有机太阳能电池的扩散长度大约为10纳米。相比之下,钙钛矿的扩散长度是前者的100倍。“结果是,你能收集通行了更长距离的电荷。”Gratzel说。
钙钛矿还有另一个价值很高的特性:产生电压的效率。例如,在晶体硅太阳能电池中,需要从光子获得至少1.1电子伏(eV)的能量,从而将一个电子反冲出硅原子的束缚,成为自由电子。然后,电子到达电极,再进入电路,它们的电压会降至0.7eV,仅丧失了0.4eV——这也是硅在商业上取得成功的部分原因。
对于传统的DSSCs和有机太阳能电池而言,这些损耗约为0.7eV~0.8eV。但是,钙钛矿的损耗仅有0.4eV,与商业利益相匹配。“钙钛矿的这些优点非常好。”Yang说,“这就是我们想要的。”Yang小组在过去10年里花费大量时间研究有机太阳能电池,将其效能提高到接近11%。但是,之后他们开始研究钙钛矿,“我们在5个月里使其能效达到13%。”Yang说。
另外,钙钛矿在吸收蓝色和绿色光子方面比硅更好。钙钛矿的生成温度比玻璃的熔点低,工程师能够将它们直接铺在硅电池玻璃涂层的顶端。McGehee表示,这一策略可能制造廉价串联电池,但是没有人这样做过。
遭遇障碍
太阳能电池企业需要新的活力。近年来,太阳能电池价格下降,经过残酷的商业淘沙,大量相关企业纷纷破产。Gratzel指出,风险投资公司以及科学基金机构,对支持有机太阳能光伏电板和DSSCs等进展缓慢研究的热情逐渐冷却。他补充道:“相关企业的情绪非常低落”。因此钙钛矿来得正是时候,“我们需要激励”。
即便如此,在钙钛矿太阳能电池为进入市场作好准备前还有很长的路要走。首先,Cahen说,目前实验室里制造的大部分电池是微小的,仅几厘米大。相比之下,硅电池板直径能达数米。“很难生产较大的钙钛矿连续膜。”Cahen说。而且没有研究人员能解决耐久性问题。钙钛矿电池对氧气非常敏感,会与其发生化学反应进而破坏晶体结构,并产生水蒸气,溶解盐状的钙钛矿。更糟的是,目前最好的钙钛矿中的铅可能会滤出,污染屋顶和土壤。
“这里也存在许多困难。”Cahen说,“此时,我是一个乐观主义者,并且是材料研究的信徒。”有关钙钛矿的诸多挑战需要解决,“该领域在未来几年中将非常活跃”。Gratzel说。全球太阳能电池市场价值每年将达到近500亿美元,研究人员有动力推进该领域的发展。