一種便宜、易制取、轉(zhuǎn)化率接近20%的太陽能材料

低成本是鈣鈦礦太陽能電池的一大優(yōu)勢(shì)。圖片來源：RDR/FERNANDO GUERRA

　　最熱門的太陽能電池材料再次獲得進(jìn)展。在近日召開的材料研究學(xué)會(huì)會(huì)議上，3個(gè)研究小組報(bào)告稱，被稱為鈣鈦礦的便宜、易制取的晶體材料打破了之前的效率紀(jì)錄。一個(gè)小組將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的效率提高至接近20%，高于2月所報(bào)告的16.2%以及5 年前的3.8%。很少有太陽能技術(shù)曾進(jìn)步如此之快。

　　“這是激動(dòng)人心的時(shí)刻。”英國(guó)牛津光伏公司物理學(xué)家Edward Crossland表示。該公司致力于商業(yè)化推廣鈣鈦礦太陽能技術(shù)。“新想法源源不斷地出現(xiàn)。”許多太陽能專家表示，鈣鈦礦令人印象深刻的特性最終會(huì)使單個(gè)設(shè)備的效率高達(dá)25%，從而與現(xiàn)在的商業(yè)冠軍——昂貴的單晶硅持平。在傳統(tǒng)太陽能電池上分層覆蓋鈣鈦礦電池形成“串聯(lián)”電池可以使其效率升至32%。據(jù)美國(guó)能源部估測(cè)，這將使太陽能發(fā)電與煤或天然氣一樣便宜。

　　鈣鈦礦進(jìn)入人們視野已近兩個(gè)世紀(jì)。但是其可將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的能力直到2009年才被發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)日本桐蔭橫濱大學(xué)的Tsutomu Miyasaka將鈣鈦礦作為吸光層加入到染料敏化太陽能電池(DSSCs)設(shè)備中，效率達(dá)3.8%。研究人員很快意識(shí)到，鈣鈦礦不僅善于捕捉日光，還可以運(yùn)送電荷。

　　于是科學(xué)家開始對(duì)鈣鈦礦修修補(bǔ)補(bǔ)，使其效率不斷增長(zhǎng)。在材料研究學(xué)會(huì)會(huì)議上，美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校材料學(xué)家Yang Yang報(bào)告稱，他的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)制造出效率為19.3%的太陽能電池。Yang并未提供關(guān)于其團(tuán)隊(duì)制造電池的細(xì)節(jié)。不過他表示，其團(tuán)隊(duì)專注于對(duì)鈣鈦礦晶體缺陷的技術(shù)改善，以及設(shè)備中不同材料層之間接口的改進(jìn)。韓國(guó)成均館大學(xué)化學(xué)家Nam-Gyu Park表示，這些缺陷和界面問題通常會(huì)影響電荷，阻止其到達(dá)電極。對(duì)晶體增加方式的改進(jìn)令Park的團(tuán)隊(duì)所研制的鈣鈦礦太陽能電池的效率達(dá)到了 17.01%。

　　對(duì)鈣鈦礦和主流材料的配對(duì)也取得了進(jìn)展。斯坦福大學(xué)材料學(xué)家Michael McGehee報(bào)告稱，他的團(tuán)隊(duì)所制造的太陽能電池將鈣鈦礦材料與銅、銦、鎵和硒(CIGS)合金串聯(lián)，效率為18.6%。CIGS電池本身的效率為 17%，所以在這種情況下，鈣鈦礦并未使效率增加多少。McGehee表示，這很可能是因?yàn)殁}鈦礦的電極和其他不吸光層阻止了大部分陽光到達(dá)CIGS電池中。他認(rèn)為，該問題相對(duì)容易解決：因?yàn)榕cCIGS和單晶硅相比，鈣鈦礦吸收更偏藍(lán)色波長(zhǎng)的光，因此在每組電極之間結(jié)合兩個(gè)吸光層可以使材料得以改善。“這是獲得20%以上效率的一個(gè)簡(jiǎn)單方法。”McGehee說道。

　　即使鈣鈦礦的效率不能達(dá)到一定的高度，其低成本還是能成為其優(yōu)勢(shì)。例如，牛津光伏公司正在努力制造基于窗戶的鈣鈦礦光伏(PVs)。使用DSSCs的窗戶PVs已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)很多年，鈣鈦礦則可以改善其效率。不過，Crossland指出，目前所制造的大多數(shù)鈣鈦礦電池的色調(diào)都是褐色，很難向那些設(shè)計(jì)摩天大廈的建筑師進(jìn)行推廣。在會(huì)議上，牛津大學(xué)的Giles Eperon報(bào)告稱，通過分塊而不是整體加工鈣鈦礦，他和同事制造出了中性顏色、半透明的鈣鈦礦電池，其效率可達(dá)8%。Crossland稱，如果效率為 6%的窗口PVs用于覆蓋一個(gè)和芝加哥威利斯大樓差不多大小的建筑，這些玻璃每年就會(huì)產(chǎn)生近5.3千瓦·時(shí)的能量。

　　不過這不能維持多久：現(xiàn)在，這些材料暴露于水分時(shí)會(huì)分解。盡管幾個(gè)團(tuán)隊(duì)報(bào)告表示，在較低效率的前提下，他們現(xiàn)在可以使電池工作數(shù)百個(gè)小時(shí)。“這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展還處于非常初級(jí)的階段。”Yang說道。