(諾貝爾和HenrySnaith教授)
所以數(shù)來數(shù)去，光伏太陽能電池領(lǐng)域依然沒有一個諾獎出世。兔子認(rèn)為，這不能怪廣大光伏行業(yè)者不努力，只能怪太陽能電池的基石——半導(dǎo)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(dǎo)出光伏轉(zhuǎn)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的既有貢獻(xiàn)大，而更是向前找熱點難點，引導(dǎo)學(xué)界前仆后繼去干諾獎評審們認(rèn)為重要的事情(比如石墨烯)。從這個角度講，能源作為人類最重大的問題之一，在諾獎的天平上，應(yīng)該會比別的課題更為趁手。在這個既定假設(shè)條件下，如果非要在太陽能領(lǐng)域強選一個諾貝爾獎，會是誰?兔子認(rèn)為，當(dāng)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。
但是今年并沒有選上，這個結(jié)果兔子和大多數(shù)人一樣，認(rèn)為毫不意外。選上了才奇了怪了。這個理由，跟Graetzel目前還不會因為DSSC電池，F(xiàn)ujishima不會因為光催化得獎的道理一樣——這種直接面向產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用科學(xué)領(lǐng)域，沒有見到大規(guī)模應(yīng)用，諾獎是不會掉到頭上的。試想，萬一得了獎卻不能大規(guī)模應(yīng)用從而造福于人類的話，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，事實上，“有機-無機金屬鹵化物鈣鈦礦“(CH3NH3PbI3，簡寫為MAPbI3)里面既沒有”鈣“也沒有”鈦“，只是因為它具有ABX3這種晶體結(jié)構(gòu)，而這種結(jié)構(gòu)是首先在CaTiO3這種鈣鈦礦物質(zhì)上被發(fā)現(xiàn)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(guī)模量產(chǎn)、非真空制備、非輻射復(fù)合少所以開壓高、帶寬可調(diào)、可以用于硅基疊層電池的頂層等等。別的不用多說，就講發(fā)明這種物質(zhì)短短的幾年時間，轉(zhuǎn)換效率迅速飆升到20%，就已經(jīng)表明了一切。
(Green,Nature,2014)
鈣鈦礦電池還差點什么?穩(wěn)定性
希望多多，問題多多。硅基太陽能電池設(shè)置了一個難以逾越的標(biāo)桿——25年到30年的壽命，轉(zhuǎn)換效率衰減不超過初始效率的15%。這對任何要想替代傳統(tǒng)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(zhuǎn)換效率分分鐘可以從20%降到測不出來。
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和氫氣之類的存在，而H2O作為催化劑再回來繼續(xù)搞破壞?；蛟S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(xì)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(rèn)為，TiO2電子傳導(dǎo)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(xué)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(jié)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(jié)構(gòu)是解決問題的關(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)定性的問題。要不是自身會因為紫外線、水、空氣、溫度產(chǎn)生缺陷或者分解，要不就是可能會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來。
一般來講，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(yīng)用，必須克服的一個關(guān)鍵問題是鈣鈦礦電池是含鉛的。從市場和大規(guī)模應(yīng)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(zhì)，作為結(jié)構(gòu)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(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，好像無鉛鈣鈦礦電池最高轉(zhuǎn)換效率也不到7%，實在是任重道遠(yuǎn)。
(鉛的可能替代材料。Sun，Nanoscale，2016)
路在何方?
兔子重復(fù)前面講過的觀點：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(yīng)用的價值。這是應(yīng)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?nèi)裟孟轮Z獎，應(yīng)該感謝的是你們。
但其實，還是ABX3自己為自己帶鹽。
(Wang,SOLMAT,2016)
