鈣鈦礦電池：你離諾貝爾獎(jiǎng)到底有多遠(yuǎn)？

2017-10-09 10:19:17 PV兔子　點(diǎn)擊量：評(píng)論 (0)

為什么當(dāng)紅炸子雞卻中不了獎(jiǎng)?2017年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)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(xué)家，也算是爆了一個(gè)小小的冷門(mén)。時(shí)鐘撥回一個(gè)星期前，各路預(yù)測(cè)機(jī)構(gòu)紛紛搬出諾貝爾花落誰(shuí)家的預(yù)言，而廣大

鈣鈦礦電池還差點(diǎn)什么?穩(wěn)定性

希望多多，問(wèn)題多多。硅基太陽(yáng)能電池設(shè)置了一個(gè)難以逾越的標(biāo)桿——25年到30年的壽命，轉(zhuǎn)換效率衰減不超過(guò)初始效率的15%。這對(duì)任何要想替代傳統(tǒng)硅基太陽(yáng)能電池的新型太陽(yáng)能電池都是極大的考驗(yàn)，尤其以有機(jī)-無(wú)機(jī)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(xiàn)、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(cè)不出來(lái)。

其中的罪魁禍?zhǔn)字皇撬?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(lèi)的存在，而H2O作為催化劑再回來(lái)繼續(xù)搞破壞。或許從材料改性上講，增強(qiáng)MA和PbI3的鍵合是一個(gè)解決方案，但或許最簡(jiǎn)單粗暴有效的辦法是加強(qiáng)組件封裝，隔絕濕氣。

怕紫外線(xiàn)，這就更要命了。仔細(xì)的封裝可以屏蔽掉水，但是太陽(yáng)能電池不能不讓曬太陽(yáng)吧，豈不成了笑話(huà)?一般認(rèn)為，TiO2電子傳導(dǎo)層是紫外線(xiàn)衰減的原因。要么屏蔽掉紫外線(xiàn)，要么改性TiO2，要么去掉TiO2，要么在TiO2和鈣鈦礦之間加個(gè)隔離層，學(xué)者想了很多辦法，正在嘗試解決這個(gè)問(wèn)題。

怕熱。高溫會(huì)給鈣鈦礦電池帶來(lái)一系列的問(wèn)題，主要是分解和斷層。在氮?dú)狻⒖諝狻⒀鯕獾沫h(huán)境下，電池對(duì)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(kāi)發(fā)出耐分解的材料或者結(jié)構(gòu)是解決問(wèn)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(wú)論是電子傳導(dǎo)層ETM還是空穴傳導(dǎo)層HTM，都或多或少的有穩(wěn)定性的問(wèn)題。要不是自身會(huì)因?yàn)樽贤饩€(xiàn)、水、空氣、溫度產(chǎn)生缺陷或者分解，要不就是可能會(huì)與鈣鈦礦吸收層本身產(chǎn)生反應(yīng)。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(kāi)來(lái)。

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

另一個(gè)要命的問(wèn)題是毒性

對(duì)于有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦電池的大規(guī)模應(yīng)用，必須克服的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是鈣鈦礦電池是含鉛的。從市場(chǎng)和大規(guī)模應(yīng)用的角度來(lái)講，鉛的存在是一個(gè)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(wú)論是對(duì)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(guò)，替代PbI3的產(chǎn)品到有不少，BiSI2，BiSeI2，CsSnSCl，SnI3，SnIxBrx，都值得學(xué)者一一嘗試。但是目前為止，好像無(wú)鉛鈣鈦礦電池最高轉(zhuǎn)換效率也不到7%，實(shí)在是任重道遠(yuǎn)。

(鉛的可能替代材料。Sun，Nanoscale， 2016)

路在何方?

兔子重復(fù)前面講過(guò)的觀點(diǎn)：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(jiǎng)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(yīng)用的價(jià)值。這是應(yīng)用科學(xué)的幸運(yùn)，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(xiǎn)惡。

開(kāi)工廠(chǎng)的實(shí)業(yè)家，手握資本的投資人，購(gòu)買(mǎi)太陽(yáng)能電池的老百姓，大牛們?nèi)裟孟轮Z獎(jiǎng)，應(yīng)該感謝的是你們。

但其實(shí)，還是ABX3自己為自己帶鹽。