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为什么钙钛矿能将太阳能电池推向新的高度
2022年07月23日    阅读量:1229    新闻来源:合亚嗒资讯网  |  投稿

钙钛矿有望制造出易于沉积在大多数表面上的太阳能电池板,包括柔性表面和纹理表面。这些材料还将重量轻、生产成本低,并且与当今主要的光伏材料(主要是硅)一样高效。它们是越来越多研究和投资的主题,但希望利用其潜力的公司必须解决一些剩余的障碍,才能使钙钛矿基太阳能电池具有商业竞争力。

钙钛矿一词并不是指一种特殊的材料,如硅或碲化镉,这是光伏领域的其他主要竞争者,而是指整个化合物家族。钙钛矿太阳能材料家族因其结构与一种称为钙钛矿的矿物相似而命名,该矿物于1839年发现,并以俄罗斯矿物学家L.a.钙钛矿的名字命名。

钙钛矿的原始矿物是钙钛氧化物(CaTiO3),具有独特的晶体结构。它有一个三部分结构,其组件被标记为a、B和X,其中不同组件的晶格交错。钙钛矿家族由许多可能的元素或分子组合组成,这些元素或分子可以占据三个组分中的每一个,并形成与原始钙钛矿本身类似的结构。(一些研究人员甚至将具有类似元素的其他晶体结构命名为“钙钛矿”,从而稍微改变了规则,尽管这一点受到了晶体学家的反对。)

Tonio Buonassi说:“你可以在结构中混合和匹配原子和分子,但有一定的限制。例如,如果你试图在结构中填充一个太大的分子,你会使其变形。最终你可能会导致3D晶体分离成2D层状结构,或者完全失去有序结构。”,麻省理工学院机械工程教授兼光伏研究实验室主任。“钙钛矿是高度可调的,就像一个建立自己的冒险类型的晶体结构,”他说。

交错晶格的结构由离子或带电分子组成,其中两个(A和B)带正电,另一个(X)带负电。A离子和B离子通常大小不同,其中A较大。

在钙钛矿的整个类别中,有许多类型,包括金属氧化物钙钛矿,它们在催化、能量储存和转换中有应用,例如在燃料电池和金属空气电池中。但据Buonassi说,十多年来研究活动的主要焦点一直是卤化铅钙钛矿。

在这一类别中,仍然有大量的可能性,世界各地的实验室都在努力寻找在效率、成本和耐用性方面表现出最佳性能的变体,这是一项繁琐的工作鈥攚到目前为止,这是三个人中最具挑战性的。

许多团队还将重点放在消除铅使用的变体上,以避免铅对环境的影响。然而,Buonassi指出,“随着时间的推移,含铅设备的性能不断提高,其他成分的电子性能都没有接近。”探索替代品的工作仍在继续,但目前还并没有一种能与卤化铅版本相匹敌。

他说,钙钛矿的最大优点之一是它们对结构中的缺陷具有很强的耐受性。与硅不同,硅需要极高的纯度才能在电子器件中发挥良好的作用,钙钛矿即使有许多缺陷和杂质,也能发挥良好的作用。

寻找有希望的钙钛矿新候选成分有点像大海捞针,但最近研究人员提出了一种机器学习系统,可以大大简化这一过程。这项研究的合著者布奥纳西说,这种新方法可以更快地开发新的替代品。

虽然钙钛矿继续显示出巨大的前景,一些公司已经准备开始一些商业生产,但耐用性仍然是他们面临的最大障碍。虽然硅太阳能电池板在25年后保留了高达90%的功率输出,但钙钛矿的降解速度要快得多。取得了很大进展鈥攊最初的样品只持续了几个小时,然后是几周或几个月,但较新的配方的可用寿命长达几年,适用于寿命不必要的某些应用。

Buonassi说,从研究角度来看,钙钛矿的一个优点是它们相对容易在实验室制备鈥攖化学成分易于组装。但这也是它们的缺点:“材料在室温下很容易结合,”他说,“但在室温下也很容易分开。来得容易,去得也容易!”

为了解决这个问题,大多数研究人员专注于使用各种保护材料来封装钙钛矿,保护其免受空气和湿气的影响。但其他人正在研究导致这种降解的确切机制,希望找到更具内在稳健性的配方或治疗方法。一个关键的发现是,一个称为自动催化的过程在很大程度上是导致故障的原因。

在自动催化中,一旦材料的一部分开始降解,其反应产物就充当催化剂,开始降解结构的相邻部分,然后发生失控反应。Buonassi建议,在对其他一些电子材料(如有机发光二极管)的早期研究中也存在类似的问题,并最终通过向原材料中添加额外的纯化步骤来解决,因此在钙钛矿的情况下可能会找到类似的解决方案。

Buonassii和他的合作研究人员最近完成了一项研究,表明钙钛矿一旦达到至少十年的可用寿命,这要归功于其较低的初始成本,这足以使其在大型公用事业规模的太阳能发电场中作为硅的替代品在经济上可行。

他说,总体而言,钙钛矿石的开发进展令人印象深刻,令人鼓舞。他说,经过几年的工作,它已经达到了与碲化镉(CdTe)相当的效率,“碲化镉已经存在了很长时间,但仍在努力实现。”。“这种新材料很容易达到这些更高的性能,这几乎令人震惊。”他说,与实现效率提高1%所花费的研究时间相比,钙钛矿的进展速度比CdTe快100到1000倍。“这是它如此令人兴奋的原因之一,”他说。

本故事由麻省理工学院新闻网(web.MIT.edu/newoffice/)转载,该网站是一个热门网站,涵盖麻省理工学院研究、创新和教学方面的新闻。

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