太阳能电池革命?或许要靠200年前的一项发明

2020-07-06 10:50 来源: 网易新闻 

 

  钙钛矿结构。

  美国俄勒冈州立大学(OSU)等发现,一种两个世纪前发现的晶体结构材料,可能是引领太阳能电池革命的关键。

  虽然并非所有具有这种结构的钙钛矿材料都是半导体,但以金属和卤素为基础的钙钛矿在光伏电池领域表现出了巨大潜能。以这类钙钛矿为主的光伏电池,制造成本比主流硅基电池低得多。研究人员表示,它们甚至有足够的潜力在未来分割化石燃料在能源领域的份额。

  OSU工程学院研究人员John Labram曾在《通信物理》和《物理化学快报》发表了关于钙钛矿稳定性的论文。7月3日,他与牛津大学的研究人员,继续在《科学》杂志中阐述了钙钛矿稳定性问题。他们发现哌啶盐能够显著延长钙钛矿太阳能电池的寿命。

  1839年,俄罗斯矿物学家Gustav Rose在乌拉尔山脉发现了一种有奇特晶体结构的钙钛氧化物。2009年,日本科学家Tsutomu Miyasaka证实钙钛矿是高效吸光材料。此后,钙钛矿研究逐渐升温。Labram参与的三篇论文进一步加深了研究人员对这种半导体材料的认识。Labram说:“钙钛矿太阳能电池低廉的成本,有可能对化石燃料主导的能源市场产生极大冲击。然而,钙钛矿材料在持续光照下的稳定性问题是其商业化的主要障碍。”

  仪器测试进行中。

  在过去的两年中,Labram等搭建了专门的实验装置来研究太阳能材料的电导-时间关系。他说:“通过与牛津大学合作,我们发现光引发的不稳定性会持续数小时,即使没有电接触也是如此。这一发现有助于澄清在太阳能电池中观察到的类似结果,进而掌握提高稳定性的关键。”

  70年前,贝尔实验室开发了首款实用的太阳能电池。按现在的标准,它的效率只有6%,并且造价高昂。随着时间的推移,太阳能电池的制造成本逐渐降低,效率提升。

  2012年,牛津大学的Henry Snaith取得了突破性进展:除了用作敏化剂,钙钛矿还能作为太阳能电池的主要成分。

  8年过去了,钙钛矿电池的效率达到了25%,至少在实验室里足以与商业硅电池媲美。

  虽然钙钛矿电池能以柔性方式大批量生产,但它在高温下不稳定,并且受潮易分解。这对于一种需要有20~30年寿命的产品来讲,是致命的缺陷。

  Labram说:“一般来说,在欧美地区销售一块太阳能电池板,需要有25年的寿命。硅电池在这方面表现优异,但它的制造条件过于苛刻,成本太高昂。钙钛矿的缺陷容忍度很高,它能溶解在溶剂中,然后在近室温条件下打印出来。我们需要做的,就是提高材料稳定性,确保它能够有25年的寿命。”

  一条可行的路线是硅-钙钛矿串联电池。Labram表示,串联电池的实验室效率已经接近30%。

  在未来,半透明钙钛矿薄膜也有望应用于智能建筑,在保证光照的同时,提供部分电能。Labram说:“在能源生产方面,成本是最重要的因素。尽管历史已经告诉我们,针对气候变化的政治行为在很大程度上是无效的,但如果你能用可再生能源,以低于化石燃料的成本发电,你需要做的事情就很简单了——制造出这种产品,然后让市场去处理其余的事情。”