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大约200年前发现的晶体结构可能是太阳能电池革命的关键

2021-03-04 20:07:08

俄勒冈州立大学的太阳能研究人员正在将他们的科学焦点聚焦在将近两个世纪前发现的具有晶体结构的材料上。

并非所有具有这种结构的材料(称为钙钛矿)都是半导体。但是基于金属和卤素的钙钛矿非常有用,它们具有巨大的潜力,因为其光伏电池的制造成本可能比自1950年代问世以来一直占有市场的硅基电池便宜得多。

研究人员说,有足够的潜力也许有一天可以显着地挖掘化石燃料在能源领域的份额。

OSU工程学院的John Labram是通讯物理学和《物理化学快报》上最近两篇有关钙钛矿稳定性的论文的通讯作者,并且还为今天在《科学》上发表的一篇论文做出了贡献。

牛津大学研究人员领导的《科学》研究发现,分子添加剂(一种基于有机化合物哌啶的盐)可以极大地提高钙钛矿太阳能电池的寿命。

三篇论文中概述的研究结果加深了对一种有前途的半导体的了解,这种半导体源于俄罗斯矿物学家长期以来的发现。1839年,在乌拉尔山脉,古斯塔夫·罗斯(Gustav Rose)遇到了具有迷人晶体结构的钙和钛氧化物,并以俄罗斯贵族列夫·佩罗夫斯基(Lev Perovski)的名字命名。

钙钛矿现在是指与原始晶格共享的一系列材料。在日本科学家宫坂勉(Tsutmu Miyasaka)发现某些钙钛矿是有效的光吸收剂之后,对它们的兴趣在2009年开始增加。

拉布拉姆说:“由于钙钛矿型太阳能电池的低成本,它们有可能削弱化石燃料并彻底改变能源市场。” “然而,这种新型材料的一个鲜为人知的方面是它们在恒定照明下的稳定性,这一问题代表了商业化的障碍。”

在过去的两年中,Labram的电气工程与计算机科学学院的研究小组建立了独特的实验仪器,以研究太阳能材料的电导随时间的变化。

他说:“与牛津大学合作,我们证明了即使在没有电接触的情况下,光致不稳定性也会持续数小时。” “这些发现有助于澄清在太阳能电池中观察到的类似结果,并成为提高钙钛矿太阳能电池的稳定性和商业可行性的关键。”

太阳能电池效率由阳光照射到太阳能电池上的能量转换为可用电功率的百分比来定义。

七十年前,贝尔实验室开发了第一个实用的太阳能电池。按照今天的标准,它的效率仅为6%,而且制造成本很高,但它为在太空竞赛初期诞生的人造卫星提供了动力。

随着时间的推移,即使大多数电池变化不大,制造成本也会降低,效率也会提高,它们仍然由两层几乎纯净的硅组成,并掺有添加剂。他们吸收光,利用光中的能量在它们之间的交界处产生电流。

2012年,Labram的合作者之一,牛津大学的Henry Snaith做出了突破性的发现,钙钛矿可以用作太阳能电池的主要成分,而不仅仅是用作敏化剂。这引发了研究活动的狂潮,每年就该主题发表数千篇科学论文。经过八年的研究,钙钛矿电池现在可以以25%的效率运行-使其至少在实验室中与商用硅电池相当。

钙钛矿电池可以由通常可得的工业化学品和金属廉价地制造,并且可以印刷在塑料的柔性膜上并大量生产。相反,硅电池是刚性的,是由昂贵的高温工艺由几乎纯硅的薄晶片制成的。

钙钛矿的一个问题是它们在温度升高时趋于不稳定的趋势,另一个问题是易受潮,这种结合会使细胞分解。对于需要在户外持续使用两到三十年的产品来说,这是一个问题。

拉布拉姆说:“总的来说,要想在美国和欧洲销售太阳能电池板,就需要25年的保修期。” “实际上,这意味着太阳能电池在使用25年后应表现出不低于其原始性能的80%。目前的硅技术对此非常有用。但是,硅必须在高于2,000的温度下昂贵地生产摄氏温度在受控条件下形成完美无缺陷的晶体,因此它们可以正常运行。”

另一方面,钙钛矿具有很高的耐缺陷性。

他说:“它们可以溶解在溶剂中,然后在接近室温的条件下印刷。” “这意味着它们最终可能只用硅的一小部分成本生产,从而削减了化石燃料。但是,要实现这一点,它们需要经过25年保修的可认证性。这需要我们了解和改进这些材料的稳定性。”

进入市场的途径之一是由硅和钙钛矿组成的串联电池,可以将更多的阳光光谱转化为能量。Labram说,对串联电池的实验室测试产生了28%的效率,而在30年代中期的效率似乎是现实的。

他说:“串联电池可能使太阳能电池板生产商提供的性能超越仅硅就可以达到的任何性能。” “双重方法可以帮助消除钙钛矿进入市场的障碍,而钙钛矿最终将成为独立的细胞。”

半透明钙钛矿薄膜也可能有一天在窗户或温室中使用,将入射的部分阳光转化为电能,而其余的则通过。

拉布拉姆说:“在发电方面,成本是最重要的因素。” “硅和钙钛矿现在显示出大致相同的效率。但是,从长远来看,钙钛矿太阳能电池的制造潜力是硅太阳能电池成本的一小部分。而历史向我们展示了针对气候变化的政治行动在很大程度上是无效的,如果您能够以比化石燃料更低的成本从可再生能源发电,那么您所要做的就是制造产品,那么剩下的就是市场。”

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