美國研制出環保型鈣鈦礦太陽能電池
2014年05月06日 14:32 6751次瀏覽 來源： 科技日報 分類： 新技術
美國西北大學的科學家研制出了環保型鈣鈦礦太陽能電池，其用錫鈣鈦礦代替鉛(有毒)鈣鈦礦作為捕獲太陽光的設備。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“實驗臺”化學方法制造，不需要昂貴的設備或危險材料。研究發表在5月5日(北京時間)出版的《自然·光子學》雜志上。
該研究的領導者之一、無機化學專家梅科瑞·卡納茨迪斯5月4日接受物理學家組織網采訪時表示：“這是研制新型太陽能電池領域的重大突破。錫是一種非常實用靠譜的材料。”
擁有獨特晶體結構的鈣鈦礦是一種陶瓷氧化物，最早被發現的此類氧化物是存在于鈣鈦礦石中的鈦酸鈣(CaTiO3)化合物。傳統硅晶太陽能電池板因原材料硅土昂貴且制造過程會產生嚴重污染，學界和業界近年轉而研發鈣鈦礦太陽能板，結果光電轉化效能兩年內從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域的“明日之星”。
新型太陽能電池也使用了鈣鈦礦結構作為吸光材料，只不過用錫代替鉛。科學家們表示，鉛鈣鈦礦的光電轉化效率已達15%，鑒于錫和鉛屬同族元素，錫鈣鈦礦應該也能達到甚至超過這一數值。該研究的另一負責人、材料科學和工程學教授張邦衡(音譯)表示：“我們的錫基鈣鈦礦層能像高效的太陽光捕獲設備一樣工作。”
盡管這款固態錫太陽能電池的光電轉化效率目前僅為5.73%，但他們認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：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”，每一層都具有獨特的作用。第一層導電的玻璃，使太陽光能進入電池；第二層是沉積在玻璃層之上的二氧化鈦，這兩層合在一起作為太陽能電池前部的導電觸點；接下來就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氣的手套式操作箱內制造這一材料，這種工作臺化學方法的目的是保護環境，避免錫鈣鈦礦被氧化。
位于錫鈣鈦礦之上的是空穴傳輸層，這一層對于關閉電流并獲得功能性的電池至關重要，主要材料是一種吡啶(含有一個氮雜原子的六元雜環化合物)分子。最后壓軸的是一薄層金。最終封裝的太陽能電池厚度大約1到2微米，能放入空氣。測試表明，其光電轉化效率為5.73%。
自地球形成以來，太陽就在用光和熱為人類提供源源不斷的能量，隨著技術手段的不斷進步，獲取太陽能的方式也在不斷發展。作為新型的可再生能源，太陽能電池自誕生之日起，就在與成本高、轉換效率低做斗爭。以錫鈣鈦礦為新材料制造的新型太陽能電池雖然在綠色環保和降低成本上顯現出優勢，但我們更期待研究者繼續突破光電轉化的效率，為我們帶來真正綠色、高效又便宜的太陽能電池。
責任編輯：彭彭
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