鈣鈦礦材料改進(jìn)一小步，薄膜太陽(yáng)能電池性能提升一大步

　　如圖所示：研究人員用來測(cè)試鈣鈦礦性能的后反射器表面。每個(gè)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(shí)驗(yàn)測(cè)試。

　　太陽(yáng)能電池是從太陽(yáng)光中吸收光子并將其能量轉(zhuǎn)換為移動(dòng)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(duì)氣候變化。但是今天廣泛使用的大多數(shù)太陽(yáng)能電池都是厚厚的，易碎的和堅(jiān)硬的，這限制了它們?cè)谄教贡砻嫔系膽?yīng)用并且增加了制造太陽(yáng)能電池的成本。

　　“薄膜太陽(yáng)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(dòng)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(yáng)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(jià)，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(shí)候，華盛頓大學(xué)的科學(xué)家們?cè)凇癗aturePhotonics”雜志發(fā)表的一篇論文中報(bào)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(dāng)今最好的太陽(yáng)能電池材料。

　　“這聽起來可能很奇怪——太陽(yáng)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(yáng)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(shí)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(shí)際上，通常太陽(yáng)能電池發(fā)光的效率越高，它們產(chǎn)生的電壓就越大?！?/span>

　　華盛頓大學(xué)的團(tuán)隊(duì)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(jì)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(fèi)而不是轉(zhuǎn)化為有用能量的可能性。

　　“鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池的一個(gè)大問題是：過多的吸收陽(yáng)光最終會(huì)導(dǎo)致熱能的浪費(fèi)，而不是轉(zhuǎn)化為有用電。”文章的聯(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(yáng)能電池的性能和穩(wěn)定性。”

　　在Ginger和Hillhouse團(tuán)隊(duì)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(yáng)能電池的最佳選擇之一。他們嘗試使用各種化學(xué)品進(jìn)行表面鈍化，最終找到一種名為TOPO的有機(jī)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?cè)谌A盛頓大學(xué)的團(tuán)隊(duì)是第一個(gè)發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦材料表面性能限制缺陷的團(tuán)隊(duì)之一，現(xiàn)在我們很高興能夠發(fā)現(xiàn)一種用TOPO分子進(jìn)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(xiàng)研究。“起初，我們很驚訝地發(fā)現(xiàn)，鈍化材料似乎與砷化鎵一樣好，因?yàn)樯榛壉３至颂?yáng)能電池效率的最高記錄。因此，為了再次驗(yàn)證我們的結(jié)果，我們?cè)O(shè)計(jì)了幾種不同的方法來確認(rèn)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(jìn)行了這項(xiàng)研究，結(jié)果表明TOPO處理鈣鈦礦半導(dǎo)體會(huì)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(biāo)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(cè)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(yáng)能電池的進(jìn)一步改進(jìn)?！盉raly說?！按送?，通過將發(fā)射光譜擬合成一個(gè)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(dāng)于世界紀(jì)錄的砷化鎵太陽(yáng)能電池，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于僅達(dá)到84％的電壓記錄的硅電池。”

　　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(yáng)能電池的光—電功率轉(zhuǎn)換效率達(dá)到27.9％，這將推動(dòng)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(jì)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(duì)其他類型的表面鈍化進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

　　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(jìn)空間。在這里，我們認(rèn)為我們?yōu)樯鐣?huì)提供了一種更好地利用太陽(yáng)能的方法?！?/span>

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