科學(xué)家研發(fā)出更安全的鉛基鈣鈦礦太陽能電池

:北伊利諾伊大學(xué)（NIU）和美國能源部（DOE）位于科羅拉多州Golden的國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）的研究人員2月19日在《Nature》雜志上報(bào)道了混合鈣鈦礦太陽能電池開發(fā)的重要突破。

鈣鈦礦太陽能電池被認(rèn)為是太陽能領(lǐng)域的后起之秀，與傳統(tǒng)的硅基太陽能電池相比，它們可能更便宜，生產(chǎn)更簡單，并且至少在實(shí)驗(yàn)室較小尺寸的情況下，它們已顯示出較高的效率水平。但是，由于仍然存在一些待解決的問題使其無法成為具有競爭性的商業(yè)技術(shù)。

一個(gè)主要問題是鉛的使用。大多數(shù)性能較高的混合鈣鈦礦太陽能電池均包含水溶性鉛，引發(fā)了人們對(duì)受損電池潛在泄漏危險(xiǎn)的擔(dān)憂。

在北伊利諾伊大學(xué)的Tao Xu和NREL的Kai Zhu的帶領(lǐng)下，科學(xué)家們開發(fā)了一種技術(shù)，該技術(shù)可通過在太陽能電池的正面和背面應(yīng)用鉛吸收膜來隔離制造鈣鈦礦型太陽能電池所用的鉛，并將潛在的毒性泄漏降至最低。

鉛的毒性問題一直是鈣鈦礦太陽能電池領(lǐng)域中最困擾研究人員的問題，如果針對(duì)這一問題有好的解決辦法，將會(huì)在行業(yè)內(nèi)產(chǎn)生巨大影響。NIU化學(xué)教授Xu說：“如果電池受損，我們的產(chǎn)品會(huì)捕獲大部分鉛，從而防止其浸入地下水和土壤中。并且我們使用的薄膜不溶于水?！?/p>

科學(xué)家們說，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中太陽能電池受到嚴(yán)重破壞的情況下，吸鉛膜隔離了96％的鉛泄漏。他們的實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步表明，鉛吸收層不會(huì)對(duì)電池性能或長期運(yùn)行穩(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)面影響。

鈣鈦礦太陽能電池之所以得名，是因?yàn)樗鼈兪褂玫木w結(jié)構(gòu)類似于在鈣鈦礦中發(fā)現(xiàn)的晶體結(jié)構(gòu)。這些太陽能電池中的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)化合物最常見的是基于有機(jī)-無機(jī)鹵化鉛的混合材料。

科學(xué)家們大約在十年前才就已開始研究這些用于太陽能電池的晶體結(jié)構(gòu)，并迅速提高了它們的太陽能轉(zhuǎn)換效率。傳統(tǒng)的硅太陽能電池是在高溫下通過精密工藝生產(chǎn)的，而鈣鈦礦則可以使用室溫化學(xué)溶液來生產(chǎn)。

Xu教授說，新開發(fā)的“表面復(fù)合方法”可以很容易地與目前的鈣鈦礦太陽能電池結(jié)合使用。

將透明的鉛吸收膜復(fù)合到太陽能電池正面的導(dǎo)電玻璃上。隔離膜包含強(qiáng)的結(jié)合鉛的膦酸基團(tuán)，但不妨礙細(xì)胞捕獲光。在背面金屬電極上使用了一種較便宜的與鉛螯合劑混合的聚合物薄膜，不需要透明性。

Xu教授說：“這些材料都是現(xiàn)成的，不過從未被用在電池上。光必須進(jìn)入電池，才能被鈣鈦礦層吸收，而正面膜實(shí)際上起到了減反射劑的作用，從而稍微提高了透明度?！?/p>

鉛泄漏測試包括錘擊和粉碎2.5-x-2.5 cm電池的前玻璃，并用剃須刀刮擦太陽能電池的背面，然后將其浸入水中。由于水的進(jìn)入，這些膜可以吸收嚴(yán)重受損電池中的絕大多數(shù)鉛。

NREL的資深科學(xué)家Zhu說：“值得注意的是，這種鉛封存方法還適用于其他基于鈣鈦礦的技術(shù)，例如固態(tài)照明，顯示器和傳感器應(yīng)用?！?/p>