2022-08-21 13:30

近200年前发现的晶体结构可能会给太阳能电池带来革命

Perovskite Crystal Structure

钙钛矿结构。图片来源:John Labram,俄勒冈州立大学

俄勒冈州立大学的太阳能研究人员正把他们的科学焦点放在近两个世纪前发现的具有晶体结构的材料上。

并非所有具有这种钙钛矿结构的材料都是半导体。但是以金属和卤素为基础的钙钛矿具有巨大的潜力,作为光伏电池,它们的制造成本可能比自20世纪50年代问世以来一直占据市场的硅基电池低得多。

研究人员表示,有足够的潜力,或许有一天化石燃料在能源领域的份额将会大幅下降。

俄勒冈州立大学工程学院的John Labram是最近在《通信物理学》和《物理化学快报》上发表的两篇关于钙钛矿稳定性的论文的通讯作者,还为2020年7月3日发表在《科学》上的一篇论文投稿。

这项由牛津大学研究人员领导的研究发表在《科学》杂志上,他们发现一种分子添加剂——一种基于有机化合物哌啶的盐——可以极大地延长钙钛矿太阳能电池的寿命。

这三篇论文中概述的发现加深了对有希望的半ico的理解由一位俄国矿物学家在很久以前发现的一种导体。1839年,古斯塔夫·罗斯在乌拉尔山脉发现了一种钙钛氧化物,它具有一种有趣的晶体结构,并将其命名为“ho”俄国贵族列夫·佩罗斯基也没有Solar Cell Crystal Structure Testing Apparatus

仪器进行测试。图片来源:John Labram,俄勒冈州立大学

钙钛矿现在指的是一系列与原始晶体晶格相同的材料。2009年,日本科学家宫坂勉(Tsutomu Miyasaka)发现一些钙钛矿是有效的光吸收剂后,人们对它们的兴趣开始加速。

“由于成本低,钙钛矿太阳能电池有潜力削弱化石燃料,并彻底改变能源市场,”Labram说。“然而,人们对这种新型材料的一个不太了解的方面是,它们在持续光照下的稳定性,这是阻碍商业化的一个问题。”

在过去的两年中,Labram在电气工程与计算机科学学院的研究小组建立了独特的实验装置,以研究太阳能材料的电导随时间的变化。

他说:“我们与牛津大学合作,证明了即使在没有电接触的情况下,光引起的不稳定性也会在很多小时内发生。”“这些发现有助于澄清在太阳能电池中观察到的类似结果,并掌握了提高钙钛矿太阳能电池的稳定性和商业可行性的关键。”

太阳能电池的效率是由阳光照射到电池上转化为可用电能的百分比来定义的。

70年前,贝尔实验室研制出了第一块实用的太阳能电池。按照今天的标准,它的效率只有6%,而且制造成本很高,但它在为太空竞赛初期发射的卫星提供动力方面找到了一个利基市场。

随着时间的推移,制造成本下降,效率上升,尽管大多数电池没有太大的变化——它们仍然由两层几乎纯硅掺杂添加剂组成。它们吸收光,利用光产生的能量在它们之间的连接处产生电流。

2012年,Labram的合作者之一,牛津大学的Henry Snaith,取得了突破性的发现,钙钛矿可以用作太阳能电池的主要成分,而不仅仅是一种敏化剂。这导致了一场研究活动的风暴,每年都有数千篇关于这个主题的科学论文发表。经过8年的研究,钙钛矿电池的效率现在可以达到25%——至少在实验室中,它们与商业硅电池的效率相当。

钙钛矿电池可以用常见的工业化学品和金属廉价制造,并可以印刷到柔性塑料薄膜上大规模生产。相反,硅电池是刚性的,由几乎纯硅的薄片晶圆经过昂贵的高温工艺制成。

钙钛矿的一个问题是,当温度上升时,它们往往不稳定,另一个问题是易受水分的影响——这种结合会使细胞分解。对于一种需要在户外使用二、三十年的产品来说,这是个问题。

“一般来说,要想在美国和欧洲销售太阳能电池板,需要25年的保修期,”Labram说。“这意味着,在现实中,太阳能电池在25年后的性能应该不低于原始性能的80%。目前的硅技术在这方面做得很好。但硅必须在控制条件下,在超过2000摄氏度的温度下,以昂贵的成本生产,才能形成完美、无缺陷的晶体,从而正常工作。”

Labram说,另一方面,钙钛矿对缺陷的容忍度很高。

“它们可以溶解在一种溶剂中,然后在接近室温的条件下打印,”他说。这意味着它们最终的生产成本可能只有硅的一小部分,从而降低化石燃料的价格。然而,要做到这一点,它们需要有25年的保修期。这就要求我们了解并提高这些材料的稳定性。”

一条通往市场的道路是由硅和钙钛矿组成的串联电池,它可以将更多的太阳光光谱转化为能量。Labram说,串联电池的实验室测试已经产生了28%的效率,效率在35度左右似乎是现实的。

他说:“串联式电池可能会让太阳能电池板生产商提供一种超越单一硅所能达到的性能。”“这种双重方法可以帮助消除钙钛矿进入市场的障碍,使钙钛矿最终成为独立的电池。”

有一天,半透明的钙钛矿薄膜也可能被用于窗户或温室,将部分入射的阳光转化为电能,同时让其余的阳光通过。

“在能源生产方面,成本是最重要的因素,”Labram说。硅和钙钛矿现在显示出大致相同的效率。然而,从长远来看,钙钛矿太阳能电池的制造成本可能只是硅太阳能电池的一小部分。虽然历史已经告诉我们,针对气候变化的政治行动在很大程度上是无效的,但如果你能以比化石燃料更低的成本从可再生资源发电,你所要做的就是生产产品,然后市场会解决剩下的问题。”