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钙钛矿或是下一代主流太阳能技术

   日期:2018-01-10     来源:科技新报    浏览:4513    评论:0    
核心提示:太阳能发电已逐渐改变世界各国的电力市场占比,而研究人员认为,未来太阳能将变得更高效、更便宜,关键材料就在于一种被称为钙钛
太阳能发电已逐渐改变世界各国的电力市场占比,而研究人员认为,未来太阳能将变得更高效、更便宜,关键材料就在于一种被称为钙钛矿的晶体全面开发。

太阳能电池领域长江后浪推前浪,而钙钛矿电池目前被认为是继传统硅电池之后最有前途的接班人,自2009年首次报导曝光至今,短短数年就已被证明具有高达22%的转换效率,几乎与传统硅电池旗鼓相当,而这位新人还有可观的成长空间,但硅电池的效率已长时间停滞在25%左右。

迄今为止,钙钛矿的表现超越其他所有新型太阳能材料,比如染料敏化太阳能电池(DSSC)、有机太阳能电池等,其快速发展让许多科学家对其持乐观态度。

染料敏化太阳能电池是一种廉价的薄膜太阳能电池,基于由光敏电极和电解质构成的半导体,是一个电气化学系统。它吸引人的优点是可用低廉材料制成,制程比以前的电晶体电池还要便宜,它可以被制成软片,不需要特别保护,虽然能量转换效率比最好的薄膜电池要低,但理论上它们的性价比已足够高。

钙钛矿(Perovskite)则是一种氧化物矿物,一般化学式为ABX3,最早被发现存在于钙钛矿石中的钛酸钙(CaTiO3)化合物而得名,具有立方晶体结构:A和B是两个大小不同的阳离子,X则是与两者结合的阴离子(通常是氧)。

▲钙钛矿晶体结构图。A原子(绿球)是较大的金属阳离子,比如Ca2+,位于立方体中心;B原子(蓝球)是较小的金属阳离子,比如Ti4+,分布在立方体的8个角落;X原子(红球)通常则是氧。(Source:By Cadmiumat English Wikipedia(Transferred from en.wikipedia to Commons.)[Publicdomain],via Wikimedia Commons)

随着研究进展,科学家可以透过以其他元素代替钙、钛、氧来改善这种材料的物理化学性质,来产生在光伏方面的具体应用,目前研究最多的钙钛矿化合物为(CH3NH3)PbI3,在这种材料中,钙离子,钛离子和氧离子分别被甲基铵、铅、碘离子取代。

但在钙钛矿材料可以商用之前,它还有些重大障碍需要突破:第一,钙钛矿晶体在潮湿条件下容易分解,若没有适当隔绝水份的密封技术,电池就会在短时间内告终,这导致稳定性低;第二,科学家目前只在非常小的钙钛矿电池中实现高效率(大概只有一片指甲大小),放大版的钙钛矿电池还没有出现相同效果。

钙钛矿电池现在还很难打败硅晶电池,因为后者已发展出规模经济。《FinancialTimes》报导,美国斯坦福大学材料科学与工程教授MichaelMcGehee最近提出了一项新的解决方案:“串联”太阳能电池,借由在传统硅晶上层覆盖钙钛矿,两者互相合作,不要只闻新人笑,旧人仍有用武之地。

由于半透明的钙钛矿电池可以捕获可见光谱中的波长,其他波长则穿过钙钛矿电池,交由下面的矽电池捕获,McGehee的研究表明,串联电池的效率可比单打独斗的硅电池高出10%,这可能是钙钛矿材料打入以硅为主导市场的另一种方式。

只要能克服稳定性和尺寸,钙钛矿太阳能电池就有可能改变太阳能源的经济性,毕竟它们比硅电池还要便宜许多,钙钛矿晶体可在相对较低的温度下生产,不像硅需要大量热量制造芯片。 
 
标签: 太阳能
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