鉅大鋰電 | 點擊量:0次 | 2020年04月22日
染料敏化太陽能電池轉換效率驟增突破15%
瑞士洛桑聯邦理工學院(EPFL)教授邁克爾格蘭澤爾(MichaelGratzel)的研究小組、英國牛津大學(UniversityofOxford)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)。
這種DSSC采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,并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TiO2一同采用了鋁材(Al2O3)。作為采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。
采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坂力的研究小組于2009年4月提出的太陽能電池。當時,很多人嘗試采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。宮坂指出量子點效率低,并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,宮坂等人在2009年試制時,采用了傳統的DSSC電解液,轉換效率只有3.8%。之后,2012年來到宮坂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%。
圖1:遠遠超越其他太陽能電池
將來轉換效率還可能達到21%
雖然此次的技術以DSSC為基礎,但也有人指出這已不是DSSC(宮坂)。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。并且,據稱今后還有可能超越CIGS類太陽能電池。
圖2:利用光吸收率高的材料實現
圖3:與有機薄膜太陽能電池不斷重疊
CIGS類太陽能電池的轉換效率目前最高為20.4%,宮坂表示此次的太陽能電池采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。并且,一開始就是采用涂布工藝開發的,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。宮坂說有的試制品轉換效率高達約11%,有的試制品只能達到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采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。(記者:野澤哲生,《日經電子》)
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