瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）教授邁克爾·格蘭澤爾(Michael Gratzel)的研究小組，以及英國牛津大學(xué)（Universityof Oxford）和日本桐蔭橫濱大學(xué)的研究小組，分別獨(dú)立開發(fā)出了轉(zhuǎn)換效率超過15％的固體型染料敏化太陽能電池（DSSC）。約在半年左右的時(shí)間內(nèi)就將轉(zhuǎn)換效率提高了約4個(gè)百分點(diǎn)，大大超過了其他有機(jī)類太陽能電池（圖1）。
這種DSSC采用鈣鈦礦相的有機(jī)無機(jī)混合結(jié)晶材料CH3NH3PbI3作為染料敏化材料，并用由有機(jī)材料構(gòu)成的空穴輸送材料（HTM）取代了電解液（圖2）。洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院開發(fā)的DSSC由玻璃、FTO、TiO2、CH3NH3PbI3、HTM及Au等構(gòu)成。而牛津大學(xué)等開發(fā)的DSSC還與TiO2一同采用了鋁材（Al2O3）。作為采用有機(jī)材料和無機(jī)材料制造的太陽能電池，兩者首次實(shí)現(xiàn)了可與結(jié)晶硅型太陽能電池相匹敵的轉(zhuǎn)換效率。
這種結(jié)構(gòu)的DSSC的前身是日本桐蔭橫濱大學(xué)教授宮坂力的研究小組于2009年4月提出的太陽能電池。當(dāng)時(shí)，很多人嘗試采用無機(jī)半導(dǎo)體微粒——量子點(diǎn)作為敏化材料，制造“量子點(diǎn)增感型太陽能電池”。宮坂指出“量子點(diǎn)效率低，并且存在電流反向流動(dòng)等許多課題”。因此，將目光轉(zhuǎn)向了CH3NH3PbI3。
CH3NH3PbI3不僅能高效吸收從可見光到波長800nm的廣譜光，還具有能在TiO2等多孔質(zhì)材料上直接化學(xué)合成的特點(diǎn)。非常適合涂布工藝。
不過，宮坂等人在2009年試制時(shí)，采用了傳統(tǒng)的DSSC電解液，轉(zhuǎn)換效率只有3.8％。之后，2012年來到宮坂研究室的牛津大學(xué)研究人員，用一般用作固體型DSSC的HTM的“螺二芴化合物”取代了電解液，結(jié)果轉(zhuǎn)換效率首次突破10％，達(dá)到了10.9％。后來，隨著工藝不斷優(yōu)化，轉(zhuǎn)換效率僅約半年時(shí)間就猛增至15.36％。
雖然此次的技術(shù)以DSSC為基礎(chǔ)，但宮坂稱“也有人指出這已不是DSSC”。因?yàn)閺牟牧稀⒃䴓?gòu)成及發(fā)電原理來看，其擁有很多跟有機(jī)薄膜太陽能電池和無機(jī)化合物CIGS（CuInGaSe）類太陽能電池相似的特點(diǎn)（圖3）。
正因?yàn)橄嗨疲绻怀皆瓉淼奶柲茈姵兀浠旌喜牧弦饬x就不大，而新太陽能電池在轉(zhuǎn)換效率方面已經(jīng)超越了原來的DSSC和有機(jī)薄膜太陽能電池。并且，據(jù)稱今后還有可能超越CIGS類太陽能電池。
CIGS類太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率目前最高為20.4％，宮坂表示“此次的太陽能電池采用現(xiàn)在的材料和技術(shù)，轉(zhuǎn)換效率能達(dá)到17％。將來，還能夠達(dá)到21％”。另外，新太陽能電池跟CIGS類太陽能電池不同，不使用銦（In）及鎵（Ga）等重金屬和稀有金屬，能以成本非常低的材料制造。并且，一開始就是采用涂布工藝開發(fā)的，這也是一大優(yōu)勢。
另一方面，新太陽能電池還存在兩大課題。一是現(xiàn)在的有機(jī)無機(jī)混合材料雖然成本低，但含有對(duì)人體有害的鉛（Pb）。最近，已開始嘗試用錫（Sn）和銅（Cu）代替鉛。
另一個(gè)課題是元件特性差異太大。宮坂說“有的試制品轉(zhuǎn)換效率高達(dá)約11％，有的試制品只能達(dá)到5％”。但據(jù)稱這今后通過優(yōu)化制造工藝能夠解決。實(shí)際上，格蘭澤爾等人的研究小組通過采用分兩個(gè)階段涂布形成CH3NH3PbI3的工藝，不僅實(shí)現(xiàn)了高轉(zhuǎn)換效率，還大幅改善了特性差異。
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