廉价染料敏化太阳能电池走向商用

固态铯锡碘半导体取代液态电解质，比染料本身可吸收更多的光，因此提高了效率。

易于制备的太阳能电池采用染料捕捉光线，已经获得一系列令人印象深刻的科学奖项，包括“2010年千年技术奖”（Millennium Technology Prize in 2010）。然而，它们没有什么商业影响，它们是1988年发明的。


西北大学（Northwestern University）的研究人员上周报道了一项新的设计，可以改变这种状况，制成的设备可消除染料敏化太阳能电池固有的缺陷：就是容易发生泄漏，还有腐蚀性的液体电解质。

不同于薄膜和硅板，染料太阳能电池板的制备，可以采用廉价的卷对卷工艺，类似于印刷。因此，即使它们的效率低于硅太阳能电池，它们也确实具有成本效益。

西北大学的这项开发是最新的，有一连串的进展，斯坦福大学（Stanford University）先进分子光伏中心（Center for Advanced Molecular Photovoltaics）主任迈克尔•麦格西（Michael McGehee）最近称为“复兴中”的染料敏化电池。在这一领域，这些最新进展最终可以把高雅的科学奇想转化为实用的发电设备。

在染料敏化太阳能电池中，入射光激活一层多孔的二氧化钛（titania），这层二氧化钛涂有染料，会产生正负电荷。负电荷就是激发的电子，会穿过二氧化钛流出电池，而正电荷会流入液体电解质。对于充满电解质的碱性电池而言，渗漏是一个永远存在的危险，尤其是因为太阳能电池板会处于极端气候。电解质受热到80°C（例如，在屋顶上），就会扩张，裂开电池板的密封。染料电池的碘电解液腐蚀性也很强，可以蚀穿抗锈金属，如铝和不锈钢。

西北大学化学家梅尔库丽克•卡纳其迪斯（Mercouri Kanatzidis），材料科学家罗伯特•昌（Robert Chang），还有两个研究生，他们取代了染料电池的液体电解质，采用固态碘基半导体。虽然以前的固态设计会降低染料电池的输出功率，但是，西北大学的这种设计实际上会提高性能，研究人员说，因为铯锡碘（cesium-tin-iodine）半导体取代了液态电解质，也可吸收光线。“其实，我们的材料比染料本身可吸收更多的光，”卡纳其迪斯说。

在上周《自然》的一篇报道中，西北大学研究小组声称，他们的电池可以把10.2％的入射光转换为电力，远远超过7％的效率，就是现有的最佳固态染料电池的效率。肖恩•沙欣（Sean Shaheen）是美国丹佛大学（Denver University）有机太阳能电池专家，他说，西北大学太阳能电池的效率更接近8％，在标准测量条件下就是这样。但是，沙欣说，这仍然是染料电池的一个重要进展。

卡纳其迪斯说，有可能商业化推广这种设计，只要电池效率可以推进到11％以上。这低于12％至16％的商用薄膜太阳能电池板效率，也远低于硅板的效率。但是，制造染料电池的成本也应该较低。

澳大利亚太阳能开发商戴索尔公司（Dyesol）正在寻求利用低成本工艺，推广传统的染料太阳能技术，包括液态电解质。它的战略是把染料基太阳能集成到建筑材料中，如高楼玻璃板和钢结构屋顶板。今年三月，戴索尔公司的韩国合资伙伴蒂莫技术公司（Timo Technology），在首尔的一幢大楼上安装了玻璃面板。而戴索尔公司正在联合印度塔塔钢铁公司（Tata Steel）开发有染料太阳能电池涂层的钢结构屋顶。

戴米恩•米利肯（Damion Milliken）是戴索尔公司的研究和开发经理，他坚持认为，可以包含液体电解质。“戴索尔公司和其他公司已生产出一些设备，具有优良的长期稳定性，已经过加速试验，相当于25年的使用寿命，甚至更久，”米利肯说。“这项技术在商业上是可行的。”

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