目前，世界上大約85%的能源需求都依賴于大量的化石燃料，對(duì)環(huán)境和人類健康產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響。據(jù)預(yù)測，全球能源需求在2050年還將翻倍。因此，在全球范圍內(nèi)采取積極有效的行動(dòng)，開發(fā)高效、可持續(xù)的新能源迫在眉睫。太陽能電池，無疑是最佳候選之一。
圖1. 太陽能電池的摩爾定律（1975-2010）
來源：http://science.sciencemag.org/content/338/6107/625.full
1991年，O'Regan和Gr?tzel在Nature報(bào)道了一種設(shè)計(jì)簡單、成本相對(duì)較低、轉(zhuǎn)化效率為7%的染料敏化太陽能電池。25年來，科學(xué)家們持續(xù)開發(fā)具有更高效率的低成本太陽能電池。尤其是過去7年以來，鈣鈦礦太陽能電池的不斷發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)化效率達(dá)到22%以上。
圖2. NREL統(tǒng)計(jì)的歷年認(rèn)證的太陽能電池效率
來源：NREL
O'Regan和Gr?tzel關(guān)于染料敏化太陽能電池技術(shù)的基本概念是受光合作用的啟發(fā)：葉綠素吸收太陽光，然后轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。在他們開發(fā)的染料敏化太陽能電池中，沉積于TiO2納米顆粒表面的Ru基染料分子吸收太陽光。在染料分子和納米顆粒的界面處，產(chǎn)生激發(fā)電子和空穴，電子經(jīng)過TiO2納米顆粒傳遞到負(fù)極，然后傳遞到正極。最后，在溶劑和離子混合的液體電解液中，電子和空穴復(fù)合，回到染料分子。于是，在電子傳遞過程中，產(chǎn)生了電能。
和以往的太陽能電池相比，染料敏化太陽能電池的新穎性在于：TiO2納米顆粒為染料分子提供了非常大的比表面積。研究人員利用直徑約15 nm的TiO2納米顆粒制備了一層10 μm厚的薄膜，由于薄膜具有多孔結(jié)構(gòu)，比表面積是其幾何面積的780倍。這種薄膜和葉綠體中堆疊的葉綠囊膜類似，而葉綠體是光合作用中發(fā)生電子傳遞反應(yīng)的地方。
圖3. 染料敏化太陽能電池和鈣鈦礦太陽能電池的工作原理示意圖
自從O'Regan和Gr?tzel的關(guān)于染料敏化太陽能電池的結(jié)果發(fā)表之后，研究人員利用單核Ru基染料分子取代三核Ru基染料分子，使轉(zhuǎn)化效率提高到11%以上。接著，研究人員又利用分子工程學(xué)，利用和葉綠素結(jié)構(gòu)相似的一種供體-生色團(tuán)-受體染料，使轉(zhuǎn)化效率提高到13%。
接著，研究人員利用一種固態(tài)空穴傳輸材料取代液體電解質(zhì)，得到了固態(tài)染料敏化太陽能電池。這種太陽能電池不僅提高了太陽能電池的穩(wěn)定性，還避免了液體泄漏的問題。然而，空穴傳輸材料不能像液體電解質(zhì)那樣均勻地透過TiO2薄膜，導(dǎo)致這種固態(tài)染料敏化太陽能電池的效率卻只有液體電解質(zhì)構(gòu)建的同類染料敏化太陽能電池的一半。
圖4. 固態(tài)染料敏化太陽能電池中電子傳遞過程
來源：M. Gr?tzel et al. Solid-state dye-sensitized mesoporous TiO2 solar cells with high photon-to-electron conversion efficiencies. Nature 2016, 395, 583-585.
近7年來，研究人員利用一種通式為ABX3的鈣鈦礦替換固體染料太陽能電池中的染料分子。A和B是兩種不同的正電荷離子，X是負(fù)電荷離子。鈣鈦礦優(yōu)異的光吸收能力使鈣鈦礦太陽能電池在光伏領(lǐng)域引起轟動(dòng)。Tsutomu Miyasaka等人利用液體電解質(zhì)構(gòu)建的鈣鈦礦太陽能電池，首先使鈣鈦礦太陽能電池爆發(fā)威力。隨后，液體電解質(zhì)被替換為固體電解質(zhì)。一些課題組的研究表明，CH3NH3PbI3鈣鈦礦不僅可以用于吸光材料，而且可以作為電荷傳輸材料。
圖5. 鈣鈦礦典型結(jié)構(gòu)式
來源：NREL
現(xiàn)有的多種鈣鈦礦太陽能電池中，具有最高光電轉(zhuǎn)化效率的器件配置是以半導(dǎo)體鈣鈦礦作為吸光材料，TiO2作為電子受體，聚三芳胺高分子作為空穴傳輸材料。據(jù)預(yù)測，鈣鈦礦電池轉(zhuǎn)化效率有望超過25%，有望取代化石燃料，因而被WEF評(píng)為2016年十大前沿技術(shù)之一。然而，鈣鈦礦太陽能電池仍然有很多缺點(diǎn)，最主要的2個(gè)缺點(diǎn)就是:1）材料的光、熱穩(wěn)定性較差；2）材料中含鉛，具有較高毒性。
尤其是在解決鈣鈦礦穩(wěn)定性方面，研究人員孜孜不倦，不遺余力，取得了快速進(jìn)展。
太陽能電池已經(jīng)走過了漫長的道路，隨著新材料、化學(xué)、器件技術(shù)的綜合創(chuàng)新設(shè)計(jì)，鈣鈦礦太陽能電池不斷發(fā)展，期望其早日在可再生能源領(lǐng)域引發(fā)革命性突破。
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Mohammad K. Nazeeruddin. In retrospect: Twenty-five years of low-cost solar cells. Nature 2016. Nature 538, 463–464.
