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編者按：華盛頓大學(xué)圣路易斯分校的工程師們的一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)為無(wú)毒性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池鋪平了道路，Rohan Mishra領(lǐng)導(dǎo)的研究小組發(fā)現(xiàn)了一種由鉀、鋇、碲、鉍和氧組成的新型半導(dǎo)體，有望取代鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中使用的鉛基半導(dǎo)體。

太陽(yáng)能電池板對(duì)世界從替代能源中獲取電力的興趣大有裨益。然而，這項(xiàng)技術(shù)的一個(gè)缺點(diǎn)是，電池板和電池本身是由有毒和不環(huán)保的材料制成的。

華盛頓大學(xué)圣路易斯分校的工程師們與美國(guó)能源部(DoE)合作，旨在幫助解決這個(gè)問(wèn)題，他們的一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)為無(wú)毒性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池鋪平了道路。

由麥凱維工程學(xué)院機(jī)械工程和材料科學(xué)助理教授Rohan Mishra領(lǐng)導(dǎo)的研究小組發(fā)現(xiàn)了一種由鉀、鋇、碲、鉍和氧組成的新型半導(dǎo)體，有望取代鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中使用的鉛基半導(dǎo)體。


鈣鈦礦是一種具有晶體結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，長(zhǎng)期以來(lái)一直被認(rèn)為是薄膜太陽(yáng)能電池中領(lǐng)先的下一代材料。與硅相比，這種材料有許多優(yōu)點(diǎn)，包括更高的效率和更低的電池生產(chǎn)成本。然而，這種材料通常還不像硅那樣穩(wěn)定，這促使研究人員在材料和設(shè)計(jì)上探索新的選擇。

“我們知道現(xiàn)有的鈣鈦礦并不穩(wěn)定，”該校助理副校長(zhǎng)、能源、環(huán)境和化學(xué)工程系主任普拉蒂姆·比斯瓦斯(Pratim Biswas)教授在接受Design News采訪時(shí)承認(rèn)。“雖然我們的制造方法提高了穩(wěn)定性，但我們覺(jué)得選擇其他材料會(huì)更好。此外，避免有毒金屬……是一件大好事，因?yàn)槲覀儾幌虢鉀Q一個(gè)能源問(wèn)題，又增加一個(gè)環(huán)境問(wèn)題。”

大海撈針

研究人員發(fā)現(xiàn)的無(wú)鉛雙鈣鈦礦氧化物半導(dǎo)體是目前存在的30000種潛在鉍基氧化物之一;研究人員說(shuō)，在這些化合物中，只有25種是已知化合物。

為了從這些化合物中找出一種可行的半導(dǎo)體，研究人員使用了美國(guó)能源部橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Oak Ridge National Laboratory)世界上最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)之一上的材料信息學(xué)和量子力學(xué)計(jì)算。

研究人員說(shuō)，他們通過(guò)計(jì)算確定的半導(dǎo)體似乎是最穩(wěn)定的，也可以在實(shí)驗(yàn)室中合成。此外，在鈣鈦礦細(xì)胞中使用其活性的關(guān)鍵在于，雖然大多數(shù)氧化物往往具有較大的帶隙，但這種化合物具有較低的帶隙，類似于鹵化物鈣鈦礦材料。

帶隙是電子必須克服的能量障礙，才能形成自由載流子。就太陽(yáng)能電池而言，這種載流子可以被提取出來(lái)，為電力設(shè)備或電池提供能量，供以后使用。陽(yáng)光提供能量來(lái)克服這個(gè)障礙;研究人員說(shuō)，較低的帶隙最終意味著更高的能源效率。

證明材料

比斯瓦斯說(shuō)，一旦研究人員確定了這種可行的半導(dǎo)體，他們就開(kāi)始合成這種材料，看看它是否具有預(yù)期的性能。下一步是用新發(fā)現(xiàn)的半導(dǎo)體制造太陽(yáng)能電池。

“我們用理論和計(jì)算來(lái)篩選一系列材料，然后用我們創(chuàng)新的氣溶膠合成方法來(lái)制造太陽(yáng)能電池，”他告訴Design News。“我們?cè)谶@方面取得了成功，對(duì)我們的進(jìn)展感到興奮。”

研究人員在《材料化學(xué)》雜志上發(fā)表了一篇關(guān)于他們工作的論文。

比斯瓦斯說(shuō)，研究小組的工作顯示出開(kāi)發(fā)不含鉛的高效鈣鈦礦電池的前景，這種電池可以擴(kuò)展到其他同樣使用半導(dǎo)體的應(yīng)用領(lǐng)域。 

原標(biāo)題：新型半導(dǎo)體為無(wú)毒性太陽(yáng)能電池鋪平了道路