新型晶体材料有望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) 的研究人员最近宣布了一种新材料，该材料能够产生比目前用于制造太阳能电池板的主要材料硅多一倍的电力。

硅太阳能电池的局限性

硅太阳能电池的最高效率只有33%。

由于硅的带隙非常大，只有极少数价电子能从光子中获得足够的能量成为自由电子。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），它们的运动距离也只有10纳米。

自由电子经过上述距离后，会失去所有由光子（来自太阳）提供的能量。因此，硅太阳能电池的效率非常低，因为大部分接收到的光能都转化为了热能。

钙钛矿晶体材料溶液

为了克服这个问题，普渡大学化学系助理教授黄立白和他的同事们开发了一种基于显微镜和快速激光的新技术，用于追踪晶格中自由高能电子的距离和速度。

利用这项技术，他们得以记录多种不同材料的特性。最终，科学家们发现了一种暂命名为“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。

上述材料的特殊之处在于其晶体结构类似于钙钛矿（CaTiO3），钙钛矿是一种具有独特结构的化合物，其结构由围绕中心自由原子的“笼状”结构组成。在混合钙钛矿中，Pb 和 I 原子形成围绕中心 CH3NH3 团簇的“笼状”结构。正是这种钙钛矿结构使得自由电子能够行进更长的距离，并在能量完全耗尽之前保持更长时间的稳定存在。

黄女士更具体地描述道：“自由电子需要行进的距离至少等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值。此外，这些电子可以存活长达100皮秒，比硅长100倍。”

快速激光成像显示了晶格中自由电子的寿命。

来自美国国家可再生能源实验室 (NREL) 的报告合著者朱凯对研究结果感到兴奋：“这项研究表明，在标准的钙钛矿晶体薄膜中，携带能量的自由电子可以行进的距离大于或等于面板的厚度，这对于制造高效太阳能电池至关重要。这一信息也表明，利用钙钛矿结构开发太阳能电池的潜力非常巨大。”

然而，这种材料的一个缺点是使用了铅，一种对环境有害的元素。普渡大学的研究人员目前正致力于开发一种具有类似钙钛矿结构但不含铅的材料。最后一步是完善产品。朱先生总结道：“下一步是找到或开发出具有合适能级的合适材料或结构，以便提取这些自由电子，从而在二次电路中产生电流。这并非易事。”

据 Khoahoc.tv 报道