新電解質(zhì)材料銫錫碘（CsSnI）的晶體結(jié)構(gòu)，以及光學(xué)和電學(xué)傳導(dǎo)屬性。   來(lái)源：西北大學(xué)

尤其是，這種設(shè)備首次解決了格拉茲爾電池（Grätzel cell）的問(wèn)題，這是一種很有前途的低成本環(huán)保太陽(yáng)能電池，但具有顯著的缺點(diǎn)：就是泄漏。這種染料敏化電池（dye-sensitized cell）的電解質(zhì)是用有機(jī)液體制成，會(huì)泄漏，而且會(huì)腐蝕太陽(yáng)能電池本身。

格拉茲爾電池使用分子染料吸收陽(yáng)光，再轉(zhuǎn)換為電能，就像植物中的葉綠素（chlorophyll）。但是，這些電池使用壽命通常都不到18個(gè)月，這就使它們不能進(jìn)行商用。研究人員一直在尋找替代材料，已經(jīng)有二十年。

在西北大學(xué)，跨學(xué)科協(xié)作是一個(gè)基礎(chǔ)，納米技術(shù)專家羅伯特•P.H.昌（Robert P. H. Chang）提出質(zhì)疑，與化學(xué)家梅爾庫(kù)麗•卡納其迪斯（Mercouri Kanatzidis）討論格拉茲爾電池問(wèn)題。卡納其迪斯的解決方案是一種新材料，用于這種電解質(zhì)，實(shí)際上，這種材料開(kāi)始是一種液體，最后成為一種固體物質(zhì)。這樣，這種新的全固態(tài)太陽(yáng)能電池本質(zhì)上就是穩(wěn)定的。

“格拉茲爾電池在概念上像是燈泡，但沒(méi)有鎢絲或碳材料，”卡納其迪斯說(shuō)，需要更換這種麻煩的液體。“我們創(chuàng)造了一種強(qiáng)大的新材料，可以使格拉茲爾電池效果更好。我們的材料是固體，不是液體，所以應(yīng)該不會(huì)泄漏或腐蝕。”

博士后研究生純因（In Chung）在卡納其迪斯小組工作，與研究生李斌洪（Byunghong Lee）密切合作，李斌洪屬于羅伯特•P.H.昌的小組，他們開(kāi)發(fā)出這種新電池，取得的性能提升總體上看大約是每月1％。

西北大學(xué)的這種太陽(yáng)能電池中，薄膜復(fù)合材料是用銫（cesium）、錫和碘制成，稱為CsSnI3（銫錫碘），這種復(fù)合物取代了格拉茲爾電池中的整個(gè)液體電解質(zhì)。這種新的太陽(yáng)能電池更高效，更穩(wěn)定，使用壽命更長(zhǎng)，詳細(xì)內(nèi)容發(fā)表在5月24日的《自然》雜志上。

CsSnI3固態(tài)太陽(yáng)能電池組件的能級(jí)。來(lái)源：西北大學(xué)

羅伯特•P.H.昌說(shuō)：“這是第一次演示全固態(tài)染料敏化太陽(yáng)能電池系統(tǒng)，有望超過(guò)格拉茲爾電池的性能。我們的研究開(kāi)辟了一種可能性，就是這些材料有可能成為最先進(jìn)的，產(chǎn)生高得多的效率，超過(guò)我們迄今所見(jiàn)過(guò)的。”

西北大學(xué)的這款太陽(yáng)能電池表現(xiàn)出的最高轉(zhuǎn)換效率大約是10.2％，這是迄今報(bào)道過(guò)的最高效率，對(duì)于固態(tài)太陽(yáng)能電池采用染料敏化劑而言，就是這樣。這個(gè)值接近已報(bào)道的格拉茲爾電池的最高性能，就是大約11％至12％。（傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池采用高純硅制成，可以轉(zhuǎn)換大約20％的入射光）。

不同于格拉茲爾電池，這種新型太陽(yáng)能電池既使用n型也使用p型半導(dǎo)體，而且使用單層染料分子，作為兩者之間的結(jié)。每個(gè)近似球形的納米粒子，都是用二氧化鈦（titanium dioxide）制成，都是一種n型半導(dǎo)體?？{其迪斯銫錫碘薄膜材料是一種新型可溶性P型半導(dǎo)體。

電子顯微鏡圖像顯示的橫斷面，屬于硅上的CsSnI3/TiO2電池。來(lái)源：西北大學(xué)

“我們的廉價(jià)太陽(yáng)能電池完全使用納米技術(shù)，”羅伯特•P.H.昌說(shuō)。“我們有億萬(wàn)顆納米粒子，這給予我們巨大的有效表面積，我們給所有的粒子都涂上吸光染料。”

單個(gè)太陽(yáng)能電池的尺寸是半厘米×半厘米，約10微米厚。這種有染料涂層的納米粒子被包進(jìn)去，卡納其迪斯的新材料，開(kāi)始時(shí)是液體，可倒進(jìn)去，會(huì)在納米粒子周圍流動(dòng)。很像油漆一樣，這種溶劑會(huì)蒸發(fā)，形成固態(tài)物質(zhì)。這種吸光染料中的光子會(huì)被轉(zhuǎn)換成電能，吸光染料就在兩個(gè)半導(dǎo)體之間。

羅伯特•昌選擇使用的納米粒子，直徑約20納米。這種尺寸會(huì)優(yōu)化設(shè)備，他說(shuō)，增加表面積，而且可以在粒子之間形成足夠的空間，使卡納其迪斯的材料可以流過(guò)去，并沉淀。

從技術(shù)上講，這種新的電池不是真正的格拉茲爾電池，因?yàn)橛每讓?dǎo)電的材料CsSnI3本身也吸收光。事實(shí)上，這種材料可吸收更多的光，吸收更廣泛的可見(jiàn)光譜，勝過(guò)格拉茲爾電池使用的典型染料?？{其迪斯-羅伯特•昌的電池中，CsSnI3也發(fā)揮其他作用，使電池運(yùn)行，這一作用不是液體電解質(zhì)電偶具有的，這一作用就是吸收光。

“這僅僅是開(kāi)始，”羅伯特•昌說(shuō)。“我們的概念適用于多種類型的太陽(yáng)能電池。有很大的發(fā)展空間。”

這種輕巧的薄膜結(jié)構(gòu)可兼容自動(dòng)化生產(chǎn)，研究人員指出。他們下一步計(jì)劃制作大型太陽(yáng)能電池陣列。
更多信息：論文標(biāo)題是《全固態(tài)染料敏化太陽(yáng)能電池具有高效率》（All-Solid-State Dye-Sensitized Solar Cells With High Efficiency），《自然》，2012年5月23日。
圖1：CsSnI的晶體結(jié)構(gòu)，以及光學(xué)和電學(xué)傳導(dǎo)屬性。
圖2：CsSnI3固態(tài)太陽(yáng)能電池組件的能級(jí)。
圖3：電子顯微鏡圖像顯示的橫斷面，屬于硅上的CsSnI3/TiO2電池。