有機太陽能電池的擴散長度大約為10納米。相比之下,鈣鈦礦的擴散長度是前者的100倍。“結果是,你能收集通行了更長距離的電荷。”Gratzel說。
鈣鈦礦還有另一個價值很高的特性:產生電壓的效率。例如,在晶體硅太陽能電池中,需要從光子獲得至少1.1電子伏(eV)的能量,從而將一個電子反沖出硅原子的束縛,成為自由電子。然后,電子到達電極,再進入電路,它們的電壓會降至0.7eV,僅喪失了0.4eV——這也是硅在商業上取得成功的部分原因。
對于傳統的DSSCs和有機太陽能電池而言,這些損耗約為0.7eV~0.8eV。但是,鈣鈦礦的損耗僅有0.4eV,與商業利益相匹配。“鈣鈦礦的這些優點非常好。”Yang說,“這就是我們想要的。”Yang小組在過去10年里花費大量時間研究有機太陽能電池,將其效能提高到接近11%。但是,之后他們開始研究鈣鈦礦,“我們在5個月里使其能效達到13%。”Yang說。
另外,鈣鈦礦在吸收藍色和綠色光子方面比硅更好。鈣鈦礦的生成溫度比玻璃的熔點低,工程師能夠將它們直接鋪在硅電池玻璃涂層的頂端。McGehee表示,這一策略可能制造廉價串聯電池,但是沒有人這樣做過。
遭遇障礙
太陽能電池企業需要新的活力。近年來,太陽能電池價格下降,經過殘酷的商業淘沙,大量相關企業紛紛破產。Gratzel指出,風險投資公司以及科學基金機構,對支持有機太陽能光伏電板和DSSCs等進展緩慢研究的熱情逐漸冷卻。他補充道:“相關企業的情緒非常低落”。因此鈣鈦礦來得正是時候,“我們需要激勵”。
即便如此,在鈣鈦礦太陽能電池為進入市場作好準備前還有很長的路要走。首先,Cahen說,目前實驗室里制造的大部分電池是微小的,僅幾厘米大。相比之下,硅電池板直徑能達數米。“很難生產較大的鈣鈦礦連續膜。”Cahen說。而且沒有研究人員能解決耐久性問題。鈣鈦礦電池對氧氣非常敏感,會與其發生化學反應進而破壞晶體結構,并產生水蒸氣,溶解鹽狀的鈣鈦礦。更糟的是,目前最好的鈣鈦礦中的鉛可能會濾出,污染屋頂和土壤。
“這里也存在許多困難。”Cahen說,“此時,我是一個樂觀主義者,并且是材料研究的信徒。”有關鈣鈦礦的諸多挑戰需要解決,“該領域在未來幾年中將非常活躍”。Gratzel說。全球太陽能電池市場價值每年將達到近500億美元,研究人員有動力推進該領域的發展。