分析牙齒和太陽(yáng)能電池之間的關(guān)系

“我們預(yù)計(jì)這些細(xì)胞需要再過五到十年才能成為商業(yè)上可行的產(chǎn)品。我們不僅需要進(jìn)一步提高其效率和穩(wěn)定性，還需要在原子尺度上更好地理解相關(guān)機(jī)制。我們?nèi)匀粵]有解釋為什么某些材料在提高這些細(xì)胞的長(zhǎng)期穩(wěn)定性方面比其他材料更有效“，陶說(shuō)。

由鈣鈦礦制成的太陽(yáng)能電池對(duì)太陽(yáng)能的未來(lái)有很大希望。該材料便宜，易于生物試劑，幾乎與硅一樣有效，硅是傳統(tǒng)上用于太陽(yáng)能電池的材料。然而，鈣鈦礦快速降解，嚴(yán)重限制了其效率和穩(wěn)定性。

來(lái)自埃因霍溫科技大學(xué)，北京大學(xué)和特溫特大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)，在鈣鈦礦中加入少量氟化物會(huì)留下保護(hù)層，從而顯著提高材料和太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性。在各種測(cè)試條件下運(yùn)行1000小時(shí)后，太陽(yáng)能電池可保持90%的效率。該研究結(jié)果發(fā)表在今天的主要科學(xué)期刊Nature Energy上。

它們的效率從2009年的不到4%上升到目前的24%以上，接近傳統(tǒng)的硅電池。所謂的串聯(lián)電池，結(jié)合硅和鈣鈦礦電池，效率超過28%。因?yàn)樗鼈冎圃炱饋?lái)非常便宜，所以鈣鈦礦太陽(yáng)能電池一直是近太陽(yáng)能研究的核心。

盡管取得了這樣的成功，鈣鈦礦具有許多缺陷，因?yàn)椴牧系男再|(zhì)和制造方式。隨著時(shí)間的推移，金屬鹵化物的原子結(jié)構(gòu)中的空位在水分，光和熱的影響下引發(fā)鈣鈦礦的降解。

保護(hù)層

埃因霍溫，特溫特和北京的研究人員通過在生物試劑過程中添加少量氟化物，試驗(yàn)了一種新型鈣鈦礦。就像牙膏中的氟化物一樣，氟離子在晶體周圍形成保護(hù)層，防止有害缺陷的擴(kuò)散。

“我們的工作大大提高了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性”，TU Eindhoven應(yīng)用物理系計(jì)算能源研究中心(CCER)的助理教授Shuxia Tao說(shuō)道，他是該論文的共同作者。“在光照和高溫條件下，我們的細(xì)胞在1000小時(shí)后保持90%的效率。這是傳統(tǒng)鈣鈦礦化合物的許多倍。我們實(shí)現(xiàn)了21.3%的效率，這是進(jìn)一步提高效率的一個(gè)非常好的起點(diǎn)“。

埃因霍溫團(tuán)隊(duì)的大部分工作都解釋了為什么氟化物與其他鹵素相比是如此有效的成分。他們使用計(jì)算機(jī)模擬得出結(jié)論，部分成功歸功于氟離子的小尺寸和高電負(fù)性。元素的電負(fù)性越高，它就越容易吸引相鄰元素的電子。這有助于氟離子與鈣鈦礦化合物中的其他元素形成強(qiáng)鍵，形成穩(wěn)定的保護(hù)層。

未來(lái)研究

該研究被視為未來(lái)成功實(shí)施鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的重要一步。但是，仍有許多工作要做。太陽(yáng)能行業(yè)的黃金標(biāo)準(zhǔn)是在10到15年后保留率至少達(dá)到原始效率的85%，這一標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于鈣鈦礦電池來(lái)說(shuō)還有一段距離。