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的研究人員進行的一項研究揭示了這些廉價且快速生產(chǎn)的鹵化鈣鈦礦的獨特性質(zhì)，這些信息將指導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化學副教授John Asbury說。該研究的作者。“這是因為硅太陽能電池的建設很復雜，很難擴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加工的材料特別感興趣，這種技術類似于用于印刷報紙的技術，可以實現(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)中的缺陷具有獨特的耐受性，當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)的獨特能力。所有材料都經(jīng)歷其原子的振動運動，這通常通過使材料的晶體非常堅硬(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)模的原子運動通常會導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，研究人員可以化學替代材料中帶電荷的原子來調(diào)整這種原子尺度運動的振幅。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。“這項研究的見解將使我們能夠創(chuàng)建使用卷對卷加工設計新的鹵化鈣鈦礦的規(guī)則。這將指導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。“