鈣鈦礦太陽能電池商品化長路漫漫

鈣鈦礦太陽能電池因其所需的原材料儲量豐富，制備工藝簡單且可以采用低溫、低成本的工藝實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)的薄膜而擁有誘人的前景。這些有著高質(zhì)量晶體結(jié)構(gòu)的薄膜甚至可以與在高溫下以高成本獲得的硅片的晶體質(zhì)量媲美，實(shí)現(xiàn)柔性化和“卷對卷”式的規(guī)模化生產(chǎn)。

為了挑戰(zhàn)硅在太陽能電池領(lǐng)域的主導(dǎo)地位，制備鈣鈦礦電池還需要解決一些關(guān)鍵問題。目前，實(shí)驗(yàn)室中的電池樣品只有指甲蓋大小，其安全性和長期穩(wěn)定性也有待大幅提升——對于研究人員而言，這將是一場艱苦的戰(zhàn)斗。

效率之戰(zhàn)

在此前對鈣鈦礦太陽能電池能量轉(zhuǎn)換效率的報(bào)道中，曾有過轉(zhuǎn)換效率為20.1%的報(bào)告記錄，而晶體硅太陽能電池的單元轉(zhuǎn)換效率最高值為25.6%。那么，為什么太陽能電池?zé)o法將太陽光能量100%地轉(zhuǎn)化為電能？為什么研究人員認(rèn)為鈣鈦礦太陽能電池將有望超過硅所創(chuàng)下的效率記錄？

答案的關(guān)鍵就在材料內(nèi)部可激發(fā)的電子和可自由移動(dòng)的電子中。當(dāng)陽光照射太陽能電池時(shí)，一些電子會吸收能量而脫離原子束縛。充滿能量的受激電子會穿過材料中的晶格向一邊移動(dòng)，或從電池的一端逸出，或遇上一個(gè)障礙或陷阱從而釋放出無用的熱量。對于硅太陽能電池中的硅材料來說，通常需要采用高達(dá)900℃的高溫加熱處理以便盡可能地降低缺陷濃度。然而鈣鈦礦只要約100℃就可以去除絕大多數(shù)晶體缺陷。此時(shí)，被光激發(fā)的電子同樣能夠順利地逸出鈣鈦礦，且不至于因?yàn)樽采线^多的障礙物而損失太多的能量。

但對于任何基于半導(dǎo)體材料（例如硅或鈣鈦礦）制成的太陽能電池而言，太陽光能轉(zhuǎn)化為電能的效率總有一個(gè)上限，這主要由半導(dǎo)體的“帶隙”性質(zhì)決定。帶隙指的是使電子脫離束縛成為自由電子所需的最小能量。不同半導(dǎo)體通常具有不同的帶隙，由此會導(dǎo)致一個(gè)兩難境地出現(xiàn)帶隙越小，電池吸收的太陽光光譜范圍就越大，也就可以利用更多的光能來激發(fā)電子，但每個(gè)電子的能量也會更低。即使太陽能電池材料的帶隙處于最理想的大小，也只能轉(zhuǎn)化約33%的太陽能。

在制造鈣鈦礦時(shí)，研究者們可以通過改變原料的成分來調(diào)節(jié)它的帶隙寬度，因此鈣鈦礦太陽能電池在效率上超越硅電池是可能的。研究者還可以將帶隙寬度不同的鈣鈦礦層疊加在一起變成疊層鈣鈦礦太陽能電池。有預(yù)測指出，基于疊層結(jié)構(gòu)的太陽能電池可以將太陽能的利用率提高到46%。

舊材料，新用途

礦物學(xué)家在19世紀(jì)就已經(jīng)在地殼中發(fā)現(xiàn)了天然的鈣鈦礦，但直到2009年，日本桐蔭橫濱大學(xué)的研究組才首次將人造鈣鈦礦制成了太陽能電池。他們選用的鈣鈦礦型材料是一種含有鹵素和鉛元素的鈣鈦礦型鹵鉛化合物，通過優(yōu)化鈣鈦礦的成分并對電池結(jié)構(gòu)中的其他功能層進(jìn)行改進(jìn)，使其效率突破了10%。

除了沉積工藝的優(yōu)化之外，科學(xué)家也簡化了電池中的一些功能層，使最新的鈣鈦礦太陽能電池看起來跟硅電池更像。正是這種簡單的薄層狀設(shè)計(jì)降低了硅電池的生產(chǎn)成本，促進(jìn)了大批量生產(chǎn)。同時(shí)，鈣鈦礦晶體薄膜的結(jié)晶性正在持續(xù)改善中，這樣的發(fā)展趨勢著實(shí)令人振奮。

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