鈣鈦礦電池的優(yōu)點(diǎn)及改進(jìn)的空間
鈣
鈦礦電池與硅晶電池各有各的優(yōu)缺點(diǎn),研究團(tuán)隊(duì)希望可借由設(shè)計(jì)多層、不同能隙的材料來(lái)提升光電轉(zhuǎn)換效率,Padture 表示,目前還不打算取代現(xiàn)有的硅晶技術(shù),但團(tuán)隊(duì)正在努力提高它的性能,如果可以能搶先制造出穩(wěn)定的無(wú)鉛串疊型電池,那就會(huì)是未來(lái)的贏家,而這種新材料看起來(lái)非常不錯(cuò)。
鈣鈦礦電池具有便宜、制程容易的優(yōu)點(diǎn),光電轉(zhuǎn)換效率也從 2009 年的 3.81%,提升至可與硅晶電池比擬的 22%,近期的研究更提升到 26%,然而鈣鈦礦電池中的鉛物質(zhì)具有毒性,可能會(huì)對(duì)生物與環(huán)境產(chǎn)生危害,因此化學(xué)材料學(xué)家紛紛尋找如何替代鉛或是解毒的方式。
布朗大學(xué)電機(jī)教授 Nitin Padture 表示,“目前鈣鈦礦的研究重點(diǎn)之一為尋找可替代鉛、無(wú)毒且穩(wěn)定的材料,我們則利用電腦模擬,認(rèn)為一種含銫、鈦和鹵素成分(溴或碘)的鈣鈦礦電池是個(gè)良好的候選材料,而目前我們正在測(cè)試它的屬性。”與其直接將鈣鈦礦電池取代硅晶電池,該團(tuán)隊(duì)試圖將兩者合二為一,制作出“串聯(lián)”太陽(yáng)能電池。在電池設(shè)計(jì)中,鈣鈦礦薄膜位于硅層的上方,由于鈣鈦礦是半透明材質(zhì),能讓一些光穿透至下方的硅層,兩者合作可將更多光轉(zhuǎn)換成電能。
做為最受歡迎的再生能源產(chǎn)業(yè),太陽(yáng)能領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)非常激烈,目前市占率最高的太陽(yáng)能電池為多晶硅與單晶硅等硅晶電池,但長(zhǎng)江后浪推前浪,新興的鈣
鈦礦電池正虎視眈眈盯著市占第一的寶座。美國(guó)布朗大學(xué)與內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校(UNL)組成的團(tuán)隊(duì)也致力于提升鈣鈦礦電池的性能,更找到取代有毒物質(zhì)──“鉛”的材料。研究人員制造出 1.8 伏特的寬能隙
鈦─鈣鈦礦薄膜,該薄膜可以吸收更高能量的光子,其他光子則由底下的矽層吸收。雖然目前光電效率僅 3.3%,遠(yuǎn)低于硅晶電池或是其他鈣鈦礦電池,但研究人員表示,此為首次嘗試的新材料,目前還有許多改進(jìn)的空間。美國(guó)斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程教授 Michael McGehee 今年(2018)初也提出了類似的電池設(shè)計(jì),根據(jù)他的研究,串疊型電池的效率比一般的硅電池高 10%,這可能是鈣鈦礦材料攻入市場(chǎng)的方式之一。
這也不是研究人員第一次尋找鉛的替代材料,但該團(tuán)隊(duì)表示這項(xiàng)鈦含量多,也更加防生銹,并且提供的電壓比其他材料還要多。在其他無(wú)鉛的材料實(shí)驗(yàn)中,開(kāi)路電壓(Open-circuit voltage)通常僅 0.6 伏特,而錫金屬則會(huì)遇到生銹的問(wèn)題。開(kāi)路電壓為電池在無(wú)負(fù)載的情況下,電池正負(fù)極之間的電壓。Padture 表示,此電壓通常用來(lái)評(píng)估太陽(yáng)能電池材料的潛力,一開(kāi)始就有如此高的電壓,未來(lái)應(yīng)該滿有前途的。