新型晶体材料可使太阳能电池效率翻倍

美国普渡大学和国家可再生能源实验室（NREL）的研究人员最近公布的一种新材料表明，它能够产生两倍于目前制造太阳能电池板的主要材料硅的电能。

硅太阳能电池的局限性

硅太阳能电池的最大效率仅为33%。

由于硅的带隙非常大，很少有价电子能够从光子中获得足够的能量变成自由电子。此外，在硅中，这些自由电子的寿命非常短（仅约1皮秒，即10-12秒），它们行进的距离也只有10纳米。

自由电子在经过整个飞行过程后，会损失掉光子（来自太阳）带来的所有能量。因此，硅太阳能电池的效率非常低，因为接收到的光能大部分都转化为热能。

钙钛矿晶体材料溶液

为了解决这个问题，普渡大学化学助理教授黄立白和他的同事开发了一种基于显微镜和快速激光的新技术来追踪晶格中携带能量的自由电子的距离和速度。

利用这项技术，他们能够记录许多不同材料的性质。科学家们最终发现了一种暂时命名为“混合钙钛矿”的材料。这种材料由铅 (Pb)、碘 (I) 和甲基铵 (CH3NH3) 组成。

混合钙钛矿材料的晶体结构。

该材料的特殊之处在于其晶体结构类似于钙钛矿（CaTiO3），钙钛矿是一种结构独特的化合物，由围绕中心自由原子的“笼子”组成。在混合钙钛矿中，Pb和I原子形成“笼子”，围绕位于中心的CH3NH3簇。正是这种钙钛矿结构使自由电子能够行进更长的距离，并在失去所有能量之前存活更长时间。

黄女士对此进行了更具体的描述：“自由电子需要行进的距离至少相当于太阳能电池板的厚度（才能发电），大约200纳米。这是新型钙钛矿材料能够达到的数字。此外，这些电子的存活时间可以达到100皮秒，比硅的存活时间长100倍。”

快速激光图像显示了晶格中自由电子的寿命。

报告合著者、美国国家可再生能源实验室（NREL）的朱凯对研究结果感到兴奋：“这项研究表明，在标准钙钛矿晶体薄膜中携带能量的自由电子可以行进大于或等于电池板厚度的距离，这对于制造高效的太阳能电池是必要的。这些信息也表明，利用钙钛矿结构开发太阳能电池的潜力非常大。”

然而，这种材料的一个缺点是它使用了铅，一种对环境有毒的元素。普渡大学的研究人员目前正在尝试开发一种具有类似钙钛矿结构但不含铅的材料。最终的细节是完善产品。“下一步是找到或开发具有合适能级的合适材料或结构，以提取这些自由电子，从而在次级电路中产生电流。这并非易事，”朱总结道。

据Khoahoc.tv报道