2014-09-04 | 編輯:Gillzyb 15762 瀏覽人次

鈣鈦礦電池:太陽能產業的新星

導言:美國國家可再生能源實驗室(National Renewable Energy Laboratory,NREL)發佈了截止2014年初各類太陽能電池轉換效率的最高紀錄。目前轉換效率的最高記錄是由夏普生產的聚光型三結太陽能電池創造的,高達44.4%。而本文要介紹的鈣鈦礦太陽能電池在統計時是17.9%,但實際上目前鈣鈦礦太陽能電池轉換效率已被提高到了19.3%。

從2009年到2014年的短短5年間,鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率從3.8%一下子躍升至19.3%,提高了5倍。其效率進步之快,成本之便宜,生產之容易,以至於被《科學》期刊評為2013年的10大科學突破之一。

那麼鈣鈦礦電池到底是什麼?為何能產生如此大的研究影響力呢?它真的是太陽能電池產業中的黑馬嗎?

1、鈣鈦礦是什麼?

(在俄羅斯庫薩發現的鈣鈦礦礦石,藏于哈佛自然歷史博物館Credit:La2O3(CCBY-SA3.0license))

鈣鈦礦,英文名perovskite,是一種普通的金屬有機化合物晶體,主要成分是鈦酸鈣(CaTiO3)。1839年德國礦物雪茄古斯塔夫•羅斯(GustavRose)在俄羅斯中部境內的烏拉爾山脈上發現了一塊特殊的岩石樣本,於是決定以他心中所崇拜的偉大地質學家Lev Perovsk 來明明這個礦石。

不過後來我們普遍指的鈣鈦礦電池(全稱:鈣鈦礦型甲胺鉛碘薄膜太陽能電池)並不是用這個礦石材料製成的,而是使用了與鈣鈦礦晶體結構相似的化合物。

2、鈣鈦礦的晶體結構:

(鈣鈦礦晶體結構示意圖)

鈣鈦礦的結構是ABX3的形式。這種結構在每個角共用一個BX6正八面體,其中B是金屬陽離子(Sn2+或Pb2+),X是一價陰離子(Cl-,Br-或I-)。鈣鈦礦中的陽離子A被用來抵消電荷使材料達到電中性,它可以是半徑較大鹼金屬離子等,甚至可以是一個分子。

這種奇特的晶體結構讓它具備了很多獨特的理化性質,比如吸光性、電催化性等等,在化學、物理領域有不小的應用。鈣鈦礦大家族裡現已包括了數百種物質,從導體、半導體到絕緣體,範圍極為廣泛,其中很多是人工合成的。太陽能電池中用到的鈣鈦礦(CH3NH3PbI3、CH3NH3PbBr3和CH3NH3PbCl3等)屬於半導體,有良好的吸光性。

3、鈣鈦礦的發展簡程:5年——從3.8%到19.3%

 


2009年——桐蔭橫浜大學的宮阪力(Tsutomu Miyasaka)通過將薄薄的一層鈣鈦礦(CH3NH3PbI3和CH3NH3PbBr3)當做吸光層應用於染料敏化太陽能電池,製造出了鈣鈦礦太陽能電池。當時的光電轉換率為3.8%。後來研究者對電池進行了改進,轉換效率一下翻了一倍。雖然轉換效率提高了,但還要面對一個致命問題,即鈣鈦礦中的金屬鹵化物容易在電池的液體電解質發生水解,導致電池穩定性低,壽命短。

2012年8月——由格拉茲爾(Grätzel)領導的韓國成均館大學與洛桑理工學院實驗室將一種固態的空穴傳輸材料(holetransportmaterials,HTM)引入太陽能電池,電池效率一下提高到了10%,也解決了電池不穩定的問題,也比以前更容易封裝。

2013年——牛津大學的亨利˙司奈斯(HenrySnaith)將電池中的TiO2用鋁材(Al2O3)代替,鈣鈦礦不僅成為了光的吸收層,也同時是傳輸電荷的半導體材料。鈣鈦礦電池的轉換效率一下攀升到15%。

2014年8月——加州大學洛杉磯分校的華裔科學家楊陽領導的研究團隊,在《科學》期刊上發表最新研究論文稱,他們通過改進鈣鈦礦結構層,選擇更適合傳輸電荷的材料,讓電池兩端的電極能收集更多的電,其轉換效率最高達到了19.3%,成為該領域之最。

4、鈣鈦礦電池的優勢:

轉換效率進步快——5年時間從3.8%升到19.3%,而2013年11月美國科學家在最新研究中發現,新式鈣鈦礦(CaTiO3)太陽能電池的轉化效率或可高達50%,為目前市場上太陽能電池轉化效率的2倍,這說明瞭它還有很大的潛力值得挖掘;

製作工藝簡單——實驗室中常採用液相沉積、氣相沉積工藝、液相/氣相混合沉積工藝;

發電成本低——甚至有可能會比火力發電還低。

建築一體化潛力——鈣鈦礦型電池屬於薄膜電池,目前主要就是沉積在玻璃上,還可以通過控制各層材料的厚度和材質來實現不同程度的透明度,當然效率也會降低,不過這類應用是值得嘗試的。例如牛津大學的實驗室已經可以做出半透光(灰褐色)的電池。如果將採光與發電融為一體的太陽能電池開發順利,有望成為高樓大廈幕牆裝飾、車輛有色玻璃貼膜等的替代品。

5、鈣鈦礦電池的難題:

有毒——鈣鈦礦電池材料含有鉛,不過鉛跟其他類型電池含有的砷、鎵、碲、鎘相比,簡直就是小巫見大巫。而美國西北大學也已研發出一種用錫代替鉛的鈣鈦礦太陽能電池,不過這種電池的轉換效率還只有6%,目前處於研發初級階段,效率還有提升空間;

不穩定——鈣鈦礦中的鉛容易氧化揮發,而當晶體遇水時則易分解。如果我們使用鈣鈦礦電池發電,它很有可能滲出流到屋頂或土壤中;

壽命不長——目前,壽命最長的鈣鈦礦太陽能電池可達到1000小時,由華中科技大學和洛桑聯邦理工學院合作研發。而傳統晶矽電池壽命一般可達到25年,比鈣鈦礦電池長得多。

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