管窺新型太陽能電池

海川

隨著全球氣候環境日益惡化和化石能源的不可再生性，人們對清潔可再生能源的利用迫在眉睫。太陽是太陽系的中心天體，是距離地球最近的恒星，其內部在不斷的進行熱核反應，穩定地向宇宙空間輻射能量，相當于全球一年內消耗總能量的3.5萬倍。太陽能因其清潔、儲量大、分布廣泛等優點備受關注，對太陽能的利用中，太陽能電池占據了很大比例。

太陽能電池，是基于光生伏特效應開發出來的一種光電轉換器件，目前國際光伏市場上的太陽能電池主要有晶體硅（包括單晶硅、多晶硅）、非晶/單晶異質結（HIT）、非晶硅薄膜、碲化鎘（CdTe）薄膜及銅銦硒（CIS）薄膜太陽電池等。其中商品化的晶體硅太陽能電池仍占主流，其光電轉化效率已達25%，其計算的轉換效率的極限值為31%，但受到材料純度和制備工藝限制，很難再提高其轉化效率或降低成本；而非晶硅太陽能電池雖然能大面積生產，造價又低廉，但其轉換效率仍比較低，并且穩定性差。

下面就逐一介紹幾種腦洞大開的太陽能電池，盡管有的還處于技術研發階段甚至是學術研究階段，但無疑給我們提供了頗具參考價值的啟示。

日落后繼續工作的太陽能電池

作為全球最為著名的技術榜單之一，《麻省理工科技評論》全球十大突破性技術具備極大的全球影響力和權威性。今年的這一榜單提到了一項能源技術：太陽能熱光伏電池，這是一種可以讓太陽能電池效率翻倍的技術。

這項新設計可能會催生出在日落后依然可以工作的廉價太陽能發電技術。這項技術由麻省理工學院的David Bierman，Marin Soljacic，Evelyn Wang和普渡大學Vladimir Shalaev共同研究。該技術預計在2027—2032年期間發展成熟實現應用。

實現太陽能電池效率翻倍的秘訣在于先將太陽光變成熱能，然后將其重新變成聚集在太陽能電池可以使用的光譜范圍內的光。而且，麻省理工學院的這個裝置是第一個可以比只使用光伏電池吸收更多能量的裝置。

該技術能成功實現的關鍵步驟是開發了一種叫作吸收—輻射器的工具，它本質上就是一個放在太陽能電池上方的光漏斗。吸收層由實心的黑色碳納米管構成，用來捕獲太陽光中的所有能量并將其中的大部分轉化為熱。

麻省理工學院團隊的這項技術當然也有其弊端，比如部分部件相對而言價格仍然非常高昂，以及目前僅能在真空環境下工作等。不過其經濟性應該會隨著效率的提高而提高。

如果研究人員可以整合儲熱設備，并提高效率水平，該系統有朝一日將可以實現清潔、廉價和連續的太陽能電力供應。

雨天也能發電的太陽能電池

盡管太陽能通過電池技術改變了獲取能源的傳統方式，但這一技術受制于太陽能的最大軟肋——天氣因素，太陽能電池無法在不理想的天氣情況下輸出最優功率。

雖說雨水可以沖洗掉太陽能電池上阻礙光線照射的灰塵或污垢，相對起到了提高效率的作用。但不可否認的是，當碰到下雨或多云的天氣，太陽能電池的產能效率也隨之大打折扣，其中的能量幾乎全是之前儲存的。

多年來，工程師和材料學家在提高太陽能電池發電效率、擴大儲電容量上的作為頗多。然而，中國科學家們另辟蹊徑，借助“萬能石”石墨烯，成功開發出一種和雨天相當“合拍”的新型太陽能電池。

“我們想要開發出一種陽光和雨水都可觸發的太陽能電池。”該研究的領頭人中國海洋大學材料科學家唐群委說。

2016年3月21日，中國海洋大學（青島）與云南師范大學（昆明）的科研團隊在德國期刊《應用化學國際版》上發布研究報告詳細闡述了這項成果，為了使得雨水也能產生電能，研究人員在高效染料敏化太陽能電池表面上覆蓋了一層石墨烯薄膜。

眾所周知，石墨烯是一種碳原子呈蜂窩狀排列組合成的二維晶體，具有優異的導電性等，其表面富含大量離域電子（即自由移動的電子），在遇水的情況下，石墨烯的電子可吸引正電荷離子，即我們熟知的路易斯酸堿電子理論，這一屬性也可用于去除溶液中的鉛離子和有機染料。

該科研團隊受此啟發，使用石墨烯薄膜從雨水中獲取電能。要知道，雨水并不是毫無雜質的純凈水，其中含有能分離成正負離子的鹽份，其中正電荷離子主要為鈉離子、鈣離子與氨鹽基。據外媒《IEEE綜覽》報道，為了巧妙利用這些化學成分，科學家選用了能夠吸引正離子的石墨烯薄膜，在雨水與石墨烯的接觸點上，這些成分會被吸附到石墨烯表面，這層帶正電的離子層會與石墨烯的負電電子作用結合，形成一個電子與正電荷離子組成的雙層結構，能起到電容器一樣儲備電能的效果，雙層間的勢能差足以產生電壓和電流。

在測試過程中，科學家們在染料敏化太陽能電池上加了一層石墨烯薄膜，然后把它們放在一種由銦錫氧化物和塑料制成的柔韌且透明的基質上，由此形成的柔韌度高的太陽能電池的光電轉換效率為6.53%，并能從用來模擬雨水的鹽水中產生數百的微伏特（microvolt）。

“未來太陽能電池的發展趨向可能是全天候的。”唐群委說，但這一研究尚處于概念階段，距離投入商用還需很長一段時間。唐群委還表示，他們未來的研究力度將集中于如何有效控制雨水中的各種離子，以及如何利用雨中那些常見的低濃度離子發電。

令人期待的鈣鈦礦太陽能電池

自從2009年日本學者首次研究鈣鈦礦敏化太陽能電池，經過6年的發展，鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率從最初的3.1%躍遷到22.1%，與商業化多年的硅基電池、多晶硅電池、CIGS、CdTe等化合物薄膜電池相當，激發了人們極大的研究熱情。

鈣鈦礦型太陽能電池（perovskite solar cells）是利用鈣鈦礦型的有機金屬鹵化物半導體作為吸光材料的太陽能電池。其具有優異的太陽能-電能轉換效率（PCE），且擁有生產成本低、生產原料和工藝簡單、生產過程綠色環保等優點。

作為一種新型薄膜光伏技術，鈣鈦礦太陽能電池在2013年被science評為十大科技進展之一。近日，多倫多大學的研究團隊又突破了一項生產低成本可印刷式鈣鈦礦太陽能電池的技術瓶頸。多倫多大學的Ted Sargent教授稱“鈣鈦礦型太陽能電池能夠以現有技術印刷生產廉價低成本的太陽能電池，鈣鈦礦型太陽能與硅基太陽能電池的結合能夠共同提高轉化效率，這種優勢現在能夠在低溫中實現。”

而他們開發了一種全新的工藝，來生產太陽能電池關鍵性元件-選擇性電極單基板（ESL，electron-selective layer），能夠在光晶和電子電路間構建橋梁，新的工藝構建的選擇性電極單基板為鈣鈦礦型太陽能電池的低溫生產掃除了障礙，讓可印刷式鈣鈦礦型太陽能電池成為現實。

研究團隊的領導者Hairen Tan博士稱“傳統上生產ESL部件都需要在較高的溫度以上（500 ）進行，這樣你就不能將柔性塑料板放于纖維化的硅基太陽能電池上，這樣會熔化。”

而新的反應工藝能夠讓ESL生長在溶劑的電極上，這樣能夠150攝氏度下打造出ESL部件，這一溫度遠遠低于大多數塑料制品的熔點。以此工藝生產出來的可印刷式鈣鈦礦型太陽能電池的光電轉換效率已經達到了20.1%，僅僅稍低于高溫工藝生產的鈣鈦礦型太陽能電池的22.1%的光電轉換效率。而Tan博士團隊生產的新型可印刷式鈣鈦礦型太陽能電池能夠在使用500小時后，仍維持90%以上的原有效率。

我國在鈣鈦礦電池研發領域也取得重要突破。去年底，上海交通大學韓禮元教授團隊和蘇州黎元新能源科技有限公司合作研發，使面積36平方厘米鈣鈦礦太陽能組件的能量轉化效率突破了12%。這一成果刊登在日前出版的光伏領域權威雜志《太陽能電池效率記錄表》上，并獲得了國際權威認證機構日本產業技術綜合研究所的認證。

韓禮元教授團隊采用印刷方式取代實驗室旋涂工藝，使得大面積均勻制模成為可能。在通過高精度集成模塊設計提高電池有效面積的同時，結合材料配方的改進，保證了電池組生產效率的重復性和可靠性。上海交通大學太陽能轉換材料研究中心陳漢博士表示，上述研究攻克了大面積制備鈣鈦礦電池組的技術瓶頸，對推動其大規模產業化進程有著重要意義。

超細粉末國家工程研究中心主任馬新勝教授表示，與傳統薄膜電池相比，鈣鈦礦薄膜電池可擺脫對環境和高造價原材料的依賴，大大降低操作難度和設備成本。其產業化前景良好，有望打破目前硅太陽能電池的壟斷格局。

但是，鈣鈦礦電池普遍存在穩定性問題，很多電池在測試的過程中就發生了衰變，鈣鈦礦太陽能電池也普遍存在遲滯現象，這些問題減慢了鈣鈦礦太陽能電池走向商業化的進程。此外，目前研發的鈣鈦礦電池面積多為1平方厘米及以下，大面積高效率組件面臨的技術挑戰，成為其走出實驗室邁向規模化生產的主要障礙。科學家們正在全力以赴地尋找解決方法。

用3D打印研發柔性太陽能電池

雖然特斯拉已經在市場上占據了主導地位，但其電動汽車的電力是需要充電來完成的，而不是自給自足。而國際上奇思妙想的工程師們正在積極開發一種新的汽車技術，使用3D打印的部件，不僅可以讓一輛汽車自給自足，而且在晴天的時候可以無限里程的暢弛。據報道，美國能源部投220萬美元研發太陽能3D打印技術。

近年來，鈣鈦礦電池因其制備技術簡單，成本低廉，轉換效率高等優勢成為了研究熱點。目前研究的鈣鈦礦電池主要沉積在導電玻璃（FTO、ITO）上，由于玻璃的易碎性，大大的限制了鈣鈦礦電池的應用。可穿戴電子設備的興起，使柔性光電子器件得研發受到了重視。鈣鈦礦電池屬于薄膜電池，其在一定程度上具有彎曲的能力，因而，柔性鈣鈦礦電池器件的制備成為可能。

柔性基底一般為有機聚合物，其耐熱性能較差，而在常規的鈣鈦礦電池中，金屬氧化物界面層需要很高的燒結溫度（500-600℃），這個溫度會對柔性基底產生毀滅性的損壞。另外柔性鈣鈦礦電池常用ITO作為底電極，ITO方塊電阻為10Ω/sq～50Ω/sq，阻值較大，對于大面積器件的效率影響較大。

據了解，國際上也對3D打印技術進行了積極的探索，之前一家澳大利亞的研究機構利用3D打印技術還開發出了一種薄如紙張的太陽能電池，甚至能為一整棟摩天大樓提供能源。西班牙的Oxolutia公司也研制出了一種全新的光電池：SolarOxides，意為太陽能氧化物，這是一種非常柔性的光伏太陽能電池，可通過3D打印制造。

將太陽光聚焦在電池陣列上，賓州州立大學還發明了CPV面板。通過3D打印技術，總厚度僅有一厘米，除太陽能電池和布線以外99%的材料都是由丙烯酸類塑料或樹脂玻璃組成的。然而，CPV有它的局限性，只適用于有大量陽光直射的區域，像美國西南地區。

麻省理工學院認為3D打印技術將為太陽能電池技術帶來變革，不僅僅提高20%的能源效率，還可以帶來高達50%的材料節約。隨著3D打印技術與傳統制造技術的緊密結合，未來，不僅僅是汽車，更可能是一座大廈的外墻都將實現能源的自給自足。

華中科技大學針對現有技術的以上缺陷或改進需求，發明了柔性鈣鈦礦太陽能電池的結構，其目的在于通過采用高電導率的金屬作為底電極取代傳統的導電性較差的ITO，減小底電極電阻，使其具備制備大面積器件的潛能。據悉，華中科技大學還通過采用無需高溫加熱的摻雜電子收集層收集電子，解決了柔性基底耐熱性差的難題。

華中科技大學的柔性鈣鈦礦太陽能電池由柔性基底、金屬底電極、摻雜電子收集層、鈣鈦礦層、空穴傳輸層和透明導電高分子頂電極組成。其中金屬底電極為通過磁控濺射、熱蒸發、噴涂或3D打印方法沉積的金屬材料。這種電池在標準太陽光下，效率達到11%；彎折性能強，在半徑為10mm的曲率下，彎折1000次以上，電池性能衰減很小。此太陽能電池可以應用在曲面墻壁、汽車頂端等不能用剛性材料的發電裝置上，能夠在不影響器件性能的情況下彎曲。看來，讓汽車實現晴天無限里程的馳騁，我們離這樣的夢想更近了。

有機太陽能電池

近日，中國科學院國家納米科學中心納米系統與多級次制造重點實驗室研究員魏志祥、呂琨、博士鄧丹和西安交通大學教授馬偉等合作，設計并合成的可溶性有機小分子光伏材料，通過活性層形貌優化，獲得了11.3%的光電轉換效率，這是目前文獻報道的可溶性有機小分子太陽能電池的最高效率，也是有機太陽能電池的最高效率之一。相關研究成果發表在《自然-通訊》（Nature Commun.， 2016， 7， 13740）上。該成果得到國家重點研發計劃“納米科技”重點專項、國家自然科學基金重點項目、中科院納米先導專項等項目的支持。

與此同時，由南開大學化學學院教授陳永勝領銜的團隊在有機太陽能電池領域研究中也取得突破性進展。他們利用寡聚物材料互補吸光策略構建出一種具有寬光譜吸收特性的疊層有機太陽能電池器件，實現了12.7%的光電轉化效率。據了解，這也是目前文獻報道過的有機/高分子太陽能電池光電轉化效率的最高紀錄。

有機太陽能電池因為其具有原材料來源豐富、成本低廉、質量輕、可通過印刷制備為大面積柔性器件等優點，成為具有重要應用前景的太陽能利用方式，近年來引起廣泛關注。在活性層材料中，相比于聚合物材料，可溶性有機小分子具有純度高、明確的分子結構和分子量等優點。但是，目前基于有機小分子太陽能電池的效率依然需要進一步提升，尤其是性能更為穩定的反向器件的最高能量轉換效率低于9%。

自1958年第一個有機太陽能電池器件誕生至今，如何提高光電轉換效率就始終困擾著各國科學家。這一問題也直接決定著有機太陽能電池能否走出實驗室、走進人類的生產生活。

“作為新興的前沿研究領域，近年來，得益于光活性層材料的設計開發和器件結構的不斷優化，有機太陽能電池能量轉化效率有了大幅攀升。”陳永勝說，他與他的團隊多年來對有機光伏器件材料篩選和構筑工藝進行深入系統研究，開發了一系列可溶液處理的高效率寡聚物型分子活性層材料，于2015年實現了超過10%的光電轉換效率。

考慮到產業化要求，使用具有不同光譜吸收范圍的活性材料制備疊層光伏器件是進一步提高光電轉化效率的有效策略。基于該思路，陳永勝教授團隊與華南理工大學研究團隊等開展合作，采用與工業化生產兼容的溶液加工方法制備得到高效有機太陽能器件。經過工藝優化，最終實現了12.7%的驗證效率。

根據相關設計原理，通過材料和器件的進一步優化，光電轉換效率還有進一步提升的空間，有望達到15%以上。“下一步，我們將主要解決電池壽命問題，進一步提高能量轉化效率。相信有機太陽能電池從實驗室真正走向實際應用、實現商品化生產的夢想將在不久的將來成為現實。”陳永勝說。

提高光電轉換效率的兩個主要途徑，一是通過分子設計調控能級結構，二是通過改善器件活性層形貌從而降低電荷復合，減少能量損失。魏志祥課題組通過改變可溶性小分子的端基受體中氟原子的個數，實現了這兩個方面的協同優化。氟化端基有利于降低材料的HOMO能級和光學帶隙；同時可以降低與富勒烯受體的相容性和材料的表面能。研究表明，氟化端基誘導了材料在水平方向上多級次相尺寸的分布，即同時存在相純度高且利于電荷傳輸的大尺寸顆粒（約100nm）以及增加給受體界面面積且利于電荷分離的小尺寸顆粒（約15nm）。這種多級次相尺寸的分布使電荷分離和傳輸更趨于平衡，減少了電荷的復合，從而減少能量損失。在垂直方向上，氟化端基提高了表面給體材料的富集程度，在正極表面形成了電子阻擋層，進一步減少了能量損失，從而實現了器件效率的提升。

基于此，該課題組提出了反向器件活性層的理想形貌模型，在水平上形成多尺度納米組裝結構，在垂直方向上形成有利于電荷收集的垂直相分布。該工作深入闡述了高效光伏材料的分子設計、形貌調控和器件性能之間的內在關系，對高效率有機光伏材料的設計具有重要借鑒意義。