下一代太陽能電池：或將採用無毒的鉍替代有毒的鉛

導讀

最近，英美兩國的研究人員採用無毒的「鉍」材料取代傳統太陽能電池使用的「鉛」材料，為下一代太陽能電池奠定了基礎。

關鍵字

電池、太陽能、材料

背景

今天的創新科技介紹，我們從太陽能電池所用的材料談起。

（圖片來源於：維基百科）

平時，我們看到的位於戶外或者屋頂的太陽能電池，大多數都是由硅製成。雖然硅將光線轉化為能量的效率很高，但是它的「缺陷容忍度」卻很低。因此硅的純度需要非常高，所以生產這樣的太陽能電池需要採用一種能源密集型的生產方式。

過去幾年以來，科研人員一直在尋找新的材料，其性能與硅相似，甚至比硅更好，並且又無需如此高的純度，還具有較低的生產成本。這些新材料中最有前途的一種被稱為「混合鉛鹵化物鈣鈦礦 」，它有望革新太陽能領域。

鈣鈦礦太陽能電池不僅生產成本低，而且便於製造。在幾年時間內，它幾乎變成和硅同樣節能。然而，儘管鈣鈦礦太陽能電池的潛力巨大，但是科學界對它的看法還是存在爭議的，因為鉛是其化學成分的一部分。雖然鈣鈦礦太陽能電池中含有的鉛對於人類、動物和環境的風險，目前科學界的看法還存在爭議，但是一些科學家已經在尋找無毒材料取代鈣鈦礦太陽能電池中的鉛，而又不會影響其性能。

創新

來自英國劍橋大學和美國的研究人員組成的團隊使用理論和實驗的方法，展示了「鉍」是怎樣用於製造低成本的太陽能電池。鉍也被稱為「綠色元素」，在元素周期表中位於鉛元素的旁邊。這項研究成果發表於《高級材料》雜誌。

（圖片來源於：維基百科）

該研究顯示鉍基太陽能電池與鉛基太陽能電池具有相似的特性，但是卻沒有毒性。另外一個研究小組的後期測試表明：鉍基電池將光線轉化為能量的效率達22%，這種效率可以和市場上最先進的太陽能電池媲美。

技術

劍橋大學卡文迪什實驗室和材料科學與冶金系的博士、論文的領導作者 Robert Hoye 說：

「我們想要找出為什麼在鹵化鉛鈣鈦礦太陽能電池中的缺陷，沒有像在其他材料中的一樣影響性能。如果我們能夠找出它們的特別之處，那麼也許我們能夠使用無毒材料複製它們的特性。」

英國劍橋大學的研究人員和美國麻省理工學院、國家可再生能源實驗室以及科羅拉多礦業大學的研究人員展開合作找到了鉍元素。鉍在元素周期表上緊挨著鉛，可以成為鉛的無毒替代物，應用在下一代太陽嗯電池中。鉍，也被稱為「綠色元素」，廣泛用於化妝品、個人護理用品和藥物中。它和鉛一樣是重金屬，但是它是無毒的。

Hoye 與他的同事們一起研究了碘氧化鉍。之前，也有相關研究將這種材料應用於太陽能電池和分解水，但是由於效率較低和在液體電解質中會發生分解，所以它不被認為是合適的材料。

研究人員採用理論和實驗的方法重新研究了這種材料在固態太陽能電池中使用的可能性。他們發現碘氧化鉍對於缺陷的容忍度可以和鹵化鉛鈣鈦礦相媲美。另外，碘氧化鉍在氧氣至少可以保持197天的穩定，這一點較某些鹵化鉛鈣鈦礦化合物有顯著改善。他們將碘氧化鉍光線吸收劑像三明治一樣夾在兩種氧化物電極之間，使得該器件的性能破了記錄，它可以將80%的光線轉化為電荷。

價值

鉍基器件可以採用普通的工業技術製造，這也表明它具有進行大規模、低成本製造的可能性。

（圖片來源於：Steve Penney /劍橋大學）

論文的合著者、材料科學和冶金系的教授 Judith
Driscoll 稱：

「碘氧化鉍對於高效的光線吸收器來說，具有全部正確的物理特性。我在五年之前首先考慮到了這種化合物，但是大型團隊的高度專業化的實驗和理論技能，才可以讓我們可以證明這種材料具有真正實用的潛力。」

麥格達倫學院的初級研究員 Hoye 稱：

「這項研究表明關於碘氧化鉍的早期理論並沒有錯，並且這些化合物確實具有成為成功的太陽能電池的潛力。對於這些化合物的作用，我們的研究目前還停留在表面。」

倫敦大學學院 （UCL）的理論家 David Scanlon 博士說：

「之前，太陽能電池的研究界一直在尋找無毒材料，複製鈣鈦礦對於缺陷的容忍度，但是在光伏性能方面未取得多少成功。當我看到這項研究的時候，我的團隊計算了光學特性，碘氧化鉍的效率理論上限是22%，它可以和硅以及最好的鈣鈦礦太陽能電池媲美。在這個團隊的研究基礎上，我們還可以從這個材料上獲取更多。」

參考資料

【1】http://www.cam.ac.uk/research/news/non-toxic-alternative-for-next-generation-solar-cells

【2】Robert L. Z. Hoye, Lana C. Lee, Rachel C. Kurchin, Tahmida N. Huq,
Kelvin H. L. Zhang, Melany Sponseller, Lea Nienhaus, Riley E. Brandt,
Joel Jean, James Alexander Polizzotti, Ahmed Kursumovi?, Moungi G.
Bawendi, Vladimir Bulovi?, Vladan Stevanovi?, Tonio Buonassisi, Judith
L. MacManus-Driscoll. Strongly Enhanced Photovoltaic Performance and Defect Physics of Air-Stable Bismuth Oxyiodide (BiOI). Advanced Materials, 2017; 1702176 DOI: 10.1002/adma.201702176

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