什麼是雙鈣鈦礦太陽能電池可以與硅競爭的重大事件

太陽能電池的新設計使用廉價的,通常可用的材料,可以與硅製成的傳統電池相媲美,甚至優於傳統電池。

科學家們已經使用錫和其他豐富的元素來製造新型鈣鈦礦 - 一種比矽晶體更薄,更靈活,更容易製造的光伏晶體材料。 他們在期刊上報導了他們的研究 科學.

“鈣鈦礦半導體已經顯示出以低成本製造高效太陽能電池的巨大希望,”研究合著者,斯坦福大學材料科學與工程教授Michael McGehee說。 “我們設計了一種堅固的全鈣鈦礦設備,可將陽光轉化為電能,效率為20.3%,與目前市場上的矽太陽能電池相當。”

雙鈣鈦礦堆疊

新器件由兩個串聯堆疊的鈣鈦礦太陽能電池組成。 每個單元都印在玻璃上,但可以使用相同的技術在塑料上印刷單元。

“我們已經展示的全鈣鈦礦串聯電池清楚地勾勒出薄膜太陽能電池的路線圖,提供超過30效率的路線圖,”牛津大學物理學教授共同作者Henry Snaith說。 “這僅僅是個開始。”


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以前的研究表明,添加一層鈣鈦礦可以提高矽太陽能電池的效率。 科學家表示,由兩個全鈣鈦礦電池組成的串聯裝置將更便宜,能耗更低。

“矽太陽能電池板首先將矽石轉化為矽晶體,其工藝溫度高於華氏3,000華氏度(1,600攝氏度),”斯坦福大學的博士後學者Tomas Leijtens說。 “鈣鈦礦電池可以在實驗室中使用普通材料加工,如鉛,錫和溴,然後在室溫下印刷在玻璃上。”

一個艱難的挑戰

但是,構建全鈣鈦礦串聯設備一直是一項艱鉅的挑戰。 主要問題是製造穩定的鈣鈦礦材料,能夠從太陽捕獲足夠的能量,產生合適的電壓。

典型的鈣鈦礦細胞從太陽光譜的可見部分收穫光子。 較高能量的光子可以使鈣鈦礦晶體中的電子跳過“能隙”並產生電流。

具有小能隙的太陽能電池可以吸收大多數光子但產生非常低的電壓。 具有較大能隙的電池產生較高的電壓,但較低能量的光子直接通過它。

聯合主要作者,目前在華盛頓大學的牛津博士後學者Giles Eperon說,一個高效的串聯裝置將由兩個理想匹配的細胞組成。

“具有較大能隙的電池會吸收更高能量的光子並產生額外的電壓,”Eperon說。 “具有較小能隙的電池可以收集第一個電池未收集的光子並仍然產生電壓。”

穩定性問題

事實證明,較小的差距對科學家來說是一個更大的挑戰。 Eperon和Leijtens一起工作,使用錫,鉛,銫,碘和有機材料的獨特組合,創造出能隙小的高效電池。

“我們開發了一種新型鈣鈦礦,可吸收低能紅外光,並提供14.8轉換效率,”Eperon說。 “然後,我們將它與由類似材料組成但具有更大能隙的鈣鈦礦電池結合在一起。”

結果:串聯裝置由兩個鈣鈦礦電池組成,總效率為20.3%。

“有幾千種可能的鈣鈦礦化合物,”Leijtens說,“但這種化合物效果非常好,比之前的任何物質都要好得多。”

'膠水'技巧使鈣鈦礦太陽能電池變得更大

鈣鈦礦的一個問題是穩定性。 由矽製成的屋頂太陽能電池板通常持續25年或更長時間。 但是一些鈣鈦礦在暴露於潮濕或光照時會迅速降解。 在先前的實驗中,發現用錫製成的鈣鈦礦特別不穩定。

為了評估穩定性,研究小組將兩個實驗細胞置於212華氏度(100攝氏度)的溫度下四天。

“至關重要的是,我們發現我們的細胞具有出色的熱穩定性和大氣穩定性,這是錫基鈣鈦礦前所未有的,”作者寫道。

“我們的串聯設備的效率已遠遠超過其他低成本半導體製造的最佳串聯太陽能電池,如有機小分子和微晶矽,”McGehee說。 “那些看到潛力的人意識到這些結果是驚人的。”

Snaith說,下一步是優化材料成分,吸收更多光線,產生更高的電流。

“一旦可製造性和可接受的穩定性得到證實,鈣鈦礦的多功能性,材料和製造的低成本,以及現在可以實現非常高效率的潛力,將對光伏產業產生變革,”他說。

該研究的共同作者是斯坦福大學,牛津大學,比利時哈瑟爾特大學和SunPreme Inc.。

資金來自石墨烯旗艦公司,勒沃胡姆基金會(Leverhulme Trust),英國工程和物理科學研究委員會,歐盟第七框架計劃,《地平線2020》,美國海軍研究辦公室以及斯坦福大學的全球氣候與能源項目。

資源: 斯坦福大學

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