新電解質材料銫錫碘（CsSnI）的晶體結構，以及光學和電學傳導屬性。來源：西北大學
尤其是，這種設備首次解決了格拉茲爾電池（Grätzel cell）的問題，這是一種很有前途的低成本環(huán)保太陽能電池，但具有顯著的缺點：就是泄漏。這種染料敏化電池（dye-sensitized cell）的電解質是用有機液體制成，會泄漏，而且會腐蝕太陽能電池本身。
格拉茲爾電池使用分子染料吸收陽光，再轉換為電能，就像植物中的葉綠素（chlorophyll）。但是，這些電池使用壽命通常都不到18個月，這就使它們不能進行商用。研究人員一直在尋找替代材料，已經(jīng)有二十年。
在西北大學，跨學科協(xié)作是一個基礎，納米技術專家羅伯特•P.H.昌（Robert P. H. Chang）提出質疑，與化學家梅爾庫麗•卡納其迪斯（Mercouri Kanatzidis）討論格拉茲爾電池問題。卡納其迪斯的解決方案是一種新材料，用于這種電解質，實際上，這種材料開始是一種液體，最后成為一種固體物質。這樣，這種新的全固態(tài)太陽能電池本質上就是穩(wěn)定的。
“格拉茲爾電池在概念上像是燈泡，但沒有鎢絲或碳材料，”卡納其迪斯說，需要更換這種麻煩的液體。“我們創(chuàng)造了一種強大的新材料，可以使格拉茲爾電池效果更好。我們的材料是固體，不是液體，所以應該不會泄漏或腐蝕。”
博士后研究生純因（In Chung）在卡納其迪斯小組工作，與研究生李斌洪（Byunghong Lee）密切合作，李斌洪屬于羅伯特•P.H.昌的小組，他們開發(fā)出這種新電池，取得的性能提升總體上看大約是每月1％。
西北大學的這種太陽能電池中，薄膜復合材料是用銫（cesium）、錫和碘制成，稱為CsSnI3（銫錫碘），這種復合物取代了格拉茲爾電池中的整個液體電解質。這種新的太陽能電池更高效，更穩(wěn)定，使用壽命更長，詳細內容發(fā)表在5月24日的《自然》雜志上。
CsSnI3固態(tài)太陽能電池組件的能級。來源：西北大學
羅伯特•P.H.昌說：“這是第一次演示全固態(tài)染料敏化太陽能電池系統(tǒng)，有望超過格拉茲爾電池的性能。我們的研究開辟了一種可能性，就是這些材料有可能成為最先進的，產(chǎn)生高得多的效率，超過我們迄今所見過的。”
西北大學的這款太陽能電池表現(xiàn)出的最高轉換效率大約是10.2％，這是迄今報道過的最高效率，對于固態(tài)太陽能電池采用染料敏化劑而言，就是這樣。這個值接近已報道的格拉茲爾電池的最高性能，就是大約11％至12％。（傳統(tǒng)太陽能電池采用高純硅制成，可以轉換大約20％的入射光）。
不同于格拉茲爾電池，這種新型太陽能電池既使用n型也使用p型半導體，而且使用單層染料分子，作為兩者之間的結。每個近似球形的納米粒子，都是用二氧化鈦（titanium dioxide）制成，都是一種n型半導體?？{其迪斯銫錫碘薄膜材料是一種新型可溶性P型半導體。
電子顯微鏡圖像顯示的橫斷面，屬于硅上的CsSnI3/TiO2電池。來源：西北大學
“我們的廉價太陽能電池完全使用納米技術，”羅伯特•P.H.昌說。“我們有億萬顆納米粒子，這給予我們巨大的有效表面積，我們給所有的粒子都涂上吸光染料。”
單個太陽能電池的尺寸是半厘米×半厘米，約10微米厚。這種有染料涂層的納米粒子被包進去，卡納其迪斯的新材料，開始時是液體，可倒進去，會在納米粒子周圍流動。很像油漆一樣，這種溶劑會蒸發(fā)，形成固態(tài)物質。這種吸光染料中的光子會被轉換成電能，吸光染料就在兩個半導體之間。
羅伯特•昌選擇使用的納米粒子，直徑約20納米。這種尺寸會優(yōu)化設備，他說，增加表面積，而且可以在粒子之間形成足夠的空間，使卡納其迪斯的材料可以流過去，并沉淀。
從技術上講，這種新的電池不是真正的格拉茲爾電池，因為用孔導電的材料CsSnI3本身也吸收光。事實上，這種材料可吸收更多的光，吸收更廣泛的可見光譜，勝過格拉茲爾電池使用的典型染料。卡納其迪斯-羅伯特•昌的電池中，CsSnI3也發(fā)揮其他作用，使電池運行，這一作用不是液體電解質電偶具有的，這一作用就是吸收光。
“這僅僅是開始，”羅伯特•昌說。“我們的概念適用于多種類型的太陽能電池。有很大的發(fā)展空間。”
這種輕巧的薄膜結構可兼容自動化生產(chǎn)，研究人員指出。他們下一步計劃制作大型太陽能電池陣列。
