铅,因为有害于身体和环境,是人类力图摆脱的一种金属物质。所以,多年来,化学家对其少有问津。但是现在它似乎找到了自己的角色,通过提高太阳能板的效率帮助人类大幅减少对化石燃料的依赖。正因如此,它出现在了化学领域热点论文榜上(见表1)。

本期化学热点论文中有8篇是研究吸收太阳能的化学物质的,而其中又有4篇与铅相关(论文#1、#3、#4、#6)。这就是通常所称的有机金属钙钛矿(organometallic perovskite, OMP),既可能是含铅甲基溴化胺(CH₃NH₃PbBr₃)也可能是相对应的碘化物(CH₃NH₃PbI₃)。这些有机铅分子的存在形式被称为钙钛矿型晶体结构,此晶体结构的原子排列顺序比较特别,可以赋予一种物质非凡的特性,比如让Ba₂YCu₂O₇具有超导性。OMP中的这种结构具有捕获太阳能量的能力。钙钛矿一名源自1839年Lev Perovski在乌拉尔发现的钙钛矿物。

2009年,东京大学Tsutomu Miyasaka教授所带领的科学小组首次报道了OMP效应。当时的论文题目是“钙钛矿型有机金属卤化物作为光敏化物用于光伏电池的研究(Organometal halide perovskites as visible-light sensitizers for photovoltaic cells)”。论文发表在Journal of the American Chemical Society,131 (17), 6050-6051, 2009。研究小组当时在TiO₂上铺了一层OMP,结果获得了大约1.0V的电压,以及3.8%的能量转换效率。至今,这篇开拓性的论文被引用了308次。

论文#1来自于瑞士联邦理工学院Michael Grätzel教授所领导的科研小组,得益于其鼓舞人心的研究成果,目前该机构已成为顶级的太阳能研究中心。1991,Grätzel研制出了第一个染料/TiO₂太阳能背板,该研究成果发表在Nature [353 (6346), 737-740],被引频次已经超过13 000。

目前,Grätzel教授正在致力于解决影响OMP在TiO₂膜上一步形成的问题。通常的铺展程序是,使用碘化铅和碘化甲基胺的混合物,但这样制备出的太阳能电池的光伏性能不太稳定。对此,他们进行了改进,首先铺展碘化铅,然后再铺展碘化甲基胺溶液,这样一来,转换效率就能基本维持在15%。

Grätzel教授的影响力还体现在论文#3上。该论文是与新加坡南洋理工大学的Guichuan Xing教授所领导的科研小组共同完成的。在此项工作中,他们试图回答为什么OMP的光伏性能如此之好。他们推断这可能与被光子激发后的电子和空穴移动的路径距离有关系。是什么让OMP如此特别?答案可能是这些路径比较长并且相互之间保持有序,且与光伏材料本身100nm的光吸收距离契合较好。

论文#4是洛桑的科学家与新加坡大学的Zhaosheng Xue、Bin Lui以及耶路撒冷希伯来大学的Lioz Etgar共同完成的。研究人员首先利用甲基碘化胺溶液和γ-丁内酯中的碘化铅沉积OMP,然后在其上铺展一层薄金。在正常光的条件下,能量转换效率可达5.5%,而在低强度光的条件下,可提高至7.3%。

第4篇OMP论文(#6)是由韩国成均馆大学的化学家Nam-Gyu Park发表的。他回顾了近来在该领域所取得的进展,因此得出结论,将转换效率提高到20%是可能的。Nano Letters[13 (6), 2412-2417, 2013]最近发表了他们的最新研究成果。在该项研究中,转换效率为9.4%。他们的研究重点是控制TiO₂纳米棒的生长,纳米棒越长,太阳能电池的效率则越低。

虽然在当前的化学热点榜单中,OMP似乎占据统治地位,但其他有关太阳能化学的研究同样值得关注,特别是高居第二位的论文。该论文是学术机构与行业联合研究的结晶。参与者分别是加利福尼亚大学的Jingbi You,日本筑波住友化学品公司的Letian Dou,以及位于科罗拉多的美国国家可再生能源实验室的Tom Moriarty 与 Keith Emery。

论文中制备的有机光伏器件成本低廉,而且轻便柔软。据报道,具有较低带隙(1.38 eV)聚合物的串联太阳能电池可以通过扩展吸收光谱范围到近红外区域(800~900nm)将转换效率提高至10.6%。半导体聚合物为聚环戊-二噻吩(polycyclopenta-dithiophene,PCPDT)与氟原子修饰的苯并噻二唑(benzothiadiazole,BT)。该论文在2014年5月成为当期化学热点论文之一,当时的被引频次为124,目前则已超过470。

论文#8来自同一研究小组,报道的转换效率也较为相似,为10.2%,电池中有两层聚合物,其中夹隔了一层氧化钼。

论文#10同样致力于提高太阳能电池的效率,在该研究中,染料敏化太阳能电池的性能通过使用特别制作的卟啉提高到了13%。该论文来自于瑞士联邦理工学院的Simon Mathew 与AswantiYella。较早时候的有关卟啉太阳能电池达到12%效率的论文发表在Science [334 (6056), 629-634, 4 November 2011],同样也荣登2014年4月份的化学热点论文榜。该项研究不是独立完成的,而是与台湾交通大学的同行共同努力的结果。当时的论文被引频次为1 077,目前则超过了2 200。

化学家们正在致力于解决世界上最紧迫的问题之一：不消耗化石燃料的可持续使用的电力能源。我们真的能设计出既便宜同时转换效率能达到20%的太阳能电池吗?答案可能来自于饱受诟病的金属——铅的利用。(然而,我们必须承认,始于2014年的一项研究指出了锡有可能代替铅在太阳能电池中的使用,这也许最终可以避开铅毒性的问题。)

难道我们现在应该对铅说“回来吧,我们原谅你”?难道这么多年来是我们误解了铅?当然不是,它确实污染了我们的水源、食物和空气。不过,当面对替代能源时,它或许可以实现自我救赎。

翻译：朱海峰 审校：马建华