【环球热闻】硅的替代品:为什么钙钛矿可以将太阳能电池的研发带到新高度?
硅和碲化镉是光伏领域的另外两个主要“竞争者”,指的是特定的材料。另一方面,术语钙钛矿指的是整个化合物家族,此类氧化物最早被发现,是存在于钙钛矿石中的钛酸钙化合物。这种矿物于1839年被发现,并以俄罗斯地质学家列夫 · 佩罗夫斯基 ( Lev Perovski )的名字命名。
钛酸钙(CaTiO3)是原始矿物钙钛矿,有一个独特的晶体构造。它有一个三部分结构,其组成部分已被标记为A、B和X,其中不同成分的晶格是交错的。钙钛矿家族由许多可能的元素或分子组合组成,这些元素或分子可以占据这三部分中的每一部分,并形成与原始钙钛矿本身类似的结构。
(资料图片仅供参考)
“你可以将原子和分子混合并匹配到结构中,但有一些限制。例如,如果你试图把一个太大的分子塞进结构中,你会使它变形。最终,你可能会导致三维晶体分离成二维分层结构,或完全失去有序的结构,”麻省理工学院机械工程教授兼光伏研究实验室主任Tonio Buonassisi说。“钙钛矿是高度可调控的,就像一种建造你自己的冒险类型的晶体结构。”
这种交错格子的结构由离子或带电分子组成,其中两个(A和B)带正电,另一个(X)带负电。通常情况下,A和B离子的大小相当不同,A离子更大。
在整个钙钛矿类别中,有许多类型,包括金属氧化物钙钛矿,它们已在催化和能源储存和转换中找到应用,如燃料电池和金属空气电池。但据Buonassisi说,十多年来,研究活动的一个主要焦点是卤化铅钙钛矿。
在这一类别中,仍有大量的可能性,世界各地的实验室正在进行繁琐的工作,试图找到在效率、成本和耐用性方面表现最佳的变体--迄今为止,这是最具有挑战性的三者。
许多团队还专注于消除铅的使用的变化,以避免其对环境的影响。然而,Buonassisi指出,“随着时间的推移,铅基设备的性能不断提高,而其他成分在电子性能方面都没有接近。”探索替代品的工作仍在继续,但就目前而言,没有一个能与卤化铅版本竞争。
Buonassisi说,钙钛矿提供的巨大优势之一是它们对结构中的缺陷有很大的容忍度。与硅不同的是,硅需要极高的纯度才能在电子设备中发挥良好的作用,而钙钛矿即使存在许多缺陷和杂质也能正常工作。
为钙钛矿寻找有前景的新候选成分有点像大海捞针,但最近研究人员想出了一个机器学习系统,可以大大简化这一过程。作为该研究的共同作者之一Buonassisi说,这种新方法可能会导致新替代品的开发速度大大加快。
虽然钙钛矿继续显示出巨大的前景,而且一些公司已经在准备开始一些商业生产,但耐久性仍然是它们面临的最大障碍。虽然硅太阳能电池板在25年后还能保持90%的电力输出,但钙钛矿的降解速度要快得多。已经取得了很大的进展--最初的样品只持续了几个小时,然后是几周或几个月,但较新的配方的可用寿命长达几年,适合于一些对寿命不重要的应用。
Buonassisi说,从研究的角度来看,钙钛矿的一个优点是它们在实验室里相对容易制造--化学成分很容易组装起来。但这也是它们的缺点:“这种材料在室温下很容易组合在一起。但它在室温下也很容易分离。来得容易,去得也容易!”
为了处理这个问题,大多数研究人员专注于使用各种保护材料来封装钙钛矿,保护它不暴露在空气和水分中。但其他研究人员正在研究导致这种降解的确切机制,希望能找到本质上更坚固的配方或处理方法。一个关键的发现是,一个被称为自催化的过程在很大程度上要归咎于这种分解。
在自催化过程中,一旦材料的一个部分开始降解,其反应产物就会作为催化剂开始降解结构的邻近部分,并开始进行失控反应。在对其他一些电子材料的早期研究中也存在类似的问题,如有机发光二极管(OLED),并最终通过对原材料增加额外的净化步骤而得到解决,所以在钙钛矿的情况下可能会找到类似的解决方案,Buonassisi建议。
Buonassisi和他的合作研究人员最近完成了一项研究,表明一旦钙钛矿达到至少十年的可用寿命,由于其较低的初始成本,将足以使其在经济上可行,成为大型公用事业规模太阳能农场的硅替代品。
他说,总体而言,钙钛矿的开发进展令人印象深刻,令人鼓舞。他说:“通过短短几年的工作,它已经实现了与碲化镉相当的效率。碲化镉存在的时间更长,但仍在努力实现这一水平。在这种新材料中达到这些更高的性能的容易程度几乎令人目瞪口呆。比较为实现1%的效率改进所花费的研究时间,钙钛矿的进展比碲化镉的进展快100到1000倍。这就是它如此令人兴奋的原因之一。”
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