鈣鈦礦電池：你離諾貝爾獎到底有多遠？

2017-10-09 10:19:17 PV兔子　點擊量：評論 (0)

為什么當紅炸子雞卻中不了獎?2017年諾貝爾化學獎今天塵埃落定，跨界頒發(fā)給了發(fā)明冷凍電子顯微鏡技術(shù)的科學家，也算是爆了一個小小的冷門。時鐘撥回一個星期前，各路預測機構(gòu)紛紛搬出諾貝爾花落誰家的預言，而廣大

鈣鈦礦電池還差點什么?穩(wěn)定性

希望多多，問題多多。硅基太陽能電池設(shè)置了一個難以逾越的標桿——25年到30年的壽命，轉(zhuǎn)換效率衰減不超過初始效率的15%。這對任何要想替代傳統(tǒng)硅基太陽能電池的新型太陽能電池都是極大的考驗，尤其以有機-無機金屬鹵化物鈣鈦礦材料MAPbI3為甚，如果輕易的把鈣鈦礦材料暴露在氧、水、紫外線、熱源下面而不加以有效隔離，轉(zhuǎn)換效率分分鐘可以從20%降到測不出來。

其中的罪魁禍首之一是水，鈣鈦礦CH3NH3PbI3首先是怕水。水直接參與打散MA和PBI3的鍵合，一路不可逆分解走向不歸路。最終變成HI和氫氣之類的存在，而H2O作為催化劑再回來繼續(xù)搞破壞。或許從材料改性上講，增強MA和PbI3的鍵合是一個解決方案，但或許最簡單粗暴有效的辦法是加強組件封裝，隔絕濕氣。

怕紫外線，這就更要命了。仔細的封裝可以屏蔽掉水，但是太陽能電池不能不讓曬太陽吧，豈不成了笑話?一般認為，TiO2電子傳導層是紫外線衰減的原因。要么屏蔽掉紫外線，要么改性TiO2，要么去掉TiO2，要么在TiO2和鈣鈦礦之間加個隔離層，學者想了很多辦法，正在嘗試解決這個問題。

怕熱。高溫會給鈣鈦礦電池帶來一系列的問題，主要是分解和斷層。在氮氣、空氣、氧氣的環(huán)境下，電池對溫度的耐受性各有不同，但是結(jié)局基本上都是分解為PbI2。材料改性開發(fā)出耐分解的材料或者結(jié)構(gòu)是解決問題的關(guān)鍵。

上面主要講了鈣鈦礦吸收層MAPbI3本身，但是配套的無論是電子傳導層ETM還是空穴傳導層HTM，都或多或少的有穩(wěn)定性的問題。要不是自身會因為紫外線、水、空氣、溫度產(chǎn)生缺陷或者分解，要不就是可能會與鈣鈦礦吸收層本身產(chǎn)生反應。前者主要從材料的改性上加以克服，后者主要的考慮是嵌入緩沖層與鈣鈦礦吸收層隔離開來。

一般來講，穩(wěn)定性和效率之間不可兼得，其間需要進行取舍。比如引入溴Br可以解決很多穩(wěn)定性問題，但是效率就要差一些了。

另一個要命的問題是毒性

對于有機-無機雜化鈣鈦礦電池的大規(guī)模應用，必須克服的一個關(guān)鍵問題是鈣鈦礦電池是含鉛的。從市場和大規(guī)模應用的角度來講，鉛的存在是一個巨大的障礙。然而不幸的是，鉛這種毒性的物質(zhì)，作為結(jié)構(gòu)的骨干，無論是對于鈣鈦礦電池的高效率還是穩(wěn)定性，都非常重要。元素周期表掃過，替代PbI3的產(chǎn)品到有不少，BiSI2，BiSeI2，CsSnSCl，SnI3，SnIxBrx，都值得學者一一嘗試。但是目前為止，好像無鉛鈣鈦礦電池最高轉(zhuǎn)換效率也不到7%，實在是任重道遠。

(鉛的可能替代材料。Sun，Nanoscale， 2016)

路在何方?

兔子重復前面講過的觀點：Gratzel、Miyasaka、Park、Snaith等大牛已經(jīng)完成了足夠的鋪墊工作，而他們的諾貝爾獎之路，已經(jīng)變成了鈣鈦礦電池的產(chǎn)業(yè)化之路。再完美的理論，再精妙的合成，都必須要有應用的價值。這是應用科學的幸運，也是不幸之處。鈣鈦礦電池要產(chǎn)業(yè)化，前途很光明，路途也很險惡。

開工廠的實業(yè)家，手握資本的投資人，購買太陽能電池的老百姓，大牛們?nèi)裟孟轮Z獎，應該感謝的是你們。

但其實，還是ABX3自己為自己帶鹽。