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200年前发现的晶体结构可能会给太阳能电池带来革命性的变化

俄勒冈州立大学(Oregon State University)的太阳能研究人员将他们的科研重点放在近两个世纪前发现的一种晶体结构材料上。

并非所有具有这种结构的钙钛矿材料都是半导体。但是以金属和卤素为基础的钙钛矿是有潜力的,而且它们作为光伏电池具有巨大的潜力,制造成本比硅基电池低得多。硅基电池自20世纪50年代诞生以来就占据了市场。

研究人员说,有足够的潜力,也许有一天可以在化石燃料上大显神通;能源行业的份额。

俄勒冈州立大学工程学院的John Labram最近在《通信物理》和《物理化学快报》上发表了两篇关于钙钛矿稳定性的论文,并在2020年7月3日的《科学》上发表了一篇论文。

这项由牛津大学的研究人员在《科学》杂志上进行的研究显示,一种分子添加剂—一种以有机化合物哌啶为基础的盐;大大提高钙钛矿太阳能电池的寿命。

这三篇论文中概述的发现加深了人们对一种很有前途的半导体的理解,这种半导体源于很久以前一位俄罗斯矿物学家的发现。1839年,在乌拉尔山脉,古斯塔夫·罗斯发现了一种钙钛氧化物,它具有奇特的晶体结构,并以俄罗斯贵族列夫·佩罗夫斯基的名字将其命名。

钙钛矿现在指的是一系列的材料,共享原来的晶格。2009年,日本科学家Tsutomu Miyasaka发现钙钛矿是有效的光吸收剂后,人们对钙钛矿的兴趣开始加速。

由于其低成本,钙钛矿太阳能电池具有降低化石燃料价格和彻底改变能源市场的潜力。Labram说。然而,人们对这种新型材料的一个不太了解的方面是它们在持续光照下的稳定性,这是商业化的一个障碍。

在过去的两年里,Labram&rsquo的研究小组在电气工程和计算机科学学院建造了独特的实验装置来研究太阳能材料的电导随时间的变化。

我们与牛津大学合作,证明了即使在没有电接触的情况下,光引起的不稳定性也会持续好几个小时。他说。这些发现有助于澄清在太阳能电池中观察到的类似结果,并掌握了提高钙钛矿太阳能电池稳定性和商业可行性的关键。

太阳能电池的效率是由照射到电池上的阳光转换成可用电能的百分比决定的。

70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,它的效率只有6%,而且制造成本高昂,但它在为太空竞赛初期发射的卫星提供动力方面找到了一席之地。

随着时间的推移,制造成本下降,效率上升,尽管大多数电池并没有太大的变化。它们仍然由掺杂添加剂的两层近乎纯硅组成。它们吸收光,利用光产生的能量在它们之间的接点上产生电流。

2012年,labramo的合作者之一,牛津大学的Henry Snaith,取得了突破性的发现,钙钛矿可以用作太阳能电池的主要成分,而不仅仅是增敏剂。这导致了一场研究活动的风暴,每年都有成千上万篇关于这个主题的科学论文发表。经过8年的研究,钙钛矿电池现在可以以25%的效率工作。制造它们,至少在实验室里,与商业硅电池相当。

钙钛矿电池可以用普通的工业化学品和金属廉价地制造出来,可以印在柔性塑料薄膜上并大量生产。相反,硅电池是刚性的,是由几乎纯硅薄片在昂贵的高温过程中制成的。

钙钛矿的一个问题是,当温度上升时,它们往往有些不稳定,另一个问题是易受水分影响。一种能使细胞分解的混合物。对于一款需要在户外使用二三十年的产品来说,这是个问题。

一般来说,要想在美国和欧洲销售一块太阳能电池板,需要25年的保修期。Labram说。这实际上意味着太阳能电池在25年后的表现不应低于其原始性能的80%。目前的硅技术在这方面做得很好。但是硅必须在控制条件下在超过2000摄氏度的温度下生产,这样才能形成完美的、无缺陷的晶体,这样才能正常工作。

另一方面,钙钛矿的缺陷容忍度很高,Labram说。

它们可以溶解在溶剂中,然后在接近室温的条件下印刷,他说。这意味着,它们的生产成本最终可能只有硅的一小部分,从而以低于化石燃料的价格出售。然而,要做到这一点,它们需要有25年的保修期。这就需要我们了解并提高这些材料的稳定性。

一条通向市场的道路是由硅和钙钛矿组成的串联电池,它可以将更多的太阳光光谱转化为能量。Labram说,串联细胞的实验室测试已经产生了28%的效率,30%左右的效率似乎是现实的。

串联电池可能使太阳能电池板生产商提供的性能超过任何硅单独可能实现,他说。这种双重方法可以帮助消除钙钛矿进入市场的障碍,最终使钙钛矿成为独立的电池。

半透明的钙钛矿薄膜有朝一日也可能用于窗户或温室,将部分入射的阳光转化为电能,同时让其余的阳光通过。

谈到能源生产,成本是最重要的因素。Labram说。硅和钙钛矿现在表现出大致相同的效率。然而,从长远来看,钙钛矿太阳能电池的制造成本只有硅太阳能电池的一小部分。虽然历史已经告诉我们,针对气候变化的政治行动在很大程度上是无效的,但如果你能用可再生能源以比化石燃料更低的成本发电,那么你所要做的就是制造这种产品,然后市场将会处理其余的事情。

参考文献:一种胡椒盐稳定有效的金属卤化物钙钛矿太阳能电池;由林Yen-Hung Nobuya酒井法子,Peimei哒,嘉荫,哈里·c·桑塞姆亚历山德拉j .斋月亚斯Mahesh,罗伯特·d·j·奥利弗Junliang Liu Jongchul Lim Lee Aspitarte Kshama沙玛,p . k . Madhu安娜·b·Morales-Vilches Pabitra k . Nayak赛巴姨,峰高,克里斯·r·m·Grovenor迈克尔·b·约翰斯顿约翰g . Labram James m .球,詹姆斯·r·Durrant伯纳德?温格Bernd Stannowski和亨利·j·史3 2020年7月,科学。

DOI: 10.1126 / science.aba1628

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