眾所周知，傳統(tǒng)和現(xiàn)在的太陽能電池都有局限性，比如生產(chǎn)成本高，運(yùn)行效率低以及耐用性，而且很多電池都依賴有毒而稀缺的材料。

近日，美國(guó)西北大學(xué)(Northwestern University)的研究人員開發(fā)出一種新的太陽能電池，原則上說，會(huì)最大限度地減少太陽能技術(shù)的所有這些局限性。

新電解質(zhì)材料銫錫碘(CsSnI)的晶體結(jié)構(gòu)，以及光學(xué)和電學(xué)傳導(dǎo)屬性。

特別要指出的是，這種設(shè)備首次解決了格拉茲爾電池(Gr·tzel cell)的問題，這是一種很有前途的低成本環(huán)保太陽能電池，但具有顯著的缺點(diǎn)：就是泄漏。這種染料敏化電池(dye-sensitized cell)的電解質(zhì)是用有機(jī)液體制成，會(huì)泄漏，而且會(huì)腐蝕太陽能電池本身。

格拉茲爾電池使用分子染料吸收陽光，再轉(zhuǎn)換為電能，就像植物中的葉綠素(chlorophyll)。但是，這些電池使用壽命通常都不到18個(gè)月，這就使它們不能進(jìn)行商用。研究人員一直在尋找替代材料，已經(jīng)有二十年。

在西北大學(xué)，跨學(xué)科協(xié)作是一個(gè)基礎(chǔ)，納米技術(shù)專家羅伯特·P.H.昌(Robert P. H. Chang)提出質(zhì)疑，與化學(xué)家梅爾庫(kù)麗·卡納其迪斯(Mercouri Kanatzidis)討論格拉茲爾電池問題。卡納其迪斯的解決方案是一種新材料，用于這種電解質(zhì)，實(shí)際上，這種材料開始是一種液體，最后成為一種固體物質(zhì)。這樣，這種新的全固態(tài)太陽能電池本質(zhì)上就是穩(wěn)定的。

“格拉茲爾電池在概念上像是燈泡，但沒有鎢絲或碳材料，”卡納其迪斯說，需要更換這種麻煩的液體。“我們創(chuàng)造了一種強(qiáng)大的新材料，可以使格拉茲爾電池效果更好。我們的材料是固體，不是液體，所以應(yīng)該不會(huì)泄漏或腐蝕。”

博士后研究生純因(In Chung)在卡納其迪斯小組工作，與研究生李斌洪(Byunghong Lee)密切合作，李斌洪屬于羅伯特·P.H.昌的小組，他們開發(fā)出這種新電池，取得的性能提升總體上看大約是每月1%。

西北大學(xué)的這種太陽能電池中，薄膜復(fù)合材料是用銫(cesium)、錫和碘制成，稱為CsSnI3(銫錫碘)，這種復(fù)合物取代了格拉茲爾電池中的整個(gè)液體電解質(zhì)。這種新的太陽能電池更高效，更穩(wěn)定，使用壽命更長(zhǎng)，詳細(xì)內(nèi)容發(fā)表在5月24日的《自然》雜志上。

CsSnI3固態(tài)太陽能電池組件的能級(jí)。

羅伯特·P.H.昌說：“這是第一次演示全固態(tài)染料敏化太陽能電池系統(tǒng)，有望超過格拉茲爾電池的性能。我們的研究開辟了一種可能性，就是這些材料有可能成為最先進(jìn)的，產(chǎn)生高得多的效率，超過我們迄今所見過的。”

西北大學(xué)的這款太陽能電池表現(xiàn)出的最高轉(zhuǎn)換效率大約是10.2%，這是迄今報(bào)道過的最高效率，對(duì)于固態(tài)太陽能電池采用染料敏化劑而言，就是這樣。這個(gè)值接近已報(bào)道的格拉茲爾電池的最高性能，就是大約11%至12%。(傳統(tǒng)太陽能電池采用高純硅制成，可以轉(zhuǎn)換大約20%的入射光)。

不同于格拉茲爾電池，這種新型太陽能電池既使用n型也使用p型半導(dǎo)體，而且使用單層染料分子，作為兩者之間的結(jié)。每個(gè)近似球形的納米粒子，都是用二氧化鈦(titanium dioxide)制成，都是一種n型半導(dǎo)體。卡納其迪斯銫錫碘薄膜材料是一種新型可溶性P型半導(dǎo)體。

電子顯微鏡圖像顯示的橫斷面，屬于硅上的CsSnI3/TiO2電池。

“我們的廉價(jià)太陽能電池完全使用納米技術(shù)，”羅伯特·P.H.昌說。“我們有億萬顆納米粒子，這給予我們巨大的有效表面積，我們給所有的粒子都涂上吸光染料。”

單個(gè)太陽能電池的尺寸是半厘米×半厘米，約10微米厚。這種有染料涂層的納米粒子被包進(jìn)去，卡納其迪斯的新材料，開始時(shí)是液體，可倒進(jìn)去，會(huì)在納米粒子周圍流動(dòng)。很像油漆一樣，這種溶劑會(huì)蒸發(fā)，形成固態(tài)物質(zhì)。這種吸光染料中的光子會(huì)被轉(zhuǎn)換成電能，吸光染料就在兩個(gè)半導(dǎo)體之間。

羅伯特·昌選擇使用的納米粒子，直徑約20納米。這種尺寸會(huì)優(yōu)化設(shè)備，他說，增加表面積，而且可以在粒子之間形成足夠的空間，使卡納其迪斯的材料可以流過去，并沉淀。

從技術(shù)上講，這種新的電池不是真正的格拉茲爾電池，因?yàn)橛每讓?dǎo)電的材料CsSnI3本身也吸收光。事實(shí)上，這種材料可吸收更多的光，吸收更廣泛的可見光譜，勝過格拉茲爾電池使用的典型染料。卡納其迪斯-羅伯特·昌的電池中，CsSnI3也發(fā)揮其他作用，使電池運(yùn)行，這一作用不是液體電解質(zhì)電偶具有的，這一作用就是吸收光。

“這僅僅是開始，”羅伯特·昌說。“我們的概念適用于多種類型的太陽能電池。有很大的發(fā)展空間。”這種輕巧的薄膜結(jié)構(gòu)可兼容自動(dòng)化生產(chǎn)，研究人員指出。下一步，計(jì)劃制作大型太陽能電池陣列。