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基于金屬和鹵素的鈣鈦礦或將成為太陽能電池革命的關鍵

鉅大LARGE  |  點擊量:48次  |  2020年08月31日  

摘要
俄勒岡州立大學的太陽能研究人員正在將他們的科學焦點聚焦在將近兩個世紀前發現的具有晶體結構的材料上。并非所有具有這種結構的材料(稱為鈣鈦礦)都是半導體。但是基于金屬和鹵素的鈣鈦礦非常有用,它們具有巨大的

俄勒岡州立大學的太陽能研究人員正在將他們的科學焦點聚焦在將近兩個世紀前發現的具有晶體結構的材料上。


并非所有具有這種結構的材料(稱為鈣鈦礦)都是半導體。但是基于金屬和鹵素的鈣鈦礦非常有用,它們具有巨大的潛力,因為其光伏電池的制造成本可能比自1950年代問世以來硅基電池便宜得多。


研究人員說,有足夠的潛力也許有一天可以顯著地挖掘化石燃料在能源領域的份額。


OSU工程學院的JohnLabram是通訊物理學和《物理化學快報》上最近兩篇有關鈣鈦礦穩定性的論文的通訊作者,并且還為《科學》雜志上發表的論文做出了貢獻。


在研究科學,研究人員在牛津大學為首,揭示了一個分子添加劑-基于所述有機化合物哌啶鹽-極大地提高了鈣鈦礦的太陽能電池的壽命。


三篇論文中概述的研究結果加深了對一種有前途的半導體的理解,這種半導體源于俄羅斯礦物學家長期以來的發現。1839年,在烏拉爾山脈,古斯塔夫·羅斯(GustavRose)遇到了具有迷人晶體結構的鈣和鈦氧化物,并以俄羅斯貴族列夫·佩羅夫斯基(Levperovski)的名字命名。


鈣鈦礦現在是指與原始晶格共享的一系列材料。在日本科學家宮坂勉(TsutmuMiyasaka)發現某些鈣鈦礦是有效的光吸收劑之后,對它們的興趣在2009年開始新增。


拉布拉姆說:“由于鈣鈦礦太陽能電池的低成本,它們有潛力削弱化石燃料并徹底改變能源市場?!薄叭欢?,這種新型材料的一個鮮為人知的方面是它們在恒定照明下的穩定性,這是阻礙商業化的一個問題?!?/p>

在過去的兩年中,Labram的電氣工程與計算機科學學院的研究小組建立了獨特的實驗設備,以研究太陽能材料的電導隨時間的變化。


他說:“與牛津大學合作,我們證明了即使在沒有電接觸的情況下,光致不穩定性也會持續數小時?!薄斑@些發現有助于澄清在太陽能電池中觀察到的相似結果,并成為提高鈣鈦礦太陽能電池的穩定性和商業可行性的關鍵?!?/p>

太陽能電池的效率由陽光照射到電池的能量百分比轉換為可用的電能來含義。


七十年前,貝爾實驗室開發了第一個實用的太陽能電池。按照今天的標準,它的效率僅為6%,而且制造成本很高,但它為在太空競賽初期誕生的衛星供應了動力。


隨著時間的推移,即使大多數電池變化不大,制造成本也會降低,效率也有所提高–它們仍然由兩層幾乎純凈的硅組成,并摻有添加劑。他們吸收光,利用光的能量在它們之間的交界處出現電流。


2012年,Labram的合作者之一,牛津大學的HenrySnaith做出了突破性的發現,鈣鈦礦可以用作太陽能電池的重要成分,而不僅僅是用作敏化劑。這引發了研究活動的狂潮,每年就該主題發表數千篇科學論文。經過八年的研究,鈣鈦礦電池現在可以以25%的效率運行-使其至少在實驗室中與商用硅電池相當。


鈣鈦礦電池可以由通??傻玫墓I化學品和金屬廉價地制造,并且可以印刷在塑料的柔性膜上并大量生產。相反,硅電池是剛性的,是由昂貴的高溫工藝由幾乎純硅的薄晶片制成的。


鈣鈦礦的一個問題是它們在溫度升高時趨于不穩定的趨勢,另一個是易受潮氣的影響,這種結合會使細胞分解。關于要在戶外持續使用兩到三十年的產品來說,這是一個問題。


Labram說:“總的來說,要想在美國和歐洲銷售太陽能電池板,要25年的保修期?!薄皩嶋H上,這意味著太陽能電池在使用25年后應顯示出不低于其原始性能的80%。當前的硅技術對此非常有用。但是,在受控條件下,必須在高于2,000攝氏度的溫度下昂貴地生產硅,才能形成完美的,無缺陷的晶體,從而使其正常運行?!?/p>

另一方面,鈣鈦礦具有很高的缺陷耐受性。


他說:“它們可以溶解在溶劑中,然后在接近室溫的條件下印刷?!薄斑@意味著它們最終可能僅以硅成本的一小部分進行生產,從而減少了化石燃料的使用。但是,要做到這一點,它們要經過25年保修的認證。這要我們了解并改善這些材料的穩定性?!?/p>

進入市場的途徑之一是由硅和鈣鈦礦組成的串聯電池,可以將更多的陽光光譜轉化為能量。Labram說,對串聯電池的實驗室測試出現了28%的效率,而30年代中期的效率似乎是現實的。


他說:“串聯電池可能使太陽能電池板生產商供應的性能超出僅硅所能達到的任何性能?!薄半p重方法可以幫助消除鈣鈦礦進入市場的障礙,而鈣鈦礦最終將成為獨立的細胞?!?/p>

半透明鈣鈦礦薄膜也可能有一天在窗戶或溫室中使用,將入射的部分陽光轉化為電能,而其余部分則通過。


拉布拉姆說:“在發電方面,成本是最重要的因素?!惫韬外}鈦礦現在顯示出大致相同的效率。但是,從長遠來看,鈣鈦礦太陽能電池的制造潛力是硅太陽能電池成本的一小部分。盡管歷史已經向我們表明,假如您能夠以比化石燃料更低的成本從可再生能源發電,那么針對氣候變化的政治行動在很大程度上是無效的,您所要做的就是制造產品,然后市場將照顧到休息?!?/p>

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