這種新型太陽能電池的研發(fā)得益于跨學(xué)科協(xié)作。納米技術(shù)專家羅伯特·張與化學(xué)家科瑞·卡納茨迪斯作為研究團(tuán)隊(duì)的主要成員，共同提出使用一種新材料來解決太陽能電池的局限性。在新型太陽能電池中，薄膜復(fù)合材料由銫、錫和碘制成，稱為CsSnI3。這種復(fù)合物質(zhì)取代了染料敏化太陽能電池中的液體電解質(zhì)。實(shí)際上，這種材料開始也是一種液體，最后會(huì)形成一種固體物質(zhì)。這種新的全固態(tài)太陽能電池本質(zhì)上更高效，更穩(wěn)定，使用壽命更長。
科瑞·卡納茨迪斯說：“我們創(chuàng)造了一種性能強(qiáng)大的新材料，可以使染料敏化太陽能電池效果更好。新的材料呈固態(tài)，而不是液態(tài)，所以避免了泄漏或腐蝕。”
羅伯特·張表示：“我們的太陽能電池完全采用納米技術(shù)。億萬顆納米粒子給予了我們巨大的有效表面積，可以為所有的粒子都涂上吸光染料。”
眾所周知，太陽能電池發(fā)展至今，為了降低高昂的原材料成本，為了讓太陽能電池具有環(huán)保性能，科學(xué)家開始使用染料敏化太陽能電池技術(shù)。這其中最具代表性的就是格拉茲爾電池。它低廉的成本與環(huán)保性能，以及相對(duì)較高的轉(zhuǎn)換率，都讓這種電池具有光明的發(fā)展前景。然而，格拉茲爾電池的缺點(diǎn)也很顯著。這種染料敏化電池的電解質(zhì)使用有機(jī)液體制成，會(huì)發(fā)生泄漏，并會(huì)腐蝕太陽能電池本身。
此外，格拉茲爾電池使用分子染料吸收陽光，再轉(zhuǎn)換為電能，就像植物光合作用中的葉綠素。但是，這種電池的使用壽命通常都不到18個(gè)月，這就使其商用價(jià)值比較低。
新型的太陽能電池也屬于染料敏化電池，并在格拉茲爾電池的基礎(chǔ)上，著重解決了材料和性能上的缺陷。這種新型太陽能電池同時(shí)使用n型和p型半導(dǎo)體，并使用單層染料分子連結(jié)。每個(gè)近似球形的納米粒子，都是由二氧化鈦制成，作為一種n型半導(dǎo)體。而銫錫碘薄膜材料則作為一種新型的可溶P型半導(dǎo)體。
單個(gè)太陽能電池的尺寸約10微米厚，把有染料涂層的納米粒子包進(jìn)去。銫錫碘薄膜材料開始時(shí)呈液態(tài)，倒入電池中會(huì)在納米粒子周圍流動(dòng)，經(jīng)過蒸發(fā)，形成固態(tài)物質(zhì)。這種吸光染料中的光子會(huì)轉(zhuǎn)換成電能，而吸光染料存在于兩個(gè)半導(dǎo)體之間。
從技術(shù)上講，CsSnI3發(fā)揮的作用更加全面，不僅作為電解質(zhì)使電池運(yùn)行，同時(shí)，CsSnI3本身也吸收光。這種材料能夠吸收更多的光子，吸收更廣泛的可見光譜，性能勝過格拉茲爾電池使用的傳統(tǒng)染料。
實(shí)驗(yàn)顯示，這種新型太陽能電池表現(xiàn)出的最高轉(zhuǎn)換效率大約是10.2％?，F(xiàn)有的最佳固態(tài)燃料電池的轉(zhuǎn)換率只有7％。相比較而言，傳統(tǒng)太陽能電池采用高純度的硅制成，可以轉(zhuǎn)換大約20％的入射光。格拉茲爾電池的最高轉(zhuǎn)換性能大約在11％至12％。但是，綜合原料成本、耐用性及環(huán)保性能，這種新型太陽能電池的表現(xiàn)已經(jīng)可以讓人眼前一亮了。同時(shí)，經(jīng)過加速試驗(yàn)，這種新型太陽能電池?fù)碛械姆€(wěn)定性更持久，使用壽命相當(dāng)于25年。良好的成本效益，證明了它在商業(yè)上的可行性。
美國丹佛大學(xué)有機(jī)太陽能電池專家肖恩·夏新認(rèn)為：“在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量條件下，西北大學(xué)的太陽能電池效率更接近8％，這對(duì)于染料敏化電池技術(shù)來說已經(jīng)是一個(gè)重要的進(jìn)展了。”斯坦福大學(xué)高級(jí)光電分子中心主任邁克爾·麥吉也表示：“在染料敏化電池這一領(lǐng)域，西北大學(xué)的進(jìn)展最終將能把高雅的科學(xué)奇想轉(zhuǎn)化為實(shí)用的發(fā)電設(shè)備。”
西北大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)表示，全固態(tài)染料敏化太陽能電池系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)中一直保持總體性能的提升態(tài)勢(shì)。羅伯特·張說：“ 我們有望超過格拉茲爾電池的性能。我們的研究開辟了一種新的可能性。這些新材料有可能制造出迄今所見過的最先進(jìn)、效率最高的太陽能電池。”
研究團(tuán)隊(duì)指出，這種輕巧的薄膜結(jié)構(gòu)可兼容自動(dòng)化生產(chǎn)，這種概念適用于多種類型的太陽能電池，下一步將計(jì)劃制作大型太陽能電池陣列。
