管窥新型太阳能电池

海川

随着全球气候环境日益恶化和化石能源的不可再生性，人们对清洁可再生能源的利用迫在眉睫。太阳是太阳系的中心天体，是距离地球最近的恒星，其内部在不断的进行热核反应，稳定地向宇宙空间辐射能量，相当于全球一年内消耗总能量的3.5万倍。太阳能因其清洁、储量大、分布广泛等优点备受关注，对太阳能的利用中，太阳能电池占据了很大比例。

太阳能电池，是基于光生伏特效应开发出来的一种光电转换器件，目前国际光伏市场上的太阳能电池主要有晶体硅（包括单晶硅、多晶硅）、非晶/单晶异质结（HIT）、非晶硅薄膜、碲化镉（CdTe）薄膜及铜铟硒（CIS）薄膜太阳电池等。其中商品化的晶体硅太阳能电池仍占主流，其光电转化效率已达25%，其计算的转换效率的极限值为31%，但受到材料纯度和制备工艺限制，很难再提高其转化效率或降低成本；而非晶硅太阳能电池虽然能大面积生产，造价又低廉，但其转换效率仍比较低，并且稳定性差。

下面就逐一介绍几种脑洞大开的太阳能电池，尽管有的还处于技术研发阶段甚至是学术研究阶段，但无疑给我们提供了颇具参考价值的启示。

日落后继续工作的太阳能电池

作为全球最为著名的技术榜单之一，《麻省理工科技评论》全球十大突破性技术具备极大的全球影响力和权威性。今年的这一榜单提到了一项能源技术：太阳能热光伏电池，这是一种可以让太阳能电池效率翻倍的技术。

这项新设计可能会催生出在日落后依然可以工作的廉价太阳能发电技术。这项技术由麻省理工学院的David Bierman，Marin Soljacic，Evelyn Wang和普渡大学Vladimir Shalaev共同研究。该技术预计在2027—2032年期间发展成熟实现应用。

实现太阳能电池效率翻倍的秘诀在于先将太阳光变成热能，然后将其重新变成聚集在太阳能电池可以使用的光谱范围内的光。而且，麻省理工学院的这个装置是第一个可以比只使用光伏电池吸收更多能量的装置。

该技术能成功实现的关键步骤是开发了一种叫作吸收—辐射器的工具，它本质上就是一个放在太阳能电池上方的光漏斗。吸收层由实心的黑色碳纳米管构成，用来捕获太阳光中的所有能量并将其中的大部分转化为热。

麻省理工学院团队的这项技术当然也有其弊端，比如部分部件相对而言价格仍然非常高昂，以及目前仅能在真空环境下工作等。不过其经济性应该会随着效率的提高而提高。

如果研究人员可以整合储热设备，并提高效率水平，该系统有朝一日将可以实现清洁、廉价和连续的太阳能电力供应。

雨天也能发电的太阳能电池

尽管太阳能通过电池技术改变了获取能源的传统方式，但这一技术受制于太阳能的最大软肋——天气因素，太阳能电池无法在不理想的天气情况下输出最优功率。

虽说雨水可以冲洗掉太阳能电池上阻碍光线照射的灰尘或污垢，相对起到了提高效率的作用。但不可否认的是，当碰到下雨或多云的天气，太阳能电池的产能效率也随之大打折扣，其中的能量几乎全是之前储存的。

多年来，工程师和材料学家在提高太阳能电池发电效率、扩大储电容量上的作为颇多。然而，中国科学家们另辟蹊径，借助“万能石”石墨烯，成功开发出一种和雨天相当“合拍”的新型太阳能电池。

“我们想要开发出一种阳光和雨水都可触发的太阳能电池。”该研究的领头人中国海洋大学材料科学家唐群委说。

2016年3月21日，中国海洋大学（青岛）与云南师范大学（昆明）的科研团队在德国期刊《应用化学国际版》上发布研究报告详细阐述了这项成果，为了使得雨水也能产生电能，研究人员在高效染料敏化太阳能电池表面上覆盖了一层石墨烯薄膜。

众所周知，石墨烯是一种碳原子呈蜂窝状排列组合成的二维晶体，具有优异的导电性等，其表面富含大量离域电子（即自由移动的电子），在遇水的情况下，石墨烯的电子可吸引正电荷离子，即我们熟知的路易斯酸碱电子理论，这一属性也可用于去除溶液中的铅离子和有机染料。

该科研团队受此启发，使用石墨烯薄膜从雨水中获取电能。要知道，雨水并不是毫无杂质的纯净水，其中含有能分离成正负离子的盐份，其中正电荷离子主要为钠离子、钙离子与氨盐基。据外媒《IEEE综览》报道，为了巧妙利用这些化学成分，科学家选用了能够吸引正离子的石墨烯薄膜，在雨水与石墨烯的接触点上，这些成分会被吸附到石墨烯表面，这层带正电的离子层会与石墨烯的负电电子作用结合，形成一个电子与正电荷离子组成的双层结构，能起到电容器一样储备电能的效果，双层间的势能差足以产生电压和电流。

在测试过程中，科学家们在染料敏化太阳能电池上加了一层石墨烯薄膜，然后把它们放在一种由铟锡氧化物和塑料制成的柔韧且透明的基质上，由此形成的柔韧度高的太阳能电池的光电转换效率为6.53%，并能从用来模拟雨水的盐水中产生数百的微伏特（microvolt）。

“未来太阳能电池的发展趋向可能是全天候的。”唐群委说，但这一研究尚处于概念阶段，距离投入商用还需很长一段时间。唐群委还表示，他们未来的研究力度将集中于如何有效控制雨水中的各种离子，以及如何利用雨中那些常见的低浓度离子发电。

令人期待的钙钛矿太阳能电池

自从2009年日本学者首次研究钙钛矿敏化太阳能电池，经过6年的发展，钙钛矿太阳能电池的光电转换效率从最初的3.1%跃迁到22.1%，与商业化多年的硅基电池、多晶硅电池、CIGS、CdTe等化合物薄膜电池相当，激发了人们极大的研究热情。

钙钛矿型太阳能电池（perovskite solar cells）是利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳能电池。其具有优异的太阳能-电能转换效率（PCE），且拥有生产成本低、生产原料和工艺简单、生产过程绿色环保等优点。

作为一种新型薄膜光伏技术，钙钛矿太阳能电池在2013年被science评为十大科技进展之一。近日，多伦多大学的研究团队又突破了一項生产低成本可印刷式钙钛矿太阳能电池的技术瓶颈。多伦多大学的Ted Sargent教授称“钙钛矿型太阳能电池能够以现有技术印刷生产廉价低成本的太阳能电池，钙钛矿型太阳能与硅基太阳能电池的结合能够共同提高转化效率，这种优势现在能够在低温中实现。”

而他们开发了一种全新的工艺，来生产太阳能电池关键性元件-选择性电极单基板（ESL，electron-selective layer），能够在光晶和电子电路间构建桥梁，新的工艺构建的选择性电极单基板为钙钛矿型太阳能电池的低温生产扫除了障碍，让可印刷式钙钛矿型太阳能电池成为现实。

研究团队的领导者Hairen Tan博士称“传统上生产ESL部件都需要在较高的温度以上（500 ）进行，这样你就不能将柔性塑料板放于纤维化的硅基太阳能电池上，这样会熔化。”

而新的反应工艺能够让ESL生长在溶剂的电极上，这样能够150摄氏度下打造出ESL部件，这一温度远远低于大多数塑料制品的熔点。以此工艺生产出来的可印刷式钙钛矿型太阳能电池的光电转换效率已经达到了20.1%，仅仅稍低于高温工艺生产的钙钛矿型太阳能电池的22.1%的光电转换效率。而Tan博士团队生产的新型可印刷式钙钛矿型太阳能电池能够在使用500小时后，仍维持90%以上的原有效率。

我国在钙钛矿电池研发领域也取得重要突破。去年底，上海交通大学韩礼元教授团队和苏州黎元新能源科技有限公司合作研发，使面积36平方厘米钙钛矿太阳能组件的能量转化效率突破了12%。这一成果刊登在日前出版的光伏领域权威杂志《太阳能电池效率记录表》上，并获得了国际权威认证机构日本产业技术综合研究所的认证。

韩礼元教授团队采用印刷方式取代实验室旋涂工艺，使得大面积均匀制模成为可能。在通过高精度集成模块设计提高电池有效面积的同时，结合材料配方的改进，保证了电池组生产效率的重复性和可靠性。上海交通大学太阳能转换材料研究中心陈汉博士表示，上述研究攻克了大面积制备钙钛矿电池组的技术瓶颈，对推动其大规模产业化进程有着重要意义。

超细粉末国家工程研究中心主任马新胜教授表示，与传统薄膜电池相比，钙钛矿薄膜电池可摆脱对环境和高造价原材料的依赖，大大降低操作难度和设备成本。其产业化前景良好，有望打破目前硅太阳能电池的垄断格局。

但是，钙钛矿电池普遍存在稳定性问题，很多电池在测试的过程中就发生了衰变，钙钛矿太阳能电池也普遍存在迟滞现象，这些问题减慢了钙钛矿太阳能电池走向商业化的进程。此外，目前研发的钙钛矿电池面积多为1平方厘米及以下，大面积高效率组件面临的技术挑战，成为其走出实验室迈向规模化生产的主要障碍。科学家们正在全力以赴地寻找解决方法。

用3D打印研发柔性太阳能电池

虽然特斯拉已经在市场上占据了主导地位，但其电动汽车的电力是需要充电来完成的，而不是自给自足。而国际上奇思妙想的工程师们正在积极开发一种新的汽车技术，使用3D打印的部件，不仅可以让一辆汽车自给自足，而且在晴天的时候可以无限里程的畅弛。据报道，美国能源部投220万美元研发太阳能3D打印技术。

近年来，钙钛矿电池因其制备技术简单，成本低廉，转换效率高等优势成为了研究热点。目前研究的钙钛矿电池主要沉积在导电玻璃（FTO、ITO）上，由于玻璃的易碎性，大大的限制了钙钛矿电池的应用。可穿戴电子设备的兴起，使柔性光电子器件得研发受到了重视。钙钛矿电池属于薄膜电池，其在一定程度上具有弯曲的能力，因而，柔性钙钛矿电池器件的制备成为可能。

柔性基底一般为有机聚合物，其耐热性能较差，而在常规的钙钛矿电池中，金属氧化物界面层需要很高的烧结温度（500-600℃），这个温度会对柔性基底产生毁灭性的损坏。另外柔性钙钛矿电池常用ITO作为底电极，ITO方块电阻为10Ω/sq～50Ω/sq，阻值较大，对于大面积器件的效率影响较大。

据了解，国际上也对3D打印技术进行了积极的探索，之前一家澳大利亚的研究机构利用3D打印技术还开发出了一种薄如纸张的太阳能电池，甚至能为一整栋摩天大楼提供能源。西班牙的Oxolutia公司也研制出了一种全新的光电池：SolarOxides，意为太阳能氧化物，这是一种非常柔性的光伏太阳能电池，可通过3D打印制造。

将太阳光聚焦在电池阵列上，宾州州立大学还发明了CPV面板。通过3D打印技术，总厚度仅有一厘米，除太阳能电池和布线以外99%的材料都是由丙烯酸类塑料或树脂玻璃组成的。然而，CPV有它的局限性，只适用于有大量阳光直射的区域，像美国西南地区。

麻省理工学院认为3D打印技术将为太阳能电池技术带来变革，不仅仅提高20%的能源效率，还可以带来高达50%的材料节约。随着3D打印技术与传统制造技术的紧密结合，未来，不仅仅是汽车，更可能是一座大厦的外墙都将实现能源的自给自足。

华中科技大学针对现有技术的以上缺陷或改进需求，发明了柔性钙钛矿太阳能电池的结构，其目的在于通过采用高电导率的金属作为底电极取代传统的导电性较差的ITO，减小底电极电阻，使其具备制备大面积器件的潜能。据悉，华中科技大学还通过采用无需高温加热的掺杂电子收集层收集电子，解决了柔性基底耐热性差的难题。

华中科技大学的柔性钙钛矿太阳能电池由柔性基底、金属底电极、掺杂电子收集层、钙钛矿层、空穴传输层和透明导电高分子顶电极组成。其中金属底电极为通过磁控溅射、热蒸发、喷涂或3D打印方法沉积的金属材料。这种电池在标准太阳光下，效率达到11%；弯折性能强，在半径为10mm的曲率下，弯折1000次以上，电池性能衰减很小。此太阳能电池可以应用在曲面墙壁、汽车顶端等不能用刚性材料的发电装置上，能够在不影响器件性能的情况下弯曲。看来，让汽车实现晴天无限里程的驰骋，我们离这样的梦想更近了。

有机太阳能电池

近日，中国科学院国家纳米科学中心纳米系统与多级次制造重点实验室研究员魏志祥、吕琨、博士邓丹和西安交通大学教授马伟等合作，设计并合成的可溶性有机小分子光伏材料，通过活性层形貌优化，获得了11.3%的光电转换效率，这是目前文献报道的可溶性有机小分子太阳能电池的最高效率，也是有机太阳能电池的最高效率之一。相关研究成果发表在《自然-通讯》（Nature Commun.， 2016， 7， 13740）上。該成果得到国家重点研发计划“纳米科技”重点专项、国家自然科学基金重点项目、中科院纳米先导专项等项目的支持。

与此同时，由南开大学化学学院教授陈永胜领衔的团队在有机太阳能电池领域研究中也取得突破性进展。他们利用寡聚物材料互补吸光策略构建出一种具有宽光谱吸收特性的叠层有机太阳能电池器件，实现了12.7%的光电转化效率。据了解，这也是目前文献报道过的有机/高分子太阳能电池光电转化效率的最高纪录。

有机太阳能电池因为其具有原材料来源丰富、成本低廉、质量轻、可通过印刷制备为大面积柔性器件等优点，成为具有重要应用前景的太阳能利用方式，近年来引起广泛关注。在活性层材料中，相比于聚合物材料，可溶性有机小分子具有纯度高、明确的分子结构和分子量等优点。但是，目前基于有机小分子太阳能电池的效率依然需要进一步提升，尤其是性能更为稳定的反向器件的最高能量转换效率低于9%。

自1958年第一個有机太阳能电池器件诞生至今，如何提高光电转换效率就始终困扰着各国科学家。这一问题也直接决定着有机太阳能电池能否走出实验室、走进人类的生产生活。

“作为新兴的前沿研究领域，近年来，得益于光活性层材料的设计开发和器件结构的不断优化，有机太阳能电池能量转化效率有了大幅攀升。”陈永胜说，他与他的团队多年来对有机光伏器件材料筛选和构筑工艺进行深入系统研究，开发了一系列可溶液处理的高效率寡聚物型分子活性层材料，于2015年实现了超过10%的光电转换效率。

考虑到产业化要求，使用具有不同光谱吸收范围的活性材料制备叠层光伏器件是进一步提高光电转化效率的有效策略。基于该思路，陈永胜教授团队与华南理工大学研究团队等开展合作，采用与工业化生产兼容的溶液加工方法制备得到高效有机太阳能器件。经过工艺优化，最终实现了12.7%的验证效率。

根据相关设计原理，通过材料和器件的进一步优化，光电转换效率还有进一步提升的空间，有望达到15%以上。“下一步，我们将主要解决电池寿命问题，进一步提高能量转化效率。相信有机太阳能电池从实验室真正走向实际应用、实现商品化生产的梦想将在不久的将来成为现实。”陈永胜说。

提高光电转换效率的两个主要途径，一是通过分子设计调控能级结构，二是通过改善器件活性层形貌从而降低电荷复合，减少能量损失。魏志祥课题组通过改变可溶性小分子的端基受体中氟原子的个数，实现了这两个方面的协同优化。氟化端基有利于降低材料的HOMO能级和光学带隙；同时可以降低与富勒烯受体的相容性和材料的表面能。研究表明，氟化端基诱导了材料在水平方向上多级次相尺寸的分布，即同时存在相纯度高且利于电荷传输的大尺寸颗粒（约100nm）以及增加给受体界面面积且利于电荷分离的小尺寸颗粒（约15nm）。这种多级次相尺寸的分布使电荷分离和传输更趋于平衡，减少了电荷的复合，从而减少能量损失。在垂直方向上，氟化端基提高了表面给体材料的富集程度，在正极表面形成了电子阻挡层，进一步减少了能量损失，从而实现了器件效率的提升。

基于此，该课题组提出了反向器件活性层的理想形貌模型，在水平上形成多尺度纳米组装结构，在垂直方向上形成有利于电荷收集的垂直相分布。该工作深入阐述了高效光伏材料的分子设计、形貌调控和器件性能之间的内在关系，对高效率有机光伏材料的设计具有重要借鉴意义。