編者按:近日,日本沖繩科學(xué)技術(shù)大學(xué)院大學(xué)(OIST)的研究人員采用一種穩(wěn)定、高效且相對便宜的鈣鈦礦材料開發(fā)出新型太陽能電池。
背景
太陽能,是頗具代表性的新能源之一。其優(yōu)勢包括:清潔、可再生、無污染、易獲取等等。為了將太陽光的能量直接轉(zhuǎn)化為電能,我們通常要借助一種設(shè)備:太陽能電池。如今,太陽能電池在我們的身邊到處可見,例如:窗戶、墻壁、汽車、智能手機(jī)、平板電腦等物品中都會見到太陽能電池的身影。
迄今為止,大多數(shù)的太陽能電池都是由硅制成,因為這種材料非常善于吸收光線。可是,硅面板的制造成本卻很昂貴。
科學(xué)家們一直都在研究由鈣鈦礦組成的結(jié)構(gòu),使之成為硅的替代品。真正的鈣鈦礦,是一種存在于地球中的礦物,它由鈣、鈦、氧分子經(jīng)過特殊排列而成。具有相同晶體結(jié)構(gòu)的材料稱為鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。
相比于共棱、共面形式連接的結(jié)構(gòu),鈣鈦礦結(jié)構(gòu)顯得更加穩(wěn)定,更有利于缺陷的擴(kuò)散遷移。因此,鈣鈦礦具備了許多優(yōu)異的物理化學(xué)特性,例如電催化性、吸光性等。
鈣鈦礦結(jié)構(gòu)非常適合作為太陽能電池吸收光線的活性層,因為它們吸收光線的效率比硅更高,且成本更低廉。將鈣鈦礦結(jié)構(gòu)集成到太陽能電池中,需要采用的設(shè)備也相對簡單。例如,它們可以溶解到溶劑中,直接噴涂到基底上面。
由鈣鈦礦結(jié)構(gòu)組成的材料有望為太陽能電池設(shè)備帶來一場革命,但是卻具有一個嚴(yán)重的缺陷:它們通常很不穩(wěn)定,在高溫條件下性能會退化。這嚴(yán)重阻礙了它們的商用。
創(chuàng)新
日本沖繩科學(xué)技術(shù)大學(xué)院大學(xué)(OIST)能量材料與表面科學(xué)單位的研究人員,由YabingQi教授領(lǐng)導(dǎo),采用一種穩(wěn)定、高效且相對便宜的鈣鈦礦材料開發(fā)出太陽能電池,同時也為這種鈣鈦礦材料未來在太陽能電池中的應(yīng)用鋪平了道路。
他們的研究論文最近發(fā)表于《先進(jìn)能源材料(Advanced Energy Materials)》雜志。博士后學(xué)者JiaLiang博士和ZonghaoLiu博士對這項研究作出了主要貢獻(xiàn)。
技術(shù)
這種材料具有幾種關(guān)鍵特征。首先,它是完全無機(jī)的(一個重要的變化),因為有機(jī)成分通常不耐熱,性能會在高溫條件下退化。因為太陽能電池會在太陽光照射下變得過熱,所以熱穩(wěn)定性顯得非常關(guān)鍵。通過無機(jī)材料取代有機(jī)成分,鈣鈦礦太陽能電池會變得更加穩(wěn)定。
如下圖所示,這種全無機(jī)鈣鈦礦太陽能電池具有幾層。底層是僅有幾毫米厚的玻璃,第二層是透明導(dǎo)電材料FTO,接下來是由二氧化鈦組成的電子活性層,第四層是光敏鈣鈦礦,頂層是碳。
下圖是鈣鈦礦太陽能電池的電子顯微鏡圖像,它顯示出不同的層。
論文作者之一的ZonghaoLiu博士說:“太陽能電池在暴露于光線中300小時后,幾乎未發(fā)生改變。”
然而,所有的無機(jī)鈣鈦礦太陽能電池都比有機(jī)無機(jī)混合物的光線吸收率要低。第二個特征也由此而來:OIST的研究人員將新型電池與錳摻雜,以改善其性能。錳改變了材料的晶體結(jié)構(gòu),提升了光線吸收能力。Liu表示:“就像你將鹽放入一盤菜中來改變它的口味一樣,當(dāng)我們添加錳的時候,它改變了太陽能電池的特性。”
第三,在這些太陽能電池中,在太陽能電池之間傳輸電流的電極和外部電線都是由碳組成,而不是通常用的金。這些電極特別便宜且易于制造,一部分是由于它們能夠直接印刷到太陽能電池中。從另外一方面說,制造金電極則需要高溫條件以及真空室等特殊設(shè)備。
價值
總結(jié)一下,這項研究開發(fā)出的鈣鈦礦太陽能電池具有幾項優(yōu)勢:熱穩(wěn)定性好、光線吸收率高、制造工藝簡單且成本低。因此,這項研究也為未來鈣鈦礦太陽能電池的大規(guī)模商用奠定了基礎(chǔ)。
未來
在變成像硅太陽能電池一樣的商用產(chǎn)品之前,鈣鈦礦太陽能電池仍有一系列的挑戰(zhàn)需要克服。例如,鈣鈦礦太陽能電池可保持運行一到兩年,而硅太陽能電池可運行達(dá)二十年。
為了改善這些新型電池的效率和持久性,Qi及其同事們正努力工作,同時也在開發(fā)制造商用產(chǎn)品的工藝。2009年,首個太陽能電池被報道開發(fā)出來。此后,這項技術(shù)進(jìn)展迅猛,這些新型電池的前景看上去很光明。
原標(biāo)題:新型鈣鈦礦太陽能電池:穩(wěn)定、高效且相對便宜