鈣鈦礦材料改進一小步，薄膜太陽能電池性能提升一大步

　　如圖所示：研究人員用來測試鈣鈦礦性能的后反射器表面。每個象限是不同的表面材料，其分別為：金，鈦，鈀或二氧化硅化合物，鈣鈦礦材料將沉積在其上用于實驗測試。

　　太陽能電池是從太陽光中吸收光子并將其能量轉(zhuǎn)換為移動電子的裝置，這樣不僅能夠產(chǎn)生清潔能源，還可以提供一條可靠的途徑來幫助人們應(yīng)對氣候變化。但是今天廣泛使用的大多數(shù)太陽能電池都是厚厚的，易碎的和堅硬的，這限制了它們在平坦表面上的應(yīng)用并且增加了制造太陽能電池的成本。

　　“薄膜太陽能電池”可以是一張紙厚度的1/100，并且足夠靈活，其可以使從空氣動力學(xué)汽車到服裝的各種表面變得更光滑。為了制造薄膜太陽能電池，科學(xué)家們正在試圖超越經(jīng)典的半導(dǎo)體化合物材料，如砷化鎵或硅。轉(zhuǎn)而用其他可能更廉價，更容易大規(guī)模生產(chǎn)的捕光化合物取代之。如果這些化合物的性能可以與今天的技術(shù)那樣表現(xiàn)良好，它們就可以被廣泛用來生產(chǎn)。

　　今年春天的時候，華盛頓大學(xué)的科學(xué)家們在“NaturePhotonics”雜志發(fā)表的一篇論文中報道：原型半導(dǎo)體薄膜在發(fā)光方面的表現(xiàn)甚至超過了當今最好的太陽能電池材料。

　　“這聽起來可能很奇怪——太陽能電池可以吸收光線并將其轉(zhuǎn)化為電能，但是最好的太陽能電池材料也能很好地發(fā)光，”該論文的共同作者兼華盛頓大學(xué)化學(xué)工程教授HughHillhouse說道，他同時也是華盛頓大學(xué)清潔能源研究所和分子工程與科學(xué)研究所的一名教員。實際上，通常太陽能電池發(fā)光的效率越高，它們產(chǎn)生的電壓就越大。”

　　華盛頓大學(xué)的團隊通過“表面鈍化”的工藝在這種材料上（名為鹵化鉛—鈣鈦礦）取得了創(chuàng)紀錄的性能，這種“表面鈍化”的工藝可以處理瑕疵并降低材料吸收光子最終被浪費而不是轉(zhuǎn)化為有用能量的可能性。

　　“鈣鈦礦型太陽能電池的一個大問題是：過多的吸收陽光最終會導(dǎo)致熱能的浪費，而不是轉(zhuǎn)化為有用電?！蔽恼碌穆?lián)合作者DavidGinger說，（他是華盛頓大學(xué)化學(xué)教授兼CEI首席科學(xué)家）“我們希望像這樣的表面鈍化策略將有助于提高鈣鈦礦型太陽能電池的性能和穩(wěn)定性?！?/span>

　　在Ginger和Hillhouse團隊的共同努力下，證明了鈣鈦礦的表面鈍化能夠使性能大幅提升，使這種材料成為薄膜太陽能電池的最佳選擇之一。他們嘗試使用各種化學(xué)品進行表面鈍化，最終找到一種名為TOPO的有機化合物，這種化合物將鈣鈦礦的性能提升到了接近最佳砷化鎵半導(dǎo)體材料的水平。

　　“我們在華盛頓大學(xué)的團隊是第一個發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦材料表面性能限制缺陷的團隊之一，現(xiàn)在我們很高興能夠發(fā)現(xiàn)一種用TOPO分子進行這些表面化學(xué)工程改造的有效方法，”本文的共同作者兼麻省理工學(xué)院的博士后研究員DanedeQuilettes說。他在華盛頓大學(xué)攻讀化學(xué)博士生期間參與了這項研究?！捌鸪?，我們很驚訝地發(fā)現(xiàn)，鈍化材料似乎與砷化鎵一樣好，因為砷化鎵保持了太陽能電池效率的最高記錄。因此，為了再次驗證我們的結(jié)果，我們設(shè)計了幾種不同的方法來確認鈣鈦礦材料質(zhì)量的改善。

　　DeQuilettes和論文的共同作者——化學(xué)工程博士生IanBraly進行了這項研究，結(jié)果表明TOPO處理鈣鈦礦半導(dǎo)體會顯著影響其內(nèi)部和外部光致發(fā)光量子效率，其可用于確定半導(dǎo)體材料有多好的指標利用吸收的光子的能量而不是將其作為熱量丟失。TOPO處理的鈣鈦礦的內(nèi)部光致發(fā)光量子效率由9.4％增加到了接近92％，效率提高了約十倍。

　　“我們的測量觀察了鈍化后的鈣鈦礦吸收和發(fā)光的效率，結(jié)果表明，沒有固有的材料缺陷阻礙太陽能電池的進一步改進?！盉raly說。“此外，通過將發(fā)射光譜擬合成一個理論模型，我們發(fā)現(xiàn)這些材料可以產(chǎn)生的電壓為理論最大值的97％，相當于世界紀錄的砷化鎵太陽能電池，遠遠高于僅達到84％的電壓記錄的硅電池?！?/span>

　　從理論上講，這些材料質(zhì)量的改善可以使得在常規(guī)日照水平下太陽能電池的光—電功率轉(zhuǎn)換效率達到27.9％，這將推動鈣鈦礦基的光伏記錄超過最好的硅器件。

　　研究人員表示，鈣鈦礦的下一步計劃是演示一種與易于制造的電極兼容的類似的化學(xué)鈍化，并對其他類型的表面鈍化進行實驗。

　　DeQuilettes說：“鈣鈦礦已經(jīng)在光伏器件方面取得了前所未有的成功，但還有很大的改進空間。在這里，我們認為我們?yōu)樯鐣峁┝艘环N更好地利用太陽能的方法。”

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