2013年08月08日10:12
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瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）教授邁克爾·格蘭澤爾(Michael Gratzel)的研究小組，以及英國牛津大學（Universityof Oxford）和日本桐蔭橫濱大學的研究小組，分別獨立開發出了轉換效率超過15％的固體型染料敏化太陽能電池（DSSC）。約在半年左右的時間內就將轉換效率提高了約4個百分點，大大超過了其他有機類太陽能電池（圖1）。
手捧染料敏化太陽能電池的邁克爾·格蘭澤爾(Michael Gratzel)
這種DSSC採用鈣鈦礦相的有機無機混合結晶材料CH3NH3PbI3作為染料敏化材料，並用由有機材料構成的空穴輸送材料（HTM）取代了電解液（圖2）。洛桑聯邦理工學院開發的DSSC由玻璃、FTO、TiO2、CH3NH3PbI3、HTM及Au等構成。而牛津大學等開發的DSSC還與TiO2一同採用了鋁材（Al2O3）。作為採用有機材料和無機材料制造的太陽能電池，兩者首次實現了可與結晶硅型太陽能電池相匹敵的轉換效率。
採用固體電解質大幅提高轉換效率
這種結構的DSSC的前身是日本桐蔭橫濱大學教授宮?力的研究小組於2009年4月提出的太陽能電池。當時，很多人嘗試採用無機半導體微粒——量子點作為敏化材料，制造“量子點增感型太陽能電池”。宮?指出“量子點效率低，並且存在電流反向流動等許多課題”。因此，將目光轉向了CH3NH3PbI3。
CH3NH3PbI3不僅能高效吸收從可見光到波長800nm的廣譜光，還具有能在TiO2等多孔質材料上直接化學合成的特點。非常適合涂布工藝。
不過，宮?等人在2009年試制時，採用了傳統的DSSC電解液，轉換效率隻有3.8％。之后，2012年來到宮?研究室的牛津大學研究人員，用一般用作固體型DSSC的HTM的“螺二芴化合物”取代了電解液，結果轉換效率首次突破10％，達到了10.9％。后來，隨著工藝不斷優化，轉換效率僅約半年時間就猛增至15.36％。
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圖1：遠遠超越其他太陽能電池 此次鈣鈦礦相染料敏化太陽能電池的轉換效率的增幅與其他有機太陽能電池相比較。 |
將來轉換效率還可能達到21％
雖然此次的技術以DSSC為基礎，但宮?稱“也有人指出這已不是DSSC”。因為從材料、元件構成及發電原理來看，其擁有很多跟有機薄膜太陽能電池和無機化合物CIGS（CuInGaSe）類太陽能電池相似的特點（圖3）。
正因為相似，如果不超越原來的太陽能電池，其混合材料意義就不大，而新太陽能電池在轉換效率方面已經超越了原來的DSSC和有機薄膜太陽能電池。並且，據稱今后還有可能超越CIGS類太陽能電池。
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圖2：利用光吸收率高的材料實現 圖中所示為此次的鈣鈦礦相類染料敏化太陽能電池的結構和材料。作為敏化材料採用了鈣鈦礦相的有機無機鉛鹵化物CH3NH3PbI3，並用有機材料與鈷（Co）的絡合物取代了原來的電解液。 |
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圖3：與有機薄膜太陽能電池不斷重疊 染料敏化太陽能電池與有機薄膜太陽能電池及此次的鈣鈦礦相染料敏化太陽能電池的關系。 |
CIGS類太陽能電池的轉換效率目前最高為20.4％，宮?表示“此次的太陽能電池採用現在的材料和技術，轉換效率能達到17％。將來，還能夠達到21％”。另外，新太陽能電池跟CIGS類太陽能電池不同，不使用銦（In）及鎵（Ga）等重金屬和稀有金屬，能以成本非常低的材料制造。並且，一開始就是採用涂布工藝開發的，這也是一大優勢。
另一方面，新太陽能電池還存在兩大課題。一是現在的有機無機混合材料雖然成本低，但含有對人體有害的鉛（Pb）。最近，已開始嘗試用錫（Sn）和銅（Cu）代替鉛。
另一個課題是元件特性差異太大。宮?說“有的試制品轉換效率高達約11％，有的試制品隻能達到5％”。但據稱這今后通過優化制造工藝能夠解決。實際上，格蘭澤爾等人的研究小組通過採用分兩個階段涂布形成CH3NH3PbI3的工藝，不僅實現了高轉換效率，還大幅改善了特性差異。（日經能源環境網 供稿）
