已经商业化的太阳能电池：制造业零碳转型利器
已经商业化的太阳能电池：制造业零碳转型利器后续，我们将讨论钙钛矿太阳能电池的前世今生。但染料敏化电池仍面临几个方面的挑战. 1)尽管 DSSCs 利用纳米结构与高吸收的有机染料分子克服了其他太阳能技术中的一些不足 但由于有机染 料分子是单分子吸附 为保证光能的充分吸收 吸收 层厚度至少要在10 μm以上 这在全固态电池中是难 以实现的 原因是全固态薄膜电池中同时存在的空 穴传输层填充问题而使得薄膜的厚度必须小于 2 μm; 为解决上述矛盾 染料敏化太阳能电池需要寻找量 子点、超薄半导体吸收层、超高消光系数的有机/无 机染料来实现更薄吸收层下的完全光吸收. 2)有机染料在使用过程中存在无法克服的光漂白现象. 上 述两点都促使相关研究组寻找更加优良的全固态染 料材料. 3)DSSCs 使用液态电解液 封装、稳定性与 使用寿命成为能否最终被市场接纳的重要问题. 必须寻找能够高速传输载流子的全固态材料来替代DSSCs 中的液
近年来 环境污染已经严重威胁到了社会与经济的发展和每个人的生存. 在全球性化石能源日益 耗尽、环境污染不断加重的今天 太阳能将与其他新型能源(燃料电池、氢能、锂离子电池、生物能源等) 一起成为石油、煤、天然气等不可再生能源的理想补充和替代能源. 随着光伏产业的迅猛发展 太阳能电池转换效率不断提高 成本不断降低 使得光伏发电 的前景更为光明和宽阔. 如今太阳能电池的应用已 从军事、航天领域进入到工业、商业、农业、通信、 家用电器以及公用设施等部门. 但是 要实现光伏发电社会化应用 使太阳能电池成为能源的主要组成 部分 目前仍存在很多问题 如原材料成本高、制备 过程能耗大、污染严重等. 降低电池成本 除了通过 现有电池产品生产的标准化、自动化和规模化来考虑 外 从研发的角度主要通过两种途径解决: 一是降低现有电池生产成本 主要是降低原材料与能耗的成本; 二是提高太阳能电池的光电转换效率，使电池有高的性价比。
要实现这些目标，首先，我们要了解，什么是太阳能电池。
太阳能电池是一种通过光电效应或者光化学反应直接把光能转化成电能的装置. 1839 年 法国物理 学家 Becquerel 发现了光生伏特效应; 1876 年 英国 科学家 Adams 等人发现 当太阳光照射硒半导体时 会产生电流. 这种光电效应太阳能电池的工作原理 是 当太阳光照在半导体 p-n 结区上 会激发形成空穴-电子对(激子) 在 p-n 结电场的作用下 激子首先 被分离成为电子与空穴并分别向阴极和阳极输运. 光生空穴流向 p 区 光生电子流向 n 区 接通电路后，就形成电流. Fritts 在1883 年制备成功第一块锗上覆 薄金的半导体/金属结太阳能电池 其效率仅约 1%. 1954年美国贝尔实验室的 Pearson Fuller 和 Chapin 等人研制出了第一块晶体硅太阳能电池 获得了 4.5%的转换效率 开启了利用太阳能发电的新纪元. 此后 太阳能技术发展至今 大致经历了三个阶段: 第一代太阳能电池主要指单晶硅和多晶硅太阳能电池 目前其在实验室的光电转换效率已经分别达到 26.1%和 23.3%（图0）; 第二代太阳能电池主要包括非晶硅 薄膜电池和多晶硅薄膜电池. 硅薄膜太阳能电池是 以 SiH4或 SiHCl3为硅原料 用化学气相沉积法(CVD)或 PECVD (等离子体化学气相沉积法)制作太阳能电 池 其优势是可以大批量、低成本生产 其光电转换效率最高已达 21.2%. 第三代太阳能电池主要指具有高转换效率的一些新概念电池 如染料敏化电池、量子点电池以及有机太阳能电池等.
- 太阳能技术发展瓶颈
作为第一代太阳能技术 硅基太阳能电池是发展最为完善、应用最为广泛的成熟技术之一 但由 于其必须使用昂贵的高纯硅 因而面临着造价高、耗能高等难题 严重制约了硅基太阳能电池更为广泛 的产业应用. 第二代薄膜太阳能电池(GaAs CdTe CuInGaSe等)技术由于比硅基电池更能容忍较高的缺 陷密度而得到了迅猛的发展 但其大规模应用也 受制于制造成本高、环境污染严重、稀缺元素不可持 续发展等问题. 近年来 以染料敏化太阳能电池、有机太阳能电池为代表的第三代太阳能电池 以成本低廉、原料丰富等优势受到业界关注 发展迅速 其光电转换效率最高已经超过 13% 可以和非晶硅 基电池相媲美 但仍存在稳定性差、机理复杂、难以大规模生产等诸多问题. 因此 如何进一步提高太阳能电池转换效率 简化制备工艺、降低生产成本 是第三代太阳能电池的主要研究方向. Green 分析及预估了光伏电池效率与成本的关系如图1所示. 从图中 可以看出 如果电池转换效率能提高到 20%以上 电 池的供电成本就有大幅度下降的可能. 因此进一步 提高转化效率成为第三代薄膜太阳能电池发展的关键途径.从图 1 所示的价格-转换效率的发展趋势图上可以发现 以染料敏化太阳能电池为代表的第三代太阳能电池代表了一个极有发展潜力的方向. 但是 无 论是染料敏化太阳能电池 还是有机太阳能电池 其 发展进程都十分缓慢. 现有太阳能电池技术进入瓶 颈期的根本原因在于: 硅基、薄膜太阳能电池虽然具 有很高的载流子迁移率 但材料的吸光性能差(消 光系数太低) 所以需要采取极薄半导体吸收层的概念来弥补不足; 与此相反 有机太阳能电池虽具有很好的吸光性能 但载流子迁移率极低. 染料敏化太阳能电池在弥补硅基太阳能电池、薄膜太阳能电池和有机太阳能电池的各自不足方面取得了显著的成效. 一方面 它模仿了自然界光合作用的基本构造 对 TiO2纳米骨架、电解液与有机染料之间的结 构进行设计 利用纳米材料的巨大表面吸附大量有机染料 大幅提高了光的吸收效率 也保持了较高的 载流子迁移率; 更为重要的是 染料敏化太阳能电池把光吸收过程与载流子输运过程分离 一种介质仅输运一种载流子 避免了硅基、薄膜太阳能电池中光生载流子复合率高、少数载流子寿命短的缺点。
图 1 不同光伏技术指标太阳能电池的成本与转换效率的关系 Ⅰ: 硅片技术; Ⅱ: 薄膜技术; Ⅲ: 高效薄膜技术
染料敏化电池主要由光阳极、多孔氧化钛层、吸附在氧化钛上的染料分子吸收层、对电极和填充在两 极板之间的电解质五部分组成. 当能量满足染料分子激发所需能量的入射光照射到电极上时 染料分子被激发 产生电子注入二氧化钛导电层 被收集到 光阳极 再通过外电路流向对电极 形成电流; 与此同时 被激发的染料分子被电解质还原 被氧化的电 解质吸收到达对电极的电子再次还原成稳态 如图 2 所示. 整个过程完成了光电循环 各反应物状态不变 光能转换为电能染料敏化电池因其成本低、工艺简单、效率高等优势而被认为是最有应用前景的电池之一.
图 2 染料敏化太阳能电池示意图
但染料敏化电池仍面临几个方面的挑战. 1)尽管 DSSCs 利用纳米结构与高吸收的有机染料分子克服了其他太阳能技术中的一些不足 但由于有机染 料分子是单分子吸附 为保证光能的充分吸收 吸收 层厚度至少要在10 μm以上 这在全固态电池中是难 以实现的 原因是全固态薄膜电池中同时存在的空 穴传输层填充问题而使得薄膜的厚度必须小于 2 μm; 为解决上述矛盾 染料敏化太阳能电池需要寻找量 子点、超薄半导体吸收层、超高消光系数的有机/无 机染料来实现更薄吸收层下的完全光吸收. 2)有机染料在使用过程中存在无法克服的光漂白现象. 上 述两点都促使相关研究组寻找更加优良的全固态染 料材料. 3)DSSCs 使用液态电解液 封装、稳定性与 使用寿命成为能否最终被市场接纳的重要问题. 必须寻找能够高速传输载流子的全固态材料来替代DSSCs 中的液态电解液. 寻求解决上述问题的过程成就了一种全新的全固态高转换效率的钙钛矿基太阳能电池的发现.
后续，我们将讨论钙钛矿太阳能电池的前世今生。
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