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。硅基太陽能電池設置了一個難以逾越的標桿——25年到30年的壽命，轉換效率衰減不超過初始效率的15%。這對任何要想替代傳統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構是解決問題的關鍵。

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、溫度產生缺陷或者分解，要不就是可能會與鈣鈦礦吸收層本身產生反應。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，作為結構的骨干，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等大牛已經完成了足夠的鋪墊工作，而他們的諾貝爾獎之路，已經變成了鈣鈦礦電池的產業(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，大牛們若拿下諾獎，應該感謝的是你們。

但其實，還是ABX3自己為自己帶鹽。