關(guān)于光伏中的鈣鈦礦-CIGS串聯(lián)太陽能電池新技術(shù)

你知道鈣鈦礦嗎?在科技的發(fā)展道路上，離不開能源的助力，特別是再科技飛速發(fā)展的今天，而地球上的能源有限，就需要科研人員不斷開發(fā)新能源，這就再當(dāng)下最需要研發(fā)太陽能的使用。

加州大學(xué)洛杉磯分校薩穆里分校工程學(xué)院的科學(xué)家剛剛發(fā)現(xiàn)了一種制造更薄但效率更高的太陽能電池板的方法，該方法能夠利用比現(xiàn)有太陽能電池和常規(guī)太陽能電池更多的太陽能。

所有光伏太陽能電池都依靠半導(dǎo)體(位于玻璃等電絕緣體和諸如銅之類的金屬導(dǎo)體之間的中間地層中的材料)將光能轉(zhuǎn)化為電能。來自太陽的光激發(fā)半導(dǎo)體材料中的電子，電子流入導(dǎo)電電極并產(chǎn)生電流。

提到鈣鈦礦太陽能電池，有人可能理所當(dāng)然地會想到鈣和鈦元素，有趣的是此類太陽能電池中既沒有鈣也沒有鈦。它得名于其中的吸光層材料：一種鈣鈦礦型物質(zhì)。鈣鈦礦是以俄羅斯礦物學(xué)家Perovski的名字命名的，最初單指鈦酸鈣(CaTiO3)這種礦物，后來把結(jié)構(gòu)為ABX3以及與之類似的晶體統(tǒng)稱為鈣鈦礦物質(zhì)。在今天介紹的鈣鈦礦太陽能電池中，陽離子A通常是有機(jī)離子CH3NH3+、C2H5NH3+等，B通常為二價金屬離子，如Pb2+、Sn2+等，X則為鹵素陰離子(Cl-、Br-、I-)。這種材料中既含有無機(jī)成分，又含有有機(jī)分子基團(tuán)，所以人們將這類材料稱作雜化鈣鈦礦材料。

新技術(shù)是鈣鈦礦-CIGS串聯(lián)太陽能電池，這意味著它由兩層組成。頂部是鈣鈦礦的薄層，鈣鈦礦是由碘和鉛制成的廉價材料。在先前的研究和試驗(yàn)中已經(jīng)證明了這種材料在捕獲太陽能量方面非常有效。將鈣鈦礦噴入由CIGS或銅，銦，鎵和硒化物制成的太陽能電池中。

近年來，二維RP層狀鈣鈦礦材料由于其優(yōu)越的穩(wěn)定性和光電性能而成為鈣鈦礦太陽能電池的研究熱點(diǎn)。目前，基于液相法制備的二維RP層狀鈣鈦礦薄膜均由多相混合量子阱結(jié)構(gòu)(MQW)組成，即目標(biāo)量子阱結(jié)構(gòu)與實(shí)際獲得的相結(jié)構(gòu)有很大不同。

鈣鈦礦太陽能電池是一種將光能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，其本質(zhì)是半導(dǎo)體二極管，發(fā)電原理也正是基于PN結(jié)的光生伏特現(xiàn)象。PN結(jié)是由一個N型摻雜區(qū)(N為Negative的字頭，這類半導(dǎo)體由于含有較高濃度的電子，帶負(fù)電而得此名)和一個P型摻雜區(qū)(P為Positive的字頭，這類半導(dǎo)體由于含有較高濃度的“空穴”，相當(dāng)于正電荷，帶正電而得此名)緊密接觸所構(gòu)成的，其接觸界面稱為異質(zhì)結(jié)界面(PN結(jié))。當(dāng)太陽光照射在半導(dǎo)體PN結(jié)上時，會激發(fā)形成空穴-電子對(激子)。

鈣鈦礦是一種具有與礦物鈣鈦氧化物(最早發(fā)現(xiàn)的鈣鈦礦晶體)相同的晶體結(jié)構(gòu)的材料。通常，鈣鈦礦化合物具有化學(xué)式ABX 3，其中“ A”和“ B”代表陽離子，X是與兩者鍵合的陰離子，大量不同的元素可以結(jié)合在一起形成鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。

新電池將來自太陽的22.4%的能量轉(zhuǎn)換為可用功率。這是鈣鈦礦-CIGS串聯(lián)太陽能電池的最高記錄。在美國能源部國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的獨(dú)立測試證實(shí)了這一結(jié)果。為了進(jìn)行比較，以前的記錄轉(zhuǎn)換效率僅為10.9%，低于傳統(tǒng)太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率，后者為11%至15%。

在接受太陽光照射時，鈣鈦礦層首先吸收光子產(chǎn)生電子-空穴對。由于鈣鈦礦材激子束縛能的差異，這些載流子或者成為自由載流子，或者形成激子。而且，因?yàn)檫@些鈣鈦礦材料往往具有較低的載流子復(fù)合幾率和較高的載流子遷移率，所以載流子的擴(kuò)散距離和壽命較長。例如，CH3NH3PbI3的載流子擴(kuò)散長度至少為100nm，而CH3NH3PbI3-xClx的擴(kuò)散長度甚至大于1μm。這就是鈣鈦礦太陽能電池優(yōu)異性能的來源。然后，這些未復(fù)合的電子和空穴分別別電子傳輸層和空穴傳輸層收集，即電子從鈣鈦礦層傳輸?shù)絋iO2等電子傳輸層，最后被FTO收集;空穴從鈣鈦礦層傳輸?shù)娇昭▊鬏攲?，最后被金屬電極收集，如下圖所示。當(dāng)然，這些過程中總不免伴隨著一些使載流子的損失，如電子傳輸層的電子與鈣鈦礦層空穴的可逆復(fù)合、電子傳輸層的電子與空穴傳輸層的空穴的復(fù)合(鈣鈦礦層不致密的情況)、鈣鈦礦層的電子與空穴傳輸層的空穴的復(fù)合。要提高電池的整體性能，這些載流子的損失應(yīng)該降到最低。

盡管鈣鈦礦前驅(qū)體溶液是嚴(yán)格按照化學(xué)計量比的方式配置，也難以在沉積的過程中直接形成目標(biāo)設(shè)計的純相量子阱薄膜。薄膜中夾雜的其他多相鈣鈦礦成分對鈣鈦礦器件的性能和穩(wěn)定性都有極大的負(fù)面影響。同時，二維本征結(jié)構(gòu)的光物理性質(zhì)被其他混雜相尤其是三維相所掩蓋。研究人員一直致力于制備純相二維鈣鈦礦薄膜，但是一直無法實(shí)現(xiàn)。

以上就是鈣鈦礦相關(guān)的太陽能電池解析，相信再過幾年到幾十年，當(dāng)人類利用太陽能的技術(shù)很成熟的時候，這樣就有了無窮盡的能源供給社會的使用，再當(dāng)下就需要研究者更加努力研究新技術(shù)。