐蚀太阳能电池本身。

格拉兹尔电池使用分子染料吸收阳光，再转换为电能，就像植物中的叶绿素（chlorophyll）。但是，这些电池使用寿命通常都不到18个月，这就使它们不能进行商用。研究人员一直在寻找替代材料，已经有二十年。

在西北大学，跨学科协作是一个基础，纳米技术专家罗伯特•P.H.昌（Robert P. H. Chang）提出质疑，与化学家梅尔库丽•卡纳其迪斯（Mercouri Kanatzidis）讨论格拉兹尔电池问题。卡纳其迪斯的解决方案是一种新材料，用于这种电解质，实际上，这种材料开始是一种液体，最后成为一种固体物质。这样，这种新的全固态太阳能电池本质上就是稳定的。

“格拉兹尔电池在概念上像是灯泡，但没有钨丝或碳材料，”卡纳其迪斯说，需要更换这种麻烦的液体。“我们创造了一种强大的新材料，可以使格拉兹尔电池效果更好。我们的材料是固体，不是液体，所以应该不会泄漏或腐蚀。”

博士后研究生纯因（In Chung）在卡纳其迪斯小组工作，与研究生李斌洪（Byunghong Lee）密切合作，李斌洪属于罗伯特•P.H.昌的小组，他们开发出这种新电池，取得的性能提升总体上看大约是每月1％。

西北大学的这种太阳能电池中，薄膜复合材料是用铯（cesium）、锡和碘制成，称为CsSnI3（铯锡碘），这种复合物取代了格拉兹尔电池中的整个液体电解质。这种新的太阳能电池更高效，更稳定，使用寿命更长，详细内容发表在5月24日的《自然》杂志上。

CsSnI3固态太阳能电池组件的能级。来源：西北大学

罗伯特•P.H.昌说：“这是第一次演示全固态染料敏化太阳能电池系统，有望超过格拉兹尔电池的性能。我们的研究开辟了一种可能性，就是这些材料有可能成为最先进的，产生高得多的效率，超过我们迄今所见过的。”

西北大学的这款太阳能电池表现出的最高转换效率大约是10.2％，这是迄今报道过的最高效率，对于固态太阳能电池采用染料敏化剂而言，就是这样。这个值接近已报道的格拉兹尔电池的最高性能，就是大约11％至12％。（传统太阳能电池采用高纯硅制成，可以转换大约20％的入射光）。

不同于格拉兹尔电池，这种新型太阳能电池既使用n型也使用p型半导体，而且使用单层染料分子，作为两者之间的结。每个近似球形的纳米粒子，都是用二氧化钛（titanium dioxide）制成，都是一种n型半导体。卡纳其迪斯铯锡碘薄膜材料是一种新型可溶性P型半导体。

电子显微镜图像显示的横断面，属于硅上的CsSnI3/TiO2电池。来源：西北大学

“我们的廉价太阳能电池完全使用纳米技术，”罗伯特•P.H.昌说。“我们有亿万颗纳米粒子，这给予我们巨大的有效表面积，我们给所有的粒子都涂上吸光染料。”

单个太阳能电池的尺寸是半厘米×半厘米，约10微米厚。这种有染料涂层的纳米粒子被包进去，卡纳其迪斯的新材料，开始时是液体，可倒进去，会在纳米粒子周围流动。很像油漆一样，这种溶剂会蒸发，形成固态物质。这种吸光染料中的光子会被转换成电能，吸光染料就在两个半导体之间。

罗伯特•昌选择使用的纳米粒子，直径约20纳米。这种尺寸会优化设备，他说，增加表面积，而且可以在粒子之间形成足够的空间，使卡纳其迪斯的材料可以流过去，并沉淀。

从技术上讲，这种新的电池不是真正的格拉兹尔电池，因为用孔导电的材料CsSnI3本身也吸收光。事实上，这种材料可吸收更多的光，吸收更广泛的可见光谱，胜过格拉兹尔电池使用的典型染料。卡纳其迪斯-罗伯特•昌的电池中，CsSnI3也发挥其他作用，使电池运行，这一作用不是液体电解质电偶具有的，这一作用就是吸收光。

“这仅仅是开始，”罗伯特•昌说。“我们的概念适用于多种类型的太阳能电池。有很大的发展空间。”

这种轻巧的薄膜结构可兼容自动化生产，研究人员指出。他们下一步计划制作大型太阳能电池阵列。
更多信息：论文标题是《全固态染料敏化太阳能电池具有高效率》（All-Solid-State Dye-Sensitized Solar Cells With High Efficiency），《自然》，2012年5月23日。
图1：CsSnI的晶体结构，以及光学和电学传导属性。
图2：CsSnI3固态太阳能电池组件的能级。
图3：电子显微镜图像显示的横断面，属于硅上的CsSnI3/TiO2电池。