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有能力讓窗戶也發電的「鈣鈦礦」是何方神圣?
2020年12月14日 發布 分類:技術前沿 點擊量:126
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今年4月,《Nano Energy》雜志上刊登了一則關于澳大利亞ARC激子科學中心和莫納什大學教授杰克·杰森帶領的研究團隊研制出了半透明的鈣鈦礦太陽能電池的報道。這報道咋一看似乎平平無奇,但其實它的精華都集中在了“半透明”這三個字上。

鈣鈦礦

“半透明”意味著什么呢?就是這種電池在產生電能的同時,還可以讓光通過!如果能將它與玻璃產品結合起來,那窗戶就可以被改造成一個自主發電機,為電力、建筑、城市規劃等行業都帶來革命性的變化。

雖然到目前為止,半透明太陽能電池的商用研究仍在路上,距離我們正式見到它可能還需要一些時間。但在那之前,我們完全可以先來了解一下這種名為鈣鈦礦的材料到底有什么樣能耐,可以引起各國研究者的巨大興趣。

鈣鈦礦的基本性質

鈣鈦礦材料是一類有著與鈦酸鈣(CaTiO3)相同晶體結構的材料,是Gustav Rose在1839年發現,后來由俄羅斯礦物學家L.A.Perovski命名。鈣鈦礦材料結構式一般為ABX3,其中A和B是兩種陽離子,X是陰離子,一般為立方體或八面體結構,如下圖所示。

鈣鈦礦

鈣鈦礦晶體結構

這種奇特的晶體結構讓它具備了很多獨特的理化性質,如高吸收系數,長激子壽命和擴散長度,高雙極遷移率和低激子結合能等等,使其在新一代的太陽電池中具有非凡的吸引力,同時在固體燃料電池、固體電解質、傳感器、高溫加熱材料等諸多領域都有不少的應用。

鈣鈦礦的應用

盡管鈣鈦礦材料已經被研究了幾十年,但最初的興趣是集中于它們在薄膜晶體管(TFT)和發光二極管(LED)應用上的光電導率或離子電導率及半導體特性的研究,在2009年春,日本染料敏化電池專家Miyasaka首次將鉛鹵化物鈣鈦礦雜化材料CH3NH3PbX3(X=I,Br)作為光吸收材料,結合TiO2納米晶薄膜和碘電解質制備出鈣鈦礦太陽電池,然而,它產生的能量轉換效率很低(碘基鈣鈦礦型的只有3.81%,溴基鈣鈦礦型的只有3.13%),它在電解液中的穩定性也比較低。

鈣鈦礦

 CH3NH3PbI3單晶照片

不過科學家們對鈣鈦礦材料的鉆研并沒有因此而中斷,在之后10年間,鈣鈦礦電池的實驗室效率便躍升至25.2%,疊加鈣鈦礦電池在晶體硅之上的效率更是高達28%??梢哉f,其能量轉換效率已經超過了很多其他類型太陽電池,已經到了可商業化的水平。來自科研界的結論顯示,相比晶體硅電池,鈣鈦礦電池的效率上限更高,設計出的電池效率理論上可以達到33%的效率極限,而由鈣鈦礦電池和晶體硅組成的的疊層電池理論轉換率極限更是高達43%。

與現有的無機硅、非晶硅、多晶硅、CdTe以及CuInGaSe等材料的薄膜太陽電池相比,鈣鈦礦太陽電池可以采取低成本的加工方式,在材料、制備、性能等多個方面具備潛在的優勢.與染料敏化太陽電池、量子點太陽電池和有機太陽電池相比,鈣鈦礦太陽電池擁有優異的能量轉換效率,因此成為最有潛力的太陽電池技術。

鈣鈦礦太陽能電池的構造

鈣鈦礦太陽能電池的基本構造通常為襯底材料/導電玻璃(鍍有氧化物層的基片玻璃)/電子傳輸層(二氧化鈦)/鈣鈦礦吸收層(空穴傳輸層)/金屬陰極。入射光透過玻璃入射以后,能量大于禁帶寬度的光子被吸收,產生激子,隨后激子在鈣鈦礦吸收層分離,變為空穴和電子并分別注入傳輸材料中。其中空穴注入是從鈣鈦礦材料進入到空穴傳輸材料中,電子注入是從鈣鈦礦材料進入到電子傳輸材料(通常為二氧化鈦薄膜)中。

基于此,鈣鈦礦有兩類結構:介觀結構平面異質結結構。介觀結構鈣鈦礦太陽能電池是基于染料敏化太陽能電池(DSSCs發展起來的,和DSSCs的結構相似:鈣鈦礦結構納米晶附著在介孔結構的氧化物(如TiO2)骨架材料上,空穴傳輸材料沉積在其表面,三者共同作為空穴傳輸層。在這種結構中,介孔氧化物(TiO2)既是骨架材料,也能起到傳輸電子的作用。平面異質結結構將鈣鈦礦結構材料分離出來,夾在空穴傳輸材料和電子傳輸材料中間。激子在夾芯的鈣鈦礦材料中分離,這種材料可同時傳輸空穴和電子。

鈣鈦礦

兩種典型的鈣鈦礦太陽能電池的結構示意圖.

(a)介觀結構鈣鈦礦太陽能電池; (b)平面異質結結構鈣鈦礦太陽能電池

結語

不過鈣鈦礦太陽電池的發展現狀雖然良好,但它在穩定性、大面積制備等方面其實還存在一些問題,因此還距離大范圍推廣還有很長的一段路要走。但其飛速提升的效率和發展前景,讓包括三峽集團、金風科技、協鑫集團、通威以及國際上的牛津光伏等能源企業都相當看好,或許有朝一日它真的能夠成為太陽電池行業的顛覆者。

資料來源:

鈣鈦礦太陽電池研究進展:薄膜形貌控制與界面工程,薛啟帆,孫辰,胡志誠,黃飛,葉軒立,曹鏞。

鈣鈦礦太陽電池綜述,姚鑫,丁艷麗,張曉丹,趙穎。

鈣鈦礦太陽能電池研究進展,白宇冰,王秋瑩,呂瑞濤,朱宏偉,康飛宇。

鈣鈦礦:下一個顛覆者?來源:能源雜志

粉體圈 NANA整理


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