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科學(xué)家研制出新的高效太陽能電池
科學(xué)家研制出新的高效太陽能電池
來源:全球地質(zhì)礦產(chǎn)信息網(wǎng)
幾年前，基于AgBiS2納米晶體的太陽能電池橫空出世成為熱點(diǎn)，原因是它們由無毒且地球上含量豐富的元素組成，能夠在低溫環(huán)境下依托低成本的溶液處理技術(shù)生產(chǎn)。
但即使它們是有潛力的硅替代品，這些電池仍然無法達(dá)到商業(yè)化所需要的卓越性能。
于是，科學(xué)家對如何提高其性能進(jìn)行了深入研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這些半導(dǎo)體吸收劑的最優(yōu)厚度與吸收系數(shù)密切相關(guān)。
這意味著他們需要找到一種超薄太陽能電池，在降低制造成本、重量的同時(shí)還具備高吸收率、量子效率和極致性能。
但是，在追求超薄層疊電池的同時(shí)，處理光捕獲結(jié)構(gòu)將增加成本，使得這個(gè)問題更加復(fù)雜，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)越薄，要實(shí)現(xiàn)吸收能量就越復(fù)雜。
這就是新的發(fā)展方向所在。
在發(fā)表于《自然光學(xué)》期刊的論文中，來自西班牙光子科學(xué)研究所、倫敦大學(xué)學(xué)院和倫敦帝國理工學(xué)院的研究者介紹了他們采用陽離子無序工程（cationdisorderengineering）在電池中制作納米晶體層的方法。
無序中找有序
具體講，他們選擇AgBiS2納米晶體通過溫和去火工藝，在晶格內(nèi)對陽離子進(jìn)行原子位置調(diào)整，實(shí)際上是強(qiáng)迫陽離子點(diǎn)間交換，實(shí)現(xiàn)陽離子均勻分布。
通過采用不同的退火溫度并實(shí)現(xiàn)晶體排列中陽離子不同分布，他們發(fā)現(xiàn)，這種半導(dǎo)體性質(zhì)的材料表現(xiàn)突出，其吸收系數(shù)高出目前光伏技術(shù)所使用的所有其他材料5-10倍，另外，其吸收光的范圍從紫外線（400nm）到紅外線（1000nm）。
在這項(xiàng)研究中，專家們指出，為保護(hù)這種新材料在退火后的納米晶體光電性能，需要采用新的表面化學(xué)處理工藝。因此，他們采用巰基丙酸作為鈍化配體。
“新興無機(jī)太陽能電池原子無序的重要性已經(jīng)成為該領(lǐng)域討論的熱點(diǎn)”，該研究共同第一作者肖恩·卡瓦納（SeánKavanagh）在媒體發(fā)布會上稱。
“我們對AgBiS2中陽離子無序熱動力學(xué)以及光/電效應(yīng)的理論研究揭示了陽離子重定位的可及性及其對光電性質(zhì)的重要影響。我們的計(jì)算表明，均勻的陽離子定位能夠提高這些無序材料的太陽能電池性能，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)表明理論與實(shí)踐是一致的。
薄度和效率
卡萬納解釋稱，借助此結(jié)果，他和團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一種超薄的溶液處理的太陽能電池，將AgBiS2納米晶體一層一層疊覆在氧化銦錫（ITO）/玻璃上，這是一種最常見的透明導(dǎo)電氧化物基板。他們用聚三芳胺溶液涂覆設(shè)備，并在人造光下照射設(shè)備，他們發(fā)現(xiàn)電轉(zhuǎn)換效率超過9%，這種設(shè)備厚度不超過100nm，是目前薄膜光伏電池厚度的10-50分之一，不到硅光伏電池厚度的千分之一。
一臺最好的設(shè)備已經(jīng)送往美國紐波特光伏校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室測試，在AM1.5G全日照下產(chǎn)生8.85%的轉(zhuǎn)換率。
“無論從穩(wěn)定性、外形還是性能，本研究報(bào)告的設(shè)備都創(chuàng)造了低溫、溶液處理和環(huán)保的無機(jī)太陽能電池的新紀(jì)錄”，共同作者格拉西莫斯·康斯坦塔托斯（GerasimosKonstantatos）稱。“具有陽離子無序AgBiS2膠體納米晶體的多元系統(tǒng)工程已證明這種材料可提供比迄今為止任何其他光伏材料更高的吸收系數(shù)，從而帶來高效的極薄吸收體光伏器件。我們對結(jié)果感到興奮，并將繼續(xù)開展這一研究，以利用它們在光伏以及其他光電器件中的有益特性。”
