尋找更容易加工成太陽能電池的新型光伏材料

對某類光伏材料如何有效地將太陽光轉(zhuǎn)化為電能的新見解可以將這些材料定位為取代傳統(tǒng)的硅太陽能電池。賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究人員進(jìn)行的一項(xiàng)研究揭示了這些廉價且快速生產(chǎn)的鹵化鈣鈦礦的獨(dú)特性質(zhì)，這些信息將指導(dǎo)下一代太陽能電池的發(fā)展。該研究發(fā)表在Chem上。

“自從今天可以在屋頂和路邊發(fā)現(xiàn)硅太陽能電池以來，研究人員一直在尋找更容易加工成太陽能電池的新型光伏材料，”賓夕法尼亞州立大學(xué)化學(xué)副教授John Asbury說。該研究的作者。“這是因?yàn)楣杼柲茈姵氐慕ㄔO(shè)很復(fù)雜，很難擴(kuò)大到他們所需的水平，甚至可以產(chǎn)生10%的總電力需求。”

由于這些復(fù)雜性，研究人員一直在尋找更便宜的硅太陽能電池替代品，可以更快地加工。他們對可以使用稱為卷對卷制造技術(shù)加工的材料特別感興趣，這種技術(shù)類似于用于印刷報(bào)紙的技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)低成本，大批量生產(chǎn)。這些材料必須從溶液中加工，就像印在頁面上的油墨一樣。

“經(jīng)過40年對這類材料的深入研究，除了一種令人興奮的被稱為鹵化物鈣鈦礦的材料外，沒有任何東西可以接近硅，”阿斯伯里說。“鹵化物鈣鈦礦似乎對其結(jié)構(gòu)中的缺陷具有獨(dú)特的耐受性，當(dāng)其他具有類似缺陷的材料不能時，它們能夠有效地將太陽光轉(zhuǎn)化為電能。”

然而，在這項(xiàng)研究之前，鹵素鈣鈦礦如此容忍缺陷的原因尚不清楚。研究人員使用超快紅外成像技術(shù)研究這些材料的結(jié)構(gòu)和成分如何影響其將太陽光轉(zhuǎn)化為電能的能力。

研究人員確定，即使晶體中的原子經(jīng)歷異常大規(guī)模的振動，鹵素鈣鈦礦也具有保持晶體結(jié)構(gòu)的獨(dú)特能力。所有材料都經(jīng)歷其原子的振動運(yùn)動，這通常通過使材料的晶體非常堅(jiān)硬(如硅)來抑制，從而使它們的原子牢固地固定在原位。但是，根據(jù)目前的研究，鹵素鈣鈦礦非常柔軟，這使得它們的原子可以四處移動并有助于提高效率。

“有趣的是，這種大規(guī)模的原子運(yùn)動通常會導(dǎo)致其他材料中晶體結(jié)構(gòu)的損失，從而產(chǎn)生消耗激發(fā)態(tài)能量的缺陷，”Asbury說。“但是對于鹵化鈣鈦礦，研究人員可以化學(xué)替代材料中帶電荷的原子來調(diào)整這種原子尺度運(yùn)動的振幅。這將使我們能夠改善鹵化鈣鈦礦材料的性能和穩(wěn)定性。

“目前，鹵化物鈣鈦礦通常含有鉛等有毒元素，并且還不像它們需要更換硅太陽能電池一樣穩(wěn)定，”Asbury說。“這項(xiàng)研究的見解將使我們能夠創(chuàng)建使用卷對卷加工設(shè)計(jì)新的鹵化鈣鈦礦的規(guī)則。這將指導(dǎo)下一代鈣鈦礦材料的開發(fā)，這些材料更穩(wěn)定，含有較少的有毒元素，如錫而不是鉛。“