新型「全無機」鈣鈦礦太陽能電池

如圖所示：全無機鈣鈦礦太陽能電池分為幾層。底層是幾毫米厚的玻璃。第二層是一種被稱為FTO的透明導電材料。第三層是由氧化鈦製成的電子敏感層。第四層是光敏鈣鈦礦。最後，頂層是碳。新型的全無機鈣鈦礦太陽能電池解決了太陽能電池目前技術面臨的三個關鍵挑戰：效率，穩定性和成本問題。圖片來源：日本沖繩科學技術大學院大學

如何利用好從太陽系中心釋放出來的巨大的能量，是實現可持續能源供應的關鍵目標之一。

我們使用太陽能電池這種電子設備可以將光能直接轉換成電力。迄今為止，大多數太陽能電池都是由硅材料製作而成的，因為這種硅材料非常擅長吸收光線。但是硅面板的生產成本很高。

科學家一直在研究一種由鈣鈦礦結構製成的太陽能電池，以替代硅太陽能電池。真正的鈣鈦礦是地球上發現的一種礦物質，它由特定分子排列的鈣，鈦和氧組成。具有相同晶體結構的材料被稱為鈣鈦礦結構。

用鈣鈦礦結構作為太陽能電池的集光活性層很有發展前途，因為它們不僅可以有效地吸收光線，而且比硅的成本要便宜得多。同時我們也可以使用相對簡單的設備把它集成到太陽能電池設備中。例如，我們可以把鈣鈦礦結構溶解在溶劑中，然後直接噴塗到基材上。

如圖所示：尚未以商業化規模生產的鈣鈦礦太陽能電池。目前，日本沖繩科學技術大學院大學能源材料和表面科學部門的科研人員已經把這種新型鈣鈦礦太陽能電池製作的足夠小，例如Dr. Liu把它們握在了手中

由鈣鈦礦結構製成的材料可能潛在地革新太陽能電池器件的發展，但是它們具有嚴重的缺點：在暴露於熱量高的情況下，它們通常非常不穩定，性能會惡化很嚴重。這嚴重阻礙了鈣鈦礦太陽能電池的商業化進程。

日本沖繩科學技術大學院大學能源材料與表面科學研究所的Yabing Qi教授領導的科研小組，開發出了採用新型鈣鈦礦材料製成的器件，該材料穩定，高效，生產成本相對較低，為未來太陽能電池的使用鋪平了道路。他們的科研成果最近發表在了「Advanced Energy Materials」雜誌上。博士後Jia Liang和Zonghao Liu對這項科研工作做出了重大貢獻。

這種材料有幾個關鍵特徵。首先，它是完全無機的，這是一個重要的轉變，因為有機組分通常不耐熱並且在加熱條件下會發生降解。由於太陽能電池在陽光下會變得非常熱，所以材料的熱穩定性至關重要。研究人員用無機材料代替有機部分，使鈣鈦礦太陽能電池更加穩定了。

「在太陽光下曝光了300小時後，太陽能電池幾乎沒有變化。」論文作者Zonghao Liu博士說。

如圖所示：來自能源材料和表面科學部門的博士後研究人員Longbin Qiu博士（左）和Zonghao Liu博士（右）持有由其新鈣鈦礦材料製成的太陽能電池

然而，全無機鈣鈦礦太陽能電池的光吸收量比有機—無機雜化物材料的光吸收量低。這是第二個科研人員採取措施的地方：日本沖繩科學技術大學院大學的研究人員用錳來摻雜他們的新電池，以改善其性能。錳改變了材料的晶體結構，提高了其捕獲光的能力。

Liu說。「這就像我們在菜中添加鹽來改變它的味道一樣，當我們在材料中添加錳時，它會改變太陽能電池的特性。」

第三，在這些太陽能電池中，在太陽能電池和外部電線之間傳輸電流的電極由碳製成，而不是由通常的金製成。這種碳電極更便宜並且更容易生產，部分原因是由於它們可以直接被印刷到太陽能電池上。另一方面，製造金電極需要高溫和專業設備，例如真空室。所以綜合看，碳電極更具優勢。

如圖所示：鈣鈦礦太陽能電池的電子顯微鏡圖像，從圖中我們可以觀察到不同的層區域

在鈣鈦礦太陽能電池變得像硅太陽能電池一樣具有商業化可行性之前，我們仍有許多挑戰需要克服。例如，雖然鈣鈦礦太陽能電池可以維持工作一年或兩年，但硅太陽能電池卻可以工作20年。

Yabing Qi和他的同事們繼續致力於提高這些新型太陽能電池的效率和耐久性，並且正在開發可以用來商業規模製造這些電池的工藝。自2009年第一顆鈣鈦礦太陽能電池被報道以來，該技術發展的十分迅猛，這些新鈣鈦礦太陽能電池擁有非常光明的發展前景。

原文來自phys，原文題目：Bright future for solar cell technology，由材料科技在線匯總整理。

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