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第二十三期:钙钛矿太阳能电池——高效率低成本,上天入地可弯可直

时间:2022-04-28        来源:

人类对于太阳能的利用还不充分!


作为取之不尽、用之不竭的清洁能源,太阳能在未来的发展潜能巨大:如果把太阳光照射地球一小时的能量“全部”收集起来,够全人类使用一年!


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既然太阳的能量如此巨大,为什么没能取代化石能源?太阳能又该如何更高效利用


想要弄清楚这些问题,我们就需要先了解太阳能电池板的工作原理


01

太阳能电池 如何将光能转换成电能?


一个典型的硅晶太阳能电池,主要由以下几个部分叠合组成:


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当太阳照射电池板时,吸光层内部的电子通过光照获得了能量,部分带负电的电子离开始“活跃”起来,它们穿过电子传输层,在负极被收集。


同时,带正电的空穴向反方向传递,在正极被收集。当电池正负极导通,电子和空穴流动起来形成电流,从而实现了光能到电能的转换。


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在这一转换过程中,电池上面的减反射膜和下面的反光层也起到了至关重要的作用。


减反射膜可以有效减少入射太阳光在电池上表面的反射和散射;反光层可以反射穿透电池的太阳光,使得这部分太阳光被二次吸收利用。


总之,太阳能电池中的减反射膜和反光层可以有效地促进太阳光的吸收和利用,“激活”更多光生载流子,为能量转换提供源源不断的“动力”。


更重要的是:吸光层材料对太阳能的吸收转化效率,决定了太阳能电池光伏发电效率,是制备高效太阳能电池技术的关键因素


然而,过去几十年里,太阳能电池的对太阳光的吸收转化运用并不充分,很大原因在于吸光材料对于太阳能量的利用率不高。光电转换材料,制约了太阳能电池的进一步发展。


第一代太阳能电池所利用的光电转换材料主要是,这种间接带隙半导体,不能以最小的光能激发吸光层材料产生电流,所以光电转化效率不高;


第二代太阳能电池的光电转换材料升级,使用直接带隙半导体,例如砷化镓、碲化镉、铜铟镓锡等,尽管相比于第一代吸光材料而言,这种材料更加高效,但它们也面临制备成本高、材料纯度要求严苛的弊端。


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钙钛矿太阳能电池的构造与运行机理示意图


随着太阳能电池研发制备技术的升级,钙钛矿光电转换材料横空出世,成为太阳能电池领域的研究热点。


钙钛矿太阳能电池的发展虽然只有十余年的时间,但是它的光伏发电效率却能从3%提升至25.5%。相比于前几代光电转换材料,钙钛矿材料兼具了高效率和低成本制备的优势,未来潜能巨大。


02

钙钛矿太阳能电池 能直能弯 上天入地


钙钛矿究竟是一种什么物质呢?


我们在第20期【趣味科普】《无人驾驶汽车的“眼睛”,因为有了它更灵敏!》中有过介绍:它是一种ABX3晶型,以目前研究较多的金属卤素有机无机杂化钙钛矿为例,A为有机甲胺离子CH3NH3+ ,B为金属离子 (例如Pb2+, Sn2+),X为卤素离子 (例如Cl-,I- , Br-)。整个晶体是由金属离子被六个卤素离子包围所形成的类似正方体作为骨架结构,骨架中间插入无机或者有机离子。因此,钙钛矿指的不是特定材料,而是一种结构、一类物质。


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钙钛矿对光的吸收能力强,光谱吸收范围广,可以吸收全光谱可见光,并且能在温和条件下实现溶液法低成本的制备,这些特性都决定了,它是制备太阳能电池的绝佳材料。


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CaTiO3矿石及钙钛矿材料的晶体结构


相比于前几代吸光材料而言,钙钛矿太阳能电池具备效率高、质量轻、成本低的三大优点,这些优点使得钙钛矿太阳能电池的应用领域更加广泛。


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在航天领域,飞行器轻量化的重要性不言而喻,如果使用钙钛矿太阳能电池为飞行器提供动能,那么它将凭借自身质量轻的特点,为飞行器轻量化助力;


同时,它的柔性特质还能适应不同的弯曲弧度,能够让电池板与飞行器紧紧贴合。可以说,钙钛矿电池的应用,将会完美实现电池“上天入地、可弯可直”的期待。


太阳能电池正在升级,钙钛矿材料的应用才刚刚开始。或许在不久的未来,新能源取代化石能源并非妄想,未来科技,值得更多期待!


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