(諾貝爾和HenrySnaith教授)
所以數來(lái)數去，光伏太陽(yáng)能電池領(lǐng)域依然沒(méi)有一個(gè)諾獎出世。兔子認為，這不能怪廣大光伏行業(yè)者不努力，只能怪太陽(yáng)能電池的基石——半導體理論，已經(jīng)被科學(xué)家玩透了，所以諾獎(主要是物理獎)也早拿光了。比如Shockley在1956年因為發(fā)展p-n理論得了諾獎之后，1961年玩票順便推導出光伏轉換效率的極限，就被奉為了光伏屆的圣經(jīng)經(jīng)典。缺乏重大的理論原創(chuàng )，是光伏領(lǐng)域的先天不足。
然而要知道諾獎一貫的風(fēng)格，不是僅僅是往后看看誰(shuí)的既有貢獻大，而更是向前找熱點(diǎn)難點(diǎn)，引導學(xué)界前仆后繼去干諾獎評審們認為重要的事情(比如石墨烯)。從這個(gè)角度講，能源作為人類(lèi)最重大的問(wèn)題之一，在諾獎的天平上，應該會(huì )比別的課題更為趁手。在這個(gè)既定假設條件下，如果非要在太陽(yáng)能領(lǐng)域強選一個(gè)諾貝爾獎，會(huì )是誰(shuí)?兔子認為，當然最有可能的就是鈣鈦礦電池拿下諾貝爾化學(xué)獎。從創(chuàng )新的角度，鈣鈦礦電池是夠格的。
但是今年并沒(méi)有選上，這個(gè)結果兔子和大多數人一樣，認為毫不意外。選上了才奇了怪了。這個(gè)理由，跟Graetzel目前還不會(huì )因為DSSC電池，Fujishima不會(huì )因為光催化得獎的道理一樣——這種直接面向產(chǎn)業(yè)的應用科學(xué)領(lǐng)域，沒(méi)有見(jiàn)到大規模應用，諾獎是不會(huì )掉到頭上的。試想，萬(wàn)一得了獎卻不能大規模應用從而造福于人類(lèi)的話(huà)，諾貝爾的臉往哪放?
鈣鈦礦電池是什么神奇的存在?
并不是有鈣和鈦存在的礦才叫鈣鈦礦，事實(shí)上，“有機-無(wú)機金屬鹵化物鈣鈦礦“(CH3NH3PbI3，簡(jiǎn)寫(xiě)為MAPbI3)里面既沒(méi)有”鈣“也沒(méi)有”鈦“，只是因為它具有ABX3這種晶體結構，而這種結構是首先在CaTiO3這種鈣鈦礦物質(zhì)上被發(fā)現的而已。這種神奇的物質(zhì)好處多多，便宜、可溶液法制備適合于大規模量產(chǎn)、非真空制備、非輻射復合少所以開(kāi)壓高、帶寬可調、可以用于硅基疊層電池的頂層等等。別的不用多說(shuō)，就講發(fā)明這種物質(zhì)短短的幾年時(shí)間，轉換效率迅速飆升到20%，就已經(jīng)表明了一切。
(Green,Nature,2014)
鈣鈦礦電池還差點(diǎn)什么?穩定性
希望多多，問(wèn)題多多。硅基太陽(yáng)能電池設置了一個(gè)難以逾越的標桿——25年到30年的壽命，轉換效率衰減不超過(guò)初始效率的15%。這對任何要想替代傳統硅基太陽(yáng)能電池的新型太陽(yáng)能電池都是極大的考驗，尤其以有機-無(wú)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(xiàn)、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(lái)。
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(lèi)的存在，而H2O作為催化劑再回來(lái)繼續搞破壞?；蛟S從材料改性上講，增強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組件封裝，隔絕濕氣。
怕紫外線(xiàn)，這就更要命了。仔細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)?一般認為，TiO2電子傳導層是紫外線(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(kāi)發(fā)出耐分解的材料或者結構是解決問(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)論是電子傳導層ETM還是空穴傳導層HTM，都或多或少的有穩定性的問(wèn)題。要不是自身會(huì )因為紫外線(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。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
對于有機-無(wú)機雜化鈣鈦礦電池的大規模應用，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)和大規模應用的角度來(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)，作為結構的骨干，無(wú)論是對于鈣鈦礦電池的高效率還是穩定性，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換效率也不到7%，實(shí)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(guò)的觀(guān)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(jià)值。這是應用科學(xué)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(kāi)工廠(chǎng)的實(shí)業(yè)家，手握資本的投資人，購買(mǎi)太陽(yáng)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(shí)，還是ABX3自己為自己帶鹽。
(Wang,SOLMAT,2016)
