2014-09-04 | 编辑:Gillzyb 2382 浏览人次

钙钛矿电池:太阳能产业的新星

导言:美国国家可再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory,NREL)发布了截止2014年初各类太阳能电池转换效率的最高纪录。目前转换效率的最高记录是由夏普生产的聚光型三结太阳能电池创造的,高达44.4%。而本文要介绍的钙钛矿太阳能电池在统计时是17.9%,但实际上目前钙钛矿太阳能电池转换效率已被提高到了19.3%。
 
从2009年到2014年的短短5年间,钙钛矿太阳能电池的光电转换效率从3.8%一下子跃升至19.3%,提高了5倍。其效率进步之快,成本之便宜,生产之容易,以至于被《科学》期刊评为2013年的10大科学突破之一。
 
那么钙钛矿电池到底是什么?为何能产生如此大的研究影响力呢?它真的是太阳能电池产业中的黑马吗?
 
1、钙钛矿是什么?
(在俄罗斯库萨发现的钙钛矿矿石,藏于哈佛自然历史博物馆Credit:La2O3(CCBY-SA3.0license))
 
钙钛矿,英文名perovskite,是一种普通的金属有机化合物晶体,主要成分是钛酸钙(CaTiO3)。1839年德国矿物雪茄古斯塔夫•罗斯(GustavRose)在俄罗斯中部境内的乌拉尔山脉上发现了一块特殊的岩石样本,于是决定以他心中所崇拜的伟大地质学家Lev Perovsk 来明明这个矿石。
 
不过后来我们普遍指的钙钛矿电池(全称:钙钛矿型甲胺铅碘薄膜太阳能电池)并不是用这个矿石材料制成的,而是使用了与钙钛矿晶体结构相似的化合物。
 
2、钙钛矿的晶体结构:
(钙钛矿晶体结构示意图)
 
钙钛矿的结构是ABX3的形式。这种结构在每个角共享一个BX6正八面体,其中B是金属阳离子(Sn2+或Pb2+),X是一价阴离子(Cl-,Br-或I-)。钙钛矿中的阳离子A被用来抵消电荷使材料达到电中性,它可以是半径较大硷金属离子等,甚至可以是一个分子。
 
这种奇特的晶体结构让它具备了很多独特的理化性质,比如吸光性、电催化性等等,在化学、物理领域有不小的应用。钙钛矿大家族里现已包括了数百种物质,从导体、半导体到绝缘体,范围极为广泛,其中很多是人工合成的。太阳能电池中用到的钙钛矿(CH3NH3PbI3、CH3NH3PbBr3和CH3NH3PbCl3等)属于半导体,有良好的吸光性。
 
3、钙钛矿的发展简程:5年——从3.8%到19.3%
 

 

 
2009年——桐荫横浜大学的宫坂力(Tsutomu Miyasaka)通过将薄薄的一层钙钛矿(CH3NH3PbI3和CH3NH3PbBr3)当做吸光层应用于染料敏化太阳能电池,制造出了钙钛矿太阳能电池。当时的光电转换率为3.8%。后来研究者对电池进行了改进,转换效率一下翻了一倍。虽然转换效率提高了,但还要面对一个致命问题,即钙钛矿中的金属卤化物容易在电池的液体电解质发生水解,导致电池稳定性低,寿命短。
 
2012年8月——由格拉兹尔(Grätzel)领导的韩国成均馆大学与洛桑理工学院实验室将一种固态的空穴传输材料(holetransportmaterials,HTM)引入太阳能电池,电池效率一下提高到了10%,也解决了电池不稳定的问题,也比以前更容易封装。
 
2013年——牛津大学的亨利˙司奈斯(HenrySnaith)将电池中的TiO2用铝材(Al2O3)代替,钙钛矿不仅成为了光的吸收层,也同时是传输电荷的半导体材料。钙钛矿电池的转换效率一下攀升到15%。
 
2014年8月——加州大学洛杉矶分校的华裔科学家杨阳领导的研究团队,在《科学》期刊上发表最新研究论文称,他们通过改进钙钛矿结构层,选择更适合传输电荷的材料,让电池两端的电极能收集更多的电,其转换效率最高达到了19.3%,成为该领域之最。
 
4、钙钛矿电池的优势:
 
转换效率进步快——5年时间从3.8%升到19.3%,而2013年11月美国科学家在最新研究中发现,新式钙钛矿(CaTiO3)太阳能电池的转化效率或可高达50%,为目前市场上太阳能电池转化效率的2倍,这说明了它还有很大的潜力值得挖掘;
 
制作工艺简单——实验室中常采用液相沉积、气相沉积工艺、液相/气相混合沉积工艺;
 
发电成本低——甚至有可能会比火力发电还低。
 
建筑一体化潜力——钙钛矿型电池属于薄膜电池,目前主要就是沉积在玻璃上,还可以通过控制各层材料的厚度和材质来实现不同程度的透明度,当然效率也会降低,不过这类应用是值得尝试的。例如牛津大学的实验室已经可以做出半透光(灰褐色)的电池。如果将采光与发电融为一体的太阳能电池开发顺利,有望成为高楼大厦幕墙装饰、车辆有色玻璃贴膜等的替代品。
 
5、钙钛矿电池的难题:
 
有毒——钙钛矿电池材料含有铅,不过铅跟其他类型电池含有的砷、镓、碲、镉相比,简直就是小巫见大巫。而美国西北大学也已研发出一种用锡代替铅的钙钛矿太阳能电池,不过这种电池的转换效率还只有6%,目前处于研发初级阶段,效率还有提升空间;
 
不稳定——钙钛矿中的铅容易氧化挥发,而当晶体遇水时则易分解。如果我们使用钙钛矿电池发电,它很有可能渗出流到屋顶或土壤中;
 
寿命不长——目前,寿命最长的钙钛矿太阳能电池可达到1000小时,由华中科技大学和洛桑联邦理工学院合作研发。而传统晶硅电池寿命一般可达到25年,比钙钛矿电池长得多。

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