Nature：太阳能电池25年经典回顾！

目前，世界上大约85%的能源需求都依赖于大量的化石燃料，对环境和人类健康产生了严重的影响。据预测，全球能源需求在2050年还将翻倍。因此，在全球范围内采取积极有效的行动，开发高效、可持续的新能源迫在眉睫。太阳能电池，无疑是最佳候选之一。

 

 

图1. 太阳能电池的摩尔定律（1975-2010）

来源：http://science.sciencemag.org/content/338/6107/625.full

  

1991年，O'Regan和Grätzel在Nature报道了一种设计简单、成本相对较低、转化效率为7%的染料敏化太阳能电池。25年来，科学家们持续开发具有更高效率的低成本太阳能电池。尤其是过去7年以来，钙钛矿太阳能电池的不断发展，实现了转化效率达到22%以上。

 

 

图2. NREL统计的历年认证的太阳能电池效率

来源：NREL

 

O'Regan和Grätzel关于染料敏化太阳能电池技术的基本概念是受光合作用的启发：叶绿素吸收太阳光，然后转化为化学能。在他们开发的染料敏化太阳能电池中，沉积于TiO₂纳米颗粒表面的Ru基染料分子吸收太阳光。在染料分子和纳米颗粒的界面处，产生激发电子和空穴，电子经过TiO₂纳米颗粒传递到负极，然后传递到正极。最后，在溶剂和离子混合的液体电解液中，电子和空穴复合，回到染料分子。于是，在电子传递过程中，产生了电能。

  

和以往的太阳能电池相比，染料敏化太阳能电池的新颖性在于：TiO₂纳米颗粒为染料分子提供了非常大的比表面积。研究人员利用直径约15 nm的TiO₂纳米颗粒制备了一层10 μm厚的薄膜，由于薄膜具有多孔结构，比表面积是其几何面积的780倍。这种薄膜和叶绿体中堆叠的叶绿囊膜类似，而叶绿体是光合作用中发生电子传递反应的地方。

 

 

图3. 染料敏化太阳能电池和钙钛矿太阳能电池的工作原理示意图

 

自从O'Regan和Grätzel的关于染料敏化太阳能电池的结果发表之后，研究人员利用单核Ru基染料分子取代三核Ru基染料分子，使转化效率提高到11%以上。接着，研究人员又利用分子工程学，利用和叶绿素结构相似的一种供体-生色团-受体染料，使转化效率提高到13%。

接着，研究人员利用一种固态空穴传输材料取代液体电解质，得到了固态染料敏化太阳能电池。这种太阳能电池不仅提高了太阳能电池的稳定性，还避免了液体泄漏的问题。然而，空穴传输材料不能像液体电解质那样均匀地透过TiO₂薄膜，导致这种固态染料敏化太阳能电池的效率却只有液体电解质构建的同类染料敏化太阳能电池的一半。

 

 

 

图4. 固态染料敏化太阳能电池中电子传递过程

来源：M. Grätzel et al. Solid-state dye-sensitized mesoporous TiO₂ solar cells with high photon-to-electron conversion efficiencies. Nature 2016, 395, 583-585.

 

近7年来，研究人员利用一种通式为ABX₃的钙钛矿替换固体染料太阳能电池中的染料分子。A和B是两种不同的正电荷离子，X是负电荷离子。钙钛矿优异的光吸收能力使钙钛矿太阳能电池在光伏领域引起轰动。Tsutomu Miyasaka等人利用液体电解质构建的钙钛矿太阳能电池，首先使钙钛矿太阳能电池爆发威力。随后，液体电解质被替换为固体电解质。一些课题组的研究表明，CH₃NH₃PbI₃钙钛矿不仅可以用于吸光材料，而且可以作为电荷传输材料。

 

 

图5. 钙钛矿典型结构式

来源：NREL

 

现有的多种钙钛矿太阳能电池中，具有最高光电转化效率的器件配置是以半导体钙钛矿作为吸光材料，TiO₂作为电子受体，聚三芳胺高分子作为空穴传输材料。据预测，钙钛矿电池转化效率有望超过25%，有望取代化石燃料，因而被WEF评为2016年十大前沿技术之一。然而，钙钛矿太阳能电池仍然有很多缺点，最主要的2个缺点就是:1）材料的光、热稳定性较差；2）材料中含铅，具有较高毒性。

 

尤其是在解决钙钛矿稳定性方面，研究人员孜孜不倦，不遗余力，取得了快速进展。

 

太阳能电池已经走过了漫长的道路，随着新材料、化学、器件技术的综合创新设计，钙钛矿太阳能电池不断发展，期望其早日在可再生能源领域引发革命性突破。

 

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Mohammad K. Nazeeruddin. In retrospect: Twenty-five years of low-cost solar cells. Nature 2016. Nature 538, 463–464.