染料敏化太阳能电池转换效率骤增突破15％

瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）教授迈克尔格兰泽尔(MichaelGratzel)的研究小组、英国牛津大学（UniversityofOxford）和日本桐荫横滨大学的研究小组，分别独立开发出了转换效率超过15％的固体型染料敏化太阳能电池（DSSC）。约在半年左右的时间内就将转换效率提高了约4个百分点，大大超过了其他有机类太阳能电池（图1）。

这种DSSC采用钙钛矿相的有机无机混合结晶材料CH3NH3PbI3作为染料敏化材料，并用由有机材料构成的空穴输送材料（HTM）取代了电解液（图2）。洛桑联邦理工学院开发的DSSC由玻璃、FTO、TiO2、CH3NH3PbI3、HTM及Au等构成。而牛津大学等开发的DSSC还与TiO2一同采用了铝材（Al2O3）。作为采用有机材料和无机材料制造的太阳能电池，两者首次实现了可与结晶硅型太阳能电池相匹敌的转换效率。

采用固体电解质大幅提高转换效率

这种结构的DSSC的前身是日本桐荫横滨大学教授宫坂力的研究小组于2009年4月提出的太阳能电池。当时，很多人尝试采用无机半导体微粒量子点作为敏化材料，制造量子点增感型太阳能电池。宫坂指出量子点效率低，并且存在电流反向流动等许多课题。因此，将目光转向了CH3NH3PbI3。

CH3NH3PbI3不仅能高效吸收从可见光到波长800nm的广谱光，还具有能在TiO2等多孔质材料上直接化学合成的特点。非常适合涂布工艺。

不过，宫坂等人在2009年试制时，采用了传统的DSSC电解液，转换效率只有3.8％。之后，2012年来到宫坂研究室的牛津大学研究人员，用一般用作固体型DSSC的HTM的螺二芴化合物取代了电解液，结果转换效率首次突破10％，达到了10.9％。后来，随着工艺不断优化，转换效率仅约半年时间就猛增至15.36％。

图1：远远超越其他太阳能电池

将来转换效率还可能达到21％

虽然此次的技术以DSSC为基础，但也有人指出这已不是DSSC（宫坂）。因为从材料、元件构成及发电原理来看，其拥有很多跟有机薄膜太阳能电池和无机化合物CIGS（CuInGaSe）类太阳能电池相似的特点（图3）。

正因为相似，如果不超越原来的太阳能电池，其混合材料意义就不大，而新太阳能电池在转换效率方面已经超越了原来的DSSC和有机薄膜太阳能电池。并且，据称今后还有可能超越CIGS类太阳能电池。

图2：利用光吸收率高的材料实现

图3：与有机薄膜太阳能电池不断重叠

CIGS类太阳能电池的转换效率目前最高为20.4％，宫坂表示此次的太阳能电池采用现在的材料和技术，转换效率能达到17％。将来，还能够达到21％。另外，新太阳能电池跟CIGS类太阳能电池不同，不使用铟（In）及镓（Ga）等重金属和稀有金属，能以成本非常低的材料制造。并且，一开始就是采用涂布工艺开发的，这也是一大优势。

另一方面，新太阳能电池还存在两大课题。一是现在的有机无机混合材料虽然成本低，但含有对人体有害的铅（Pb）。最近，已开始尝试用锡（Sn）和铜（Cu）代替铅。

另一个课题是元件特性差异太大。宫坂说有的试制品转换效率高达约11％，有的试制品只能达到5％。但据称这今后通过优化制造工艺能够解决。实际上，格兰泽尔等人的研究小组通过采用分两个阶段涂布形成CH3NH3PbI3的工艺，不仅实现了高转换效率，还大幅改善了特性差异。（记者：野泽哲生，《日经电子》）