編者按:由鈣鈦礦制成的太陽能電池前途無量,部分原因是它們可以很容易地在柔韌的基底上制成。
鈣鈦礦是一類具有相同晶體結(jié)構(gòu)的化合物,由于其低成本、靈活性和相對容易的制造工藝,作為一種潛在的新型太陽能電池材料受到了廣泛關(guān)注。但是,關(guān)于它們的結(jié)構(gòu)細節(jié),以及在材料中取代不同金屬或其他元素的效果,還有很多未知之處。
由硅制成的傳統(tǒng)太陽能電池必須在1400攝氏度以上的溫度下加工,使用昂貴的設備限制了其擴大生產(chǎn)的潛力。相比之下,鈣鈦礦可以在低至100度的液態(tài)溶液中加工,使用廉價的設備。更重要的是,鈣鈦礦可以沉積在各種各樣的基體上,包括柔性塑料,這使得鈣鈦礦有了各種各樣的新用途,而這在更厚、更硬的硅片上是不可能實現(xiàn)的。
現(xiàn)在,研究人員已經(jīng)能夠解釋鈣鈦礦行為的一個關(guān)鍵方面,它是由不同的配方制成的:在某些添加劑中,存在一種“甜蜜點”,在這種“甜蜜點”上,添加更多的鈣鈦礦會提高性能,而添加更多的鈣鈦礦會開始降低性能。
這一發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《科學》雜志上,由麻省理工學院前博士后胡安-帕布羅·科利亞-巴埃納、麻省理工學院教授托尼奧·布納西和蒙吉·巴旺迪以及麻省理工學院、加州大學圣地亞哥分校和其他機構(gòu)的18位教授共同撰寫。
鈣鈦礦是一類具有三部分晶體結(jié)構(gòu)的化合物。每個部件都可以由許多不同的元素或化合物中的任意一個組成,從而產(chǎn)生非常廣泛的可能公式。Buonassisi將設計一個新的鈣鈦礦比作從菜單中點菜,從每一列a、B和(按照慣例)X中選擇一個(或多個)。
“你可以混合搭配,”他說,但到目前為止,所有的變化都只能通過反復試驗來研究,因為研究人員對材料中發(fā)生的事情沒有基本的了解。
此前,瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院(Ecole Polytechnique Federale de Lausanne)的一個研究小組發(fā)現(xiàn),在鈣鈦礦混合物中加入某些堿金屬,可以提高這種材料將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的效率,從19%左右提高到22%左右。科里亞-巴埃納也參與了這項研究。但當時沒有解釋這種改進,也不知道這些金屬在化合物中到底做了什么。
“關(guān)于微觀結(jié)構(gòu)是如何影響性能的,我們知之甚少,”Buonassisi說。
現(xiàn)在,利用高分辨率同步加速器納米x射線熒光測量技術(shù)進行的詳細測繪揭示了這一過程的細節(jié),為進一步改善這種材料的性能提供了潛在線索。
事實證明,在鈣鈦礦化合物中加入諸如銫或銣等堿金屬,可以幫助其他成分更順利地混合在一起。正如該團隊所描述的,這些添加劑有助于混合物的“均質(zhì)化”,使其更容易導電,從而提高其作為太陽能電池的效率。但是,他們發(fā)現(xiàn),這只能在一定程度上起作用。超過一定濃度后,這些添加的金屬會聚集在一起,形成干擾材料導電性的區(qū)域,并在一定程度上抵消最初的優(yōu)勢。他們發(fā)現(xiàn),在這兩者之間,對于這些復雜化合物的任何給定配方來說,都是提供最佳性能的最佳點。
說:“這是一個很大的發(fā)現(xiàn)Correa-Baena,1月份成為助理教授喬治亞理工大學材料科學與工程,研究人員發(fā)現(xiàn),三年后的工作在麻省理工學院和加州大學圣地亞哥分校的合作者是“當你添加這些堿金屬和性能提高的原因。“他們能夠直接觀察到材料組成的變化,揭示出均勻化和結(jié)塊的抵消效應。”
Correa-Baena說:“根據(jù)這些發(fā)現(xiàn),我們現(xiàn)在知道,我們應該研究類似的體系,比如加入堿金屬或其他金屬,或者改變配方的其他部分。”
盡管鈣鈦礦相對于傳統(tǒng)的硅太陽能電池有很大的優(yōu)勢,尤其是在建立工廠生產(chǎn)鈣鈦礦的低成本方面,但它們?nèi)孕枰M一步的工作來提高整體效率和壽命,而后者遠遠落后于硅電池。
盡管研究人員已經(jīng)澄清了鈣鈦礦材料在添加不同金屬時發(fā)生的結(jié)構(gòu)變化,以及由此導致的性能變化,“我們?nèi)匀徊幻靼走@背后的化學原理,”corria - baena說。
這是該小組正在進行的研究課題。根據(jù)Correa-Baena的數(shù)據(jù),理論上這些鈣鈦礦太陽能電池的最大效率約為31%,迄今為止的最佳性能約為23%,因此仍有很大的改進空間。
盡管鈣鈦礦可能需要數(shù)年時間才能充分發(fā)揮其潛力,但至少有兩家公司已經(jīng)在建立生產(chǎn)線,他們希望在明年左右開始銷售首批模塊。其中一些是小型的、透明的、彩色的太陽能電池,設計用于集成到建筑的立面上。
“這已經(jīng)發(fā)生了,”Correa-Baena說,“但是要使這些更耐用,還有很多工作要做。”
Buonassisi說,一旦大規(guī)??芍圃煨?、效率和耐久性的問題得到解決,鈣鈦礦可能會成為可再生能源行業(yè)的主要參與者。
他表示:“如果他們成功地制造出可持續(xù)、高效的模塊,同時保持制造成本低廉,那可能會改變游戲規(guī)則。”“這將使太陽能的擴張速度比我們所見的要快得多。”
鈣鈦礦太陽能電池“現(xiàn)在是商業(yè)化的主要候選。因此,正如這項工作中所做的那樣,提供更深入的見解有助于未來的發(fā)展,”瑞士弗里堡大學(University of Fribourg)軟物質(zhì)物理學高級研究員邁克爾•薩利巴(Michael Saliba)表示。他沒有參與這項研究。
Saliba補充說:“這是一項偉大的工作,它揭示了一些最受研究的材料。以同步加速器為基礎的新技術(shù)與新材料工程的結(jié)合是最高質(zhì)量的,值得在這樣一份高級期刊上發(fā)表。
他補充說,這個領(lǐng)域的工作“正在迅速進展”。因此,擁有更詳細的知識對于解決未來的工程挑戰(zhàn)將是非常重要的。
這項研究除了麻省理工學院和加州大學圣地亞哥分校的研究人員外,還包括普渡大學和阿貢國家實驗室的研究人員。研究得到了美國能源部、國家科學基金會、斯科爾科沃科學技術(shù)研究所和加州能源委員會的支持。
原標題:挖掘'鈣鈦礦'用于太陽能電池的巨大潛力