新型高效材料有望引发光伏革命

太阳能电池构造的新模型最终可能使它们更便宜，更易于制造，并且从太阳中收集能量的效率更高。

对于太阳能电池板，必须将尽可能多的光子中的每一滴能量拧干。这个目标已促使研究人员寻求提高光伏设备的能量吸收效率，但现有技术正在超越物理定律设定的极限。

正如《自然》杂志上报道的那样，现有的太阳能电池都以相同的基本方式工作：它们吸收光，从而激发电子并使它们朝某个方向流动。电子的这种流动是电流。

实验中制造的钙钛矿晶体的示意图。（信用：Felice Macera）

但是，为了建立一致的运动方向或极性，太阳能电池需要由两种材料制成。一旦被激发的电子从吸收光的材料到将传导电流的材料越过界面，它就不会交叉返回，从而为它提供方向。

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化学和材料科学教授安德鲁·拉普（Andrew M. Rappe）说：“但是，只有一小类材料，当您在它们上面照射光时，电子会沿一个特定的方向发射，而不必从一种材料过渡到另一种。”和宾夕法尼亚大学的工程系。

“我们将其称为整体光伏效应，而不是现有太阳能电池中发生的界面效应。这种现象自1970年代就已为人所知，但我们不以这种方式制造太阳能电池，因为它们仅在紫外光下得到证明，而来自太阳的大部分能量都在可见光谱和红外光谱中。”

光子硬币

寻找对可见光显示出整体光伏效应的材料将大大简化太阳能电池的构造。而且，这将是解决界面太阳能电池固有的效率低下问题的一种方法，即所谓的肖克利-奎塞尔极限（Shockley-Queisser limit），在这种极限下，由于电子等待从一种材料跃迁至另一种材料，光子中的某些能量会损失。

“想想光子从太阳射来的时候，硬币在你身上落下，而不同频率的光像便士，镍币，角钱等等。Rappe说：“您的吸光材料的质量称为带隙，它决定了您可以捕获的面额。”

“ Shockley-Queisser限制说，您所捕获的任何东西都只有带隙允许的最小面额一样有价值。如果选择带隙能捕获硬币的材料，则可以捕获硬币，硬币和银元，但是捕获它们时，它们的能量价值仅相当于10美分。

他说：“如果将限制设置得太高，则与选择较小面额的光子相比，每个光子可能会获得更多的价值，但总体上捕获的光子会更少，并且变得更糟。”

“将能带隙设置为仅捕获银元，就像只能捕获紫外线一样。”将其设置为能捕获四分之一就像向下移动到可见光谱中。即使您损失了从紫外线获得的大部分能量，您的产量也会更高。

由于没有已知的材料展现出可见光的整体光伏效应，因此研究团队努力设计出一种新材料如何成型以及如何测量其性能。

新材料家族

从五年多以前开始，该团队开始了理论研究，绘制了可能具有这些特征的假设新化合物的特性图。每个化合物都以“母体”材料开始，该材料将赋予最终材料整体光电效应的极性。

对于母体，将以不同百分比添加会降低化合物带隙的材料。将这两种材料研磨成细粉，混合在一起，然后在烤箱中加热直到它们反应在一起。理想地，所得晶体将具有母体的结构，但在关键位置具有第二种材料的元素，使其能够吸收可见光。

材料科学与工程系主任彼得·K·戴维斯（Peter K. Davies）说：“设计挑战是要确定能够保留其极性特性并同时吸收可见光的材料。理论计算指出了新的材料家族，在这种家族中，通常相互排斥的性能组合实际上可以得到稳定。”

这种结构称为钙钛矿晶体。大多数吸光材料具有对称的晶体结构，这意味着它们的原子按上下，左右，前后的重复图案排列。这种质量使这些材料无极性。从电子的角度来看，所有方向都“看起来”相同，因此没有流动的整体方向。

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钙钛矿晶体具有相同的金属原子立方晶格，但每个立方体内部是氧原子的八面体，而每个八面体内部是另一种金属原子。这两个金属元素之间的关系可使它们偏离中心，为结构赋予方向性并使其具有极性。

良好的晶体结构

“所有好的极性或铁电材料都具有这种晶体结构，” Rappe说。“这看起来非常复杂，但是当您使用一种含有两种金属和氧气的材料时，它总是在自然中发生。这不是我们必须自己设计的东西。”

经过几次失败的尝试以物理方式生产出他们理论化的特定钙钛矿晶体，研究人员成功地将铌酸钾，母体，极性材料和铌酸钡镍结合使用，这有助于最终产品的带隙。

研究人员使用X射线晶体学和拉曼散射光谱法来确保他们已经产生了想要的晶体结构和对称性。他们还研究了其可切换的极性和带隙，表明它们确实可以在可见光下产生大量的光电效应，从而有可能打破肖克利-奎塞尔极限。

而且，通过铌酸钡镍的百分比来调节最终产品带隙的能力比界面太阳能电池增加了另一个潜在的优势。

“父母的带隙在紫外线范围内，”德雷克塞尔大学材料科学与工程学教授乔纳森·E·斯派尼尔（Jonathan E. Spanier）说。“但是，仅添加百分之十的铌酸镍钡会使能带隙进入可见范围，并接近有效转换太阳能所需的值。

“因此，这是一种可行的材料，随着我们添加的增加，带隙也会在可见光范围内变化，这是另一个非常有用的特性。”

堆叠式太阳能电池

解决Shockley-Queisser限制在界面太阳能电池中造成的效率低下的另一种方法是，将多个具有不同带隙的太阳能电池有效地堆叠在一起。

这些多结太阳能电池的顶层具有高带隙，可以捕获最有价值的光子，并让价值不高的光子通过。连续的层具有越来越低的带隙，从每个光子中获取最多的能量，但是增加了太阳能电池的整体复杂性和成本。

Rappe说：“利用整体光伏效应制成的材料系列贯穿了整个太阳光谱。”“因此，我们可以生长一种材料，但可以随着生长而逐渐改变其成分，从而形成一种性能类似于多结太阳能电池的单一材料。”

Spanier说：“这种材料家族更加引人注目，因为它由廉价，无毒且富含地球的元素组成，这与目前在高效薄膜太阳能电池技术中使用的化合物半导体材料不同。”

这项研究得到了本·富兰克林技术合作伙伴能源商业化研究所，能源部基础科学办公室，陆军研究办公室，美国工程教育学会，海军研究办公室和国家科学基金会的支持。

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