导读


最近,英美两国的研究人员采用无毒的“铋”材料取代传统太阳能电池使用的“铅”材料,为下一代太阳能电池奠定了基础。


关键字

电池太阳能材料

背景


今天的创新科技介绍,我们从太阳能电池所用的材料谈起。

(图片来源于:维基百科


平时,我们看到的位于户外或者屋顶的太阳能电池,大多数都是由硅制成。虽然硅将光线转化为能量的效率很高,但是它的“缺陷容忍度”却很低。因此硅的纯度需要非常高,所以生产这样的太阳能电池需要采用一种能源密集型的生产方式。


过去几年以来,科研人员一直在寻找新的材料,其性能与硅相似,甚至比硅更好,并且又无需如此高的纯度,还具有较低的生产成本。这些新材料中最有前途的一种被称为“混合铅卤化物钙钛矿 ”,它有望革新太阳能领域。


钙钛矿太阳能电池不仅生产成本低,而且便于制造。在几年时间内,它几乎变成和硅同样节能。然而,尽管钙钛矿太阳能电池的潜力巨大,但是科学界对它的看法还是存在争议的,因为铅是其化学成分的一部分。虽然钙钛矿太阳能电池中含有的铅对于人类、动物和环境的风险,目前科学界的看法还存在争议,但是一些科学家已经在寻找无毒材料取代钙钛矿太阳能电池中的铅,而又不会影响其性能。


创新


来自英国剑桥大学和美国的研究人员组成的团队使用理论和实验的方法,展示了“铋”是怎样用于制造低成本的太阳能电池。铋也被称为“绿色元素”,在元素周期表中位于铅元素的旁边。这项研究成果发表于《高级材料》杂志。

(图片来源于:维基百科


该研究显示基太阳能电池与铅基太阳能电池具有相似的特性,但是却没有毒性。另外一个研究小组的后期测试表明:基电池将光线转化为能量的效率达22%,这种效率可以和市场上最先进的太阳能电池媲美。


技术


剑桥大学卡文迪什实验室和材料科学与冶金系的博士、论文的领导作者 Robert Hoye 说:


“我们想要找出为什么在卤化铅钙钛矿太阳能电池中的缺陷,没有像在其他材料中的一样影响性能。如果我们能够找出它们的特别之处,那么也许我们能够使用无毒材料复制它们的特性。”


英国剑桥大学的研究人员和美国麻省理工学院、国家可再生能源实验室以及科罗拉多矿业大学的研究人员展开合作找到了铋元素在元素周期表上紧挨着铅,可以成为铅的无毒替代物,应用在下一代太阳嗯电池中。铋,也被称为“绿色元素”,广泛用于化妆品、个人护理用品和药物中。它和铅一样是重金属,但是它是无毒的。


Hoye 与他的同事们一起研究了碘氧化铋。之前,也有相关研究将这种材料应用于太阳能电池和分解水,但是由于效率较低和在液体电解质中会发生分解,所以它不被认为是合适的材料。


研究人员采用理论和实验的方法重新研究了这种材料在固态太阳能电池中使用的可能性。他们发现碘氧化铋对于缺陷的容忍度可以和卤化铅钙钛矿相媲美。另外,碘氧化铋在氧气至少可以保持197天的稳定,这一点较某些卤化铅钙钛矿化合物有显著改善。他们将碘氧化铋光线吸收剂像三明治一样夹在两种氧化物电极之间,使得该器件的性能破了记录,它可以将80%的光线转化为电荷。


价值


铋基器件可以采用普通的工业技术制造,这也表明它具有进行大规模、低成本制造的可能性。

(图片来源于:Steve Penney /剑桥大学)


论文的合著者、材料科学和冶金系的教授 Judith
Driscoll 称:


碘氧化铋对于高效的光线吸收器来说,具有全部正确的物理特性。我在五年之前首先考虑到了这种化合物,但是大型团队的高度专业化的实验和理论技能,才可以让我们可以证明这种材料具有真正实用的潜力。”


麦格达伦学院的初级研究员 Hoye 称:


“这项研究表明关于碘氧化铋的早期理论并没有错,并且这些化合物确实具有成为成功的太阳能电池的潜力。对于这些化合物的作用,我们的研究目前还停留在表面。”


伦敦大学学院 (UCL)的理论家 David Scanlon 博士说:


“之前,太阳能电池的研究界一直在寻找无毒材料,复制钙钛矿对于缺陷的容忍度,但是在光伏性能方面未取得多少成功。当我看到这项研究的时候,我的团队计算了光学特性,碘氧化铋的效率理论上限是22%,它可以和硅以及最好的钙钛矿太阳能电池媲美。在这个团队的研究基础上,我们还可以从这个材料上获取更多。”

参考资料


【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 Kursumović, Moungi G.
Bawendi, Vladimir Bulović, Vladan Stevanović, 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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下一代太阳能电池:或将采用无毒的铋替代有毒的铅
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