为钙钛矿电池寻出路,串叠型电池与钛金属是潜在良方

作者: | 发布日期: 2018 年 02 月 22 日 11:25 | 分类: 产业资讯
作为最受欢迎的再生能源产业,太阳能领域竞争非常激烈,目前市占率最高的太阳能电池为多晶硅与单晶硅等硅晶电池,但长江后浪推前浪,新兴的钙钛矿电池正虎视眈眈盯着市占第一的宝座。美国布朗大学与内布拉斯加大学林肯分校(UNL)组成的团队也致力于提升钙钛矿电池的性能,更找到取代有毒物质──“铅”的材料。钙钛矿电池具有便宜、制程容易的优点,光电转换效率也从 2009 年的 3.81%,提升至可与硅晶电池比拟的 22%,近期的研究更提升到 26%,然而钙钛矿电池中的铅物质具有毒性,可能会对生物与环境产生危害,因此化学材料学家纷纷寻找如何替代铅或是解毒的方式。布朗大学电机教授 Nitin Padture 表示,“目前钙钛矿的研究重点之一为寻找可替代铅、无毒且稳定的材料,我们则利用计算机模拟,认为一种含铯、钛和卤素成分(溴或碘)的钙钛矿电池是个良好的候选材料,而目前我们正在测试他的属性。”

与其直接将钙钛矿电池取代硅晶电池,该团队试图将两者合二为一,制作出“串联”太阳能电池。在电池设计中,钙钛矿薄膜位于硅层的上方,由于钙钛矿是半透明材质,能让一些光穿透至下方的硅层,两者合作可将更多光转换成电能。

钙钛矿与硅晶电池各有各的优缺点,研究团队希望可藉由设计多层、不同能隙的材料来提升光电转换效率,Padture 表示,目前还不打算取代现有的硅晶技术,但团队正在努力提高它的性能,如果可以能制造出稳定的无铅串叠型电池,那我们就会是未来的赢家,而这种新材料看起来非常不错。

研究人员制造出 1.8 伏特的宽能隙钛-钙钛矿薄膜,该薄膜可以吸收更高能量的光子,其他光子则由底下的硅层吸收。虽然目前光电效率仅 3.3%,远低于硅晶电池或是其他钙钛矿电池,但研究人员表示,此为首次尝试的新材料,目前还有许多改进的空间。

美国史丹佛大学材料科学与工程教授 Michael McGehee 今年(2018)初也提出了类似的电池设计,根据他的研究,串叠型电池的效率比一般的硅电池高 10%,这可能是钙钛矿材料攻入市场的方式之一。

这也不是研究人员第一次寻找铅的替代材料,但该团队表示这项钛含量多,也更加防生锈,并且提供的电压比其他材料还要多。在其他无铅的材料实验中,开路电压(Open-circuit voltage)通常仅 0.6 伏特,而锡金属则会遇到生锈的问题。

开路电压为电池在无负载的情况下,电池正负极之间的电压。Padture 表示,此电压通常用来评估太阳能电池材料的潜力,一开始就有如此高的电压,未来应该满有前途的。

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