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新型太阳能电池:钙钛矿太阳能电池的未来

2020-12-03 16:14:19 返回上一页
太阳能,是地球上生命最主要的能量来源。用光能转化为电能的太阳能电池技术已经发展了70多年。然而,由于技术的种种局限性,传统的太阳能电池还无法真正替代化石能源。一种新型材料钛钙矿的出现,让太阳能电池的研究取得了新的突破,这种新材料到底是什么?它做成的新型太阳能电池相比传统的,到底有什么不同呢?


什么是太阳能电池





说到太阳能电池的工作原理,就得提一下光电效应。光电效应是上个世纪杰出的物理学家爱因斯坦发现的。太阳能电池就是将太阳光转化为电能的装置。


如今太阳能电池对于我们来说并不陌生,也许您坐在家里的时候,您家的屋顶就有太阳能电池在供电,马路上的路灯、共享单车、小朋友们的电动玩具、甚至是我国的嫦娥4号登月探测器上,其实都带着太阳能电池。





这些地方用的太阳能电池都属于同一类,那就是以硅为原料的传统太阳能电池。


用硅来制造太阳能电池,需要上千度的温度,以及真空的环境,同时原材料的成本也不低。科学家一直希望把原材料的成本,以及制造的成本进一步降低,这也是人们想要更进一步发展新型太阳能电池的动力。





什么是新型太阳能电池


为了克服晶体硅太阳能电池的缺点,一种新型太阳能电池出现了,这就是目前国际研究最热门的钙钛矿太阳能电池。





钙钛矿是1839年一位德国矿物学家,在俄罗斯乌拉尔山脉发现的。随着研究深入,科学家发现钛酸钙具有一种特殊的晶体结构,为了命名的方便,于是就把这一类具有同样晶体结构的物质,都叫做钙钛矿。


钙钛矿太阳能电池里头并没有钙和钛,而是一些具有钙钛矿结构的材料。人们发现用钙钛矿类材料制造的太阳能电池有着很多意想不到的优点。


新型太阳能电池的优点





这个新型太阳能电池可以做得非常薄。只需要一根头发丝百分之一的厚度,就可以做成太阳能电池。同时这个材料对光的吸收能力非常强。它只用一微米左右的厚度,就可以吸收近100%的太阳光谱中可见光的能量。


硅材料太阳能电池的加工需要1000摄氏度以上的高温,还需要高真空环境。而钙钛矿电池的制造只需要一台类似于印刷机的设备,在100摄氏度的温度下,就能够加工制造。





新型太阳能电池的不足


早期研究发现,钙钛矿太阳能电池只能维持几分钟的寿命。现在随着研究的深入,它的寿命已经提高到几千个小时。然而还是不够长。


新型太阳能电池的未来


钙钛矿太阳能电池具有能直能弯的特点,将它印刷在衣服上,可以让人们的衣服变成一块巨大的太阳能电池。


除此之外也可以涂抹在建筑物表面,因为钙钛矿太阳能电池可以做成半透明的,甚至可以做成彩色的,印在窗户上,既能发电又能透光还好看,一举数得。


钙钛矿太阳能电池研究取得了重要进展


通过研究钙钛矿太阳能电池的印刷工艺,德国科学家得出了一些重要的结论来开发适合将钙钛矿电池材料沉积到基板上的油墨。


虽然近年来有关钙钛矿太阳能电池的研究取得了重要进展,但所取得的、最为显著的成果大多是在不到一平方厘米的设备上且采用在大规模商用设备生产中并不实用的工艺来取得的。


将这些实验室成果转化为大规模生产是另一个亟待探索的研究领域。许多不同的工艺都被认为是适合于此,其中槽模涂布和喷墨打印最为突出。这些,以及许多其他的选择,都涉及到创造一种含有溶剂和前体材料的‘油墨’物质,这种物质沉积到基板上并蒸发掉就形成了钙钛矿晶体结构。


了解油墨的组成将如何影响蒸发过程和晶态薄膜的特性,这对钙钛矿太阳能电池生产的规模化至关重要。早期的研究已经在为钙钛矿本身确定最佳前体材料方面取得了巨大的进展,但有关用于大规模生产的溶剂混合物和油墨构成的研究还处于起步阶段。


这正是来自柏林Helmholtz Zentrum Berlin(HZB)的科学家的最新研究焦点。该小组研究了结晶过程,旨在确定油墨的最重要特性,这将决定钙钛矿在蒸发和结晶后的性能。研究人员表示:“溶剂和共溶剂在复合钙钛矿前体油墨中对中间相结构和成膜动力学的复杂作用尚不清楚。……了解溶剂的配位强度和前体溶液蒸发速率之间的相互作用,可以预测主要的复合钙钛矿溶剂化中间相及其从混合溶剂中形成的动力学。”


发表在Materials Advances上的《二元溶剂混合物的混合钙钛矿结晶:溶剂蒸发速率和结合强度的相互作用》一文对该研究小组的工作进行了全面的描述。溶剂的流变特性、蒸发速率和中间相的形成是最重要的控制因素。


这篇论文的第一作者Oleksandra Shargaieva解释道:“在溶剂混合物中,最易挥发的组分蒸发最快,这会改变结晶时的溶剂比。形成机制关键取决于溶剂蒸发率以及与这种铅卤化物的结合强度。”


Shargaieva表示,通过在这项研究中获得的见解,研究小组应该能够根据油墨中材料的组合来预测结晶薄膜的形成情况。这反过来也能帮助设计出适合各种不同制造工艺的油墨,试用于钙钛矿电池生产。HZB年轻研究员小组复合材料形成和规模化主管Eva Unger表示:“我们仍然缺乏从实验室规模扩大到工业区规模的系统知识。而这些结果为我们进一步的油墨设计铺平了道路,使工业规模生产或优质钙钛矿薄膜成为可能。”