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为了放大太阳能电池,科学家们抛弃了硅

发布时间:2019-12-05 13:56人气:

  硅在太阳能领域占主导地位。即使是最新的太阳能电池设计,也就是串联装置,该串联装置在由称为钙钛矿的晶体材料制成的电池下方具有硅太阳能电池,也依赖于这种材料。现在,研究人员完全放弃了硅,从两种最好的钙钛矿中制造出单晶,每一种都可以吸收太阳光谱的不同部分。由于钙钛矿比硅电池更容易制造,因此这种进步可能会导致太阳能成本降低。
 
  印第安纳州南本德大学化学家PrashantKamat说:“这些全钙钛矿型串联太阳能电池的高效率是光伏技术的重要进步,并且可能会导致进一步的创新。”致科学杂志的一封电子邮件中写道,他没有参与这项新研究。
 
  硅太阳能电池已经对能源市场产生了重大影响。根据全球金融分析公司Lazard的最新分析,过去十年来,技术和制造的进步使这些电池的价格下降了约88%。在同一时期,这促使全球太阳能部署增加了30倍以上,装机容量超过300亿瓦特(30吉瓦),足以为至少370万户家庭供电。
 
  钙钛矿太阳能电池的目标是基于这些趋势。这些通常由铅,碘,溴和其他丰富元素制成的晶体材料造价低廉。与硅不同,它们易于加工成吸收阳光的层。它们将太阳光转化为电能的效率也已经提高到了最好的硅太阳能电池的水平:在过去十年中从3.8%上升到超过24%。
 
  钙钛矿在吸收阳光中的高能蓝色光子方面也比硅更好。这促使许多研究小组和公司将两者结合起来,超越了传统的硅电池(后者更适合捕获低能量的黄色,红色和近红外光子),而半透明的钙钛矿电池则使发电量增加了一倍。据报道,由英国牛津光伏公司创建的这种串联方式可以达到28%的太阳能发电效率。
 
  但是要完全消除硅,则需要复制硅的低能量捕获能力。一种策略是定制钙钛矿来完成这项工作。例如,2014年,日本和美国的研究人员通过将锡添加到铅基钙钛矿的标准配方中来做到这一点。这样一来,世界各地的团队就可以使用两种钙钛矿来制造双极膜:传统的,基于铅的高能吸收池和可以替代硅的锡铅钙钛矿。所产生的钙钛矿双结膜的效率约为23%。
 
  问题仍然存在。一种是锡容易与空气中的氧气发生反应,从而在锡铅钙钛矿的晶格中产生缺陷。这些缺陷会破坏电荷在电池中的移动,从而限制了电池的效率。现在,由科罗拉多州戈尔登市国家可再生能源实验室的物理学家约瑟夫·贝里(JosephBerry)领导的研究人员报告说,他们找到了一种防止钙钛矿中锡与氧气反应的方法。他们在锡铅钙钛矿混合物中添加了一种简单的有机化合物,称为硫氰酸胍盐,该涂层实质上涂覆了构成太阳能吸收膜的钙钛矿微晶,从而防止氧气渗入内部与锡反应。结果,锡铅钙钛矿层的效率从18%跃升至20%。他们今天在《科学》杂志上报告说,当贝瑞和他的团队将这种材料与常规的高吸收能量的钙钛矿顶层结合使用时,所形成的串联电池将阳光中25%的能量转化为电能。
 
  新的全钙钛矿双相膜的效率仍然落后于牛津光伏和其他公司的硅钙钛矿组合。但是贝瑞(Berry)指出,他团队的领先钙钛矿效率不如预期。因此,现在他们正在寻求改善这一层。
 
  Kamat表示,要在该领域生产数十年的电力,全钙钛矿必须要与硅的坚固性相匹配,而且还有很长的路要走。但是由于全钙钛矿的生产成本远低于硅钙钛矿的生产成本或单晶硅电池的生产成本,因此可以肯定的是,科学家将竭尽所能证明自己的价值。

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