時至今日，太陽能電池的發(fā)展仍存在很多局限性，例如生產成本高、運行效率低以及耐用性問題。此外，很多太陽能電池的原材料都含有毒性，且屬于稀缺材料。近日，美國西北大學的研究團隊研發(fā)出一種新型的太陽能電池，從理論上可以最大限度地減少太陽能電池技術所面對的所有局限性。

這種新型太陽能電池的研發(fā)得益于跨學科協(xié)作。納米技術專家羅伯特·張與化學家科瑞·卡納茨迪斯作為研究團隊的重要成員，共同提出使用一種新材料來解決太陽能電池的局限性。在新型太陽能電池中，薄膜復合材料由銫、錫和碘制成，稱為CsSnI3。這種復合物質取代了染料敏化太陽能電池中的液體電解質。實際上，這種材料開始也是一種液體，最后會形成一種固體物質。這種新的全固態(tài)太陽能電池本質上更高效，更穩(wěn)定，使用壽命更長。

科瑞·卡納茨迪斯說：我們創(chuàng)造了一種性能強大的新材料，可以使染料敏化太陽能電池效果更好。新的材料呈固態(tài)，而不是液態(tài)，所以防止了泄漏或腐蝕。

羅伯特·張表示：我們的太陽能電池完全采用納米技術。億萬顆納米粒子給予了我們巨大的有效表面積，可以為所有的粒子都涂上吸光染料。

眾所周知，太陽能電池發(fā)展至今，為了降低高昂的原材料成本，為了讓太陽能電池具有環(huán)保性能，科學家開始使用染料敏化太陽能電池技術。這其中最具代表性的就是格拉茲爾電池。它低廉的成本與環(huán)保性能，以及相對較高的轉換率，都讓這種電池具有光明的發(fā)展前景。然而，格拉茲爾電池的缺點也很顯著。這種染料敏化電池的電解質使用有機液體制成，會發(fā)生泄漏，并會腐蝕太陽能電池本身。

此外，格拉茲爾電池使用分子染料吸收陽光，再轉換為電能，就像植物光合用途中的葉綠素。但是，這種電池的使用壽命通常都不到18個月，這就使其商用價值比較低。

新型的太陽能電池也屬于染料敏化電池，并在格拉茲爾電池的基礎上，著重解決了材料和性能上的缺陷。這種新型太陽能電池同時使用n型和p型半導體，并使用單層染料分子連結。每個近似球形的納米粒子，都是由二氧化鈦制成，作為一種n型半導體。而銫錫碘薄膜材料則作為一種新型的可溶P型半導體。

單個太陽能電池的尺寸約10微米厚，把有染料涂層的納米粒子包進去。銫錫碘薄膜材料開始時呈液態(tài)，倒入電池中會在納米粒子周圍流動，經過蒸發(fā)，形成固態(tài)物質。這種吸光染料中的光子會轉換成電能，而吸光染料存在于兩個半導體之間。

從技術上講，CsSnI3發(fā)揮的用途更加全面，不僅作為電解質使電池運行，同時，CsSnI3本身也吸收光。這種材料能夠吸收更多的光子，吸收更廣泛的可見光譜，性能勝過格拉茲爾電池使用的傳統(tǒng)染料。

實驗顯示，這種新型太陽能電池表現(xiàn)出的最高轉換效率大約是10.2％?，F(xiàn)有的最佳固態(tài)燃料動力鋰電池的轉換率只有7％。相比較而言，傳統(tǒng)太陽能電池采用高純度的硅制成，可以轉換大約20％的入射光。格拉茲爾電池的最高轉換性能大約在11％至12％。但是，綜合原料成本、耐用性及環(huán)保性能，這種新型太陽能電池的表現(xiàn)已經可以讓人眼前一亮了。同時，經過加速試驗，這種新型太陽能電池擁有的穩(wěn)定性更持久，使用壽命相當于25年。良好的成本效益，證明了它在商業(yè)上的可行性。

美國丹佛大學有機太陽能電池專家肖恩·夏新認為：在標準測量條件下，西北大學的太陽能電池效率更接近8％，這有關染料敏化電池技術來說已經是一個重要的進展了。斯坦福大學高級光電分子中心主任邁克爾·麥吉也表示：在染料敏化電池這一領域，西北大學的進展最終將能把高雅的科學奇想轉化為實用的發(fā)電設備。

西北大學的研究團隊表示，全固態(tài)染料敏化太陽能電池系統(tǒng)在實驗中一直保持總體性能的提升態(tài)勢。羅伯特·張說：我們有望超過格拉茲爾電池的性能。我們的研究開辟了一種新的可能性。這些新材料有可能制造出迄今所見過的最先進、效率最高的太陽能電池。

研究團隊指出，這種輕巧的薄膜結構可兼容自動化生產，這種概念適用于多種類型的太陽能電池，下一步將計劃制作大型太陽能電池陣列。