串疊型電池與鈦金屬解析

太陽的光線出現(xiàn)在生活中的每一個地方，人們的生活已經(jīng)離不開太陽，太陽能不僅為植物生長提供光源，而且也能為人類提供能源，現(xiàn)在的光伏發(fā)電就是很大程度上利用了太陽能。作為最受歡迎的再生能源產(chǎn)業(yè)，太陽能領(lǐng)域競爭非常激烈，目前市占率最高的太陽能電池為多晶硅與單晶硅等硅晶電池，但長江后浪推前浪，新興的鈣鈦礦電池正虎視眈眈盯著市占第一的寶座。

美國布朗大學(xué)與內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校(UNL)組成的團(tuán)隊(duì)也致力于提升鈣鈦礦電池的性能，更找到取代有毒物質(zhì)──“鉛”的材料。鈣鈦礦電池具有便宜、制程容易的優(yōu)點(diǎn)，光電轉(zhuǎn)換效率也從2009年的3.81%，提升至可與硅晶電池比擬的22%，近期的研究更提升到26%，然而鈣鈦礦電池中的鉛物質(zhì)具有毒性，可能會對生物與環(huán)境產(chǎn)生危害，因此化學(xué)材料學(xué)家紛紛尋找如何替代鉛或是解毒的方式。

布朗大學(xué)電機(jī)教授NitinPadture表示，“目前鈣鈦礦的研究重點(diǎn)之一為尋找可替代鉛、無毒且穩(wěn)定的材料，我們則利用計(jì)算機(jī)模擬，認(rèn)為一種含銫、鈦和鹵素成分(溴或碘)的鈣鈦礦電池是個良好的候選材料，而目前我們正在測試他的屬性。”與其直接將鈣鈦礦電池取代硅晶電池，該團(tuán)隊(duì)試圖將兩者合二為一，制作出“串聯(lián)”太陽能電池。在電池設(shè)計(jì)中，鈣鈦礦薄膜位于硅層的上方，由于鈣鈦礦是半透明材質(zhì)，能讓一些光穿透至下方的硅層，兩者合作可將更多光轉(zhuǎn)換成電能。

鈣鈦礦與硅晶電池各有各的優(yōu)缺點(diǎn)，研究團(tuán)隊(duì)希望可藉由設(shè)計(jì)多層、不同能隙的材料來提升光電轉(zhuǎn)換效率，Padture表示，目前還不打算取代現(xiàn)有的硅晶技術(shù)，但團(tuán)隊(duì)正在努力提高它的性能，如果可以能制造出穩(wěn)定的無鉛串疊型電池，那我們就會是未來的贏家，而這種新材料看起來非常不錯。

研究人員制造出1.8伏特的寬能隙鈦-鈣鈦礦薄膜，該薄膜可以吸收更高能量的光子，其他光子則由底下的硅層吸收。雖然目前光電效率僅3.3%，遠(yuǎn)低于硅晶電池或是其他鈣鈦礦電池，但研究人員表示，此為首次嘗試的新材料，目前還有許多改進(jìn)的空間。美國史丹佛大學(xué)材料科學(xué)與工程教授Michael McGehee今年(2018)初也提出了類似的電池設(shè)計(jì)，根據(jù)他的研究，串疊型電池的效率比一般的硅電池高10%，這可能是鈣鈦礦材料攻入市場的方式之一。

這也不是研究人員第一次尋找鉛的替代材料，但該團(tuán)隊(duì)表示這項(xiàng)鈦含量多，也更加防生銹，并且提供的電壓比其他材料還要多。在其他無鉛的材料實(shí)驗(yàn)中，開路電壓(Open-circuitvoltage)通常僅0.6伏特，而錫金屬則會遇到生銹的問題。開路電壓為電池在無負(fù)載的情況下，電池正負(fù)極之間的電壓。

Padture表示，此電壓通常用來評估太陽能電池材料的潛力，一開始就有如此高的電壓，未來應(yīng)該滿有前途的。太陽能雖然可以產(chǎn)生很大能量，但是現(xiàn)在的技術(shù)還不足以保證人類所有的運(yùn)轉(zhuǎn)，這就需要我們保護(hù)能源，從自己做起，從身邊的點(diǎn)滴做起，節(jié)約能源，是我們?nèi)祟惷恳粋€人應(yīng)盡的責(zé)任。