太阳能若变得更便宜,钙钛矿改朝换代功不可没

作者 | 发布日期 2018 年 01 月 10 日 11:53 | 分类 太阳能 , 电视 , 芯片
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【Technews科技新报】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矽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 Ca 2 + ,位于立方体中心;B 原子(蓝球)是较小的金属阳离子,比如 Ti 4 + ,分布在立方体的 8 个角落;X 原子(红球)通常则是氧。(Source:By Cadmium at English Wikipedia (Transferred from en.wikipedia to Commons.) [Public domain], 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。《Financial Times》报导,美国斯坦福大学材料科学与工程教授 Michael McGehee 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。

(首图来源:pixabay

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