現(xiàn)在，佐治亞理工學(xué)院，加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥分校和麻省理工學(xué)院的研究人員已經(jīng)報道了關(guān)于鈣鈦礦太陽能電池的新發(fā)現(xiàn)，這些研究結(jié)果可以引領(lǐng)出更好的設(shè)備。

“鈣鈦礦太陽能電池具有很多潛在優(yōu)勢，因為它們非常輕，可以用柔性塑料基板制造，”佐治亞理工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院助理教授Juan-PabloCorrea-Baena說。“然而，為了能夠在市場上與硅基太陽能電池競爭，它們需要更高效。”

在2月8日發(fā)表在“科學(xué)”雜志上并由美國能源部和國家科學(xué)基金會贊助的一項研究中，研究人員更詳細(xì)地描述了如何在傳統(tǒng)鈣鈦礦中添加堿金屬以獲得更好的性能。

加州大學(xué)圣地亞哥分校的納米工程教授大衛(wèi)芬寧說：“鈣鈦礦可以真正改變太陽能游戲。”“他們有可能在不放棄業(yè)績的情況下降低成本。但是，從根本上學(xué)習(xí)這些材料還有很多東西要做。”

要了解鈣鈦礦晶體，將其晶體結(jié)構(gòu)視為三元組是有幫助的。三元組的一部分通常由元件引線形成。第二種通常由有機組分如甲基銨組成，第三種通常由其它鹵化物如溴和碘組成。

近年來，研究人員一直致力于測試不同的配方以提高效率，例如在結(jié)構(gòu)的鉛組分中添加碘和溴。后來，他們嘗試用銫和銣代替通常被有機分子占據(jù)的鈣鈦礦部分。

Correa-Baena說：“我們從早期的研究中了解到，向混合溴和碘鈣鈣鈦礦中添加銫和銣會帶來更好的穩(wěn)定性和更高的性能。”

但很少有人知道為什么添加這些堿金屬會改善鈣鈦礦的性能。

為了理解為什么它似乎有效，研究人員使用高強度X射線測繪來檢測納米尺度的鈣鈦礦。

“通過觀察鈣鈦礦材料中的成分，我們可以看到每個元素如何在提高器件性能方面發(fā)揮作用，”加州大學(xué)圣地亞哥分校納米工程博士生Yanqi(Grace)Luo說。

他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)將銫和銣加入到混合的溴和碘鉛鈣鈦礦中時，它會使溴和碘更均勻地混合在一起，導(dǎo)致轉(zhuǎn)化效率比沒有這些添加劑的材料高出2%。

“我們發(fā)現(xiàn)化學(xué)和結(jié)構(gòu)的均勻性有助于鈣鈦礦太陽能電池以最大的潛力運行，”芬寧說。“該骨干中的任何異質(zhì)性都像鏈中的薄弱環(huán)節(jié)。”

即便如此，研究人員還觀察到，雖然添加銣或銫會使溴和碘變得更均勻，但鹵化金屬本身在其自身陽離子中仍然相當(dāng)聚集，在太陽能電池中產(chǎn)生無活性的“死區(qū)”，不會產(chǎn)生電流。

“這令人驚訝，”芬寧說。“擁有這些死區(qū)通常會殺死一個太陽能電池。在其他材料中，它們就像黑洞一樣吸收來自其他地區(qū)的電子，永遠(yuǎn)不會讓它們消失，所以你會失去電流和電壓。

“但是在這些鈣鈦礦中，我們看到銣和銫周圍的死區(qū)對太陽能電池性能沒有太大的損害，盡管目前有一些損失，”芬寧說。“這表明這些材料有多強大，但也有更多的改進(jìn)機會。”

這些發(fā)現(xiàn)增加了對基于鈣鈦礦的器件如何在納米尺度下工作的理解，并為未來的改進(jìn)奠定了基礎(chǔ)。

“這些材料具有極高的性價比和高性能，這正是我們確保光伏板廣泛部署所需要的，”Correa-Baena說。“我們希望嘗試抵消氣候變化問題，因此我們的想法是讓光伏電池盡可能便宜。”電池比氫或傳統(tǒng)柴油的充電時間長的多。使用柴油，加一分鐘的油可以為一輛大型卡車提供20英里的行駛里程，而使用氫氣，注一分鐘的氫氣可以提供12英里的行駛里程。但對于電池驅(qū)動的卡車來說，充電一分鐘只能行駛3英里。照此計算下來，一輛卡車行駛500英里，加柴油需要25分鐘，加氫需要42分鐘，但電動卡車充電可能需要兩個半小時以上。(馬斯克曾表示，特斯拉正在研發(fā)“超級快充”充電站，可以在30分鐘內(nèi)為其未來半掛卡車提供400英里的續(xù)航里程，但與此同時充電成本肯定也會大幅上漲。)

再者就是重量優(yōu)勢。電池的重量一直是電池?zé)o法逃避的短板。重量是里程的大敵，通過增加電池來提高續(xù)航，讓越來越多的能量被電池重量所抵消和浪費。比如40噸電池動力卡車，500公里續(xù)航需要8噸電池。這個數(shù)字確實讓人難以置信。然而燃料電池組卻更輕，更易于操作。氫燃料電池動力傳動系統(tǒng)的重量可與柴油發(fā)動機相媲美，來自豐田的專家甚至說，或許會更輕。并且單位重量氫氣的能量是柴油燃料的三倍。