環(huán)保型鈣鈦礦太陽能電池研制成功

美國西北大學(xué)的科學(xué)家研制出了環(huán)保型鈣鈦礦太陽能電池，用錫鈣鈦礦代替鉛(有毒)鈣鈦礦作為捕獲太陽光的設(shè)備。新型太陽能電池不僅綠色、高效，且成本低廉，可以使用簡單的“實(shí)驗(yàn)臺”化學(xué)方法制造，無需昂貴的設(shè)備或危險(xiǎn)材料。該研究發(fā)表在5月出版的《自然-光子學(xué)》雜志上。

該研究的領(lǐng)導(dǎo)者之一、無機(jī)化學(xué)專家梅科瑞·卡納茨迪斯5月4日接受物理學(xué)家組織網(wǎng)采訪時(shí)表示:“這是研制新型太陽能電池領(lǐng)域的重大突破。錫是一種非常實(shí)用靠譜的材料。”

擁有獨(dú)特晶體結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦是一種陶瓷氧化物，最早被發(fā)現(xiàn)的此類氧化物是存在于鈣鈦礦石中的鈦酸鈣(CaTiO3)化合物。傳統(tǒng)硅晶太陽能電池板因原材料硅土昂貴且制造過程會產(chǎn)生嚴(yán)重污染，學(xué)界和業(yè)界近年轉(zhuǎn)而研發(fā)鈣鈦礦太陽能板，結(jié)果光電轉(zhuǎn)化效能兩年內(nèi)從3%提高至16%，形成重大的科研突破，鈣鈦礦太陽能電池也因此被稱為太陽能電池領(lǐng)域的“明日之星”。

新型太陽能電池也使用了鈣鈦礦結(jié)構(gòu)作為吸光材料，只不過用錫代替鉛。科學(xué)家們表示，鉛鈣鈦礦的光電轉(zhuǎn)化效率已達(dá)15%，鑒于錫和鉛屬同族元素，錫鈣鈦礦應(yīng)該也能達(dá)到甚至超過這一數(shù)值。該研究的另一負(fù)責(zé)人、材料科學(xué)和工程學(xué)教授張邦衡(音譯)表示:“我們的錫基鈣鈦礦層能像高效的太陽光捕獲設(shè)備一樣工作。”

盡管這款固態(tài)錫太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率目前僅為5.73%，但他們認(rèn)為這是一個非常好的開始。研究人員表示，錫鈣鈦礦有兩個特點(diǎn):能最大程度地吸收太陽能光譜中的可見光;不需要加熱就能直接熔解。

新型固態(tài)太陽能電池是一塊由5層材料組成的“三明治”，每一層都具有獨(dú)特的作用。第一層為導(dǎo)電玻璃，使太陽光能進(jìn)入電池;第二層是沉積在玻璃層上的二氧化鈦，這兩層合在一起作為太陽能電池前部的導(dǎo)電觸點(diǎn);第三層是新款太陽能電池的“主角”錫鈣鈦礦，這一層的主要作用是捕獲太陽光。研究人員在一個充滿氮?dú)獾氖痔资讲僮飨鋬?nèi)制造這一材料，這種工作臺化學(xué)方法的目的是保護(hù)環(huán)境，避免錫鈣鈦礦被氧化。第四層是位于錫鈣鈦礦之上的空穴傳輸層，這一層對于關(guān)閉電流并獲得功能性的電池至關(guān)重要，主要材料是一種吡啶(含有一個氮雜原子的六元雜環(huán)化合物)分子。第五層是一薄層金。最終封裝的太陽能電池厚度為1～2 μm。測試表明，其光電轉(zhuǎn)化效率為5.73%。