鈣鈦礦太陽(yáng)能電池

唐藝桐

摘 要：鈣鈦礦太陽(yáng)能電池是科學(xué)家們?cè)谧钚卵芯恐邪l(fā)現(xiàn)的一種鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的有機(jī)太陽(yáng)能電池，因?yàn)槠涑杀镜?，轉(zhuǎn)化率較高等優(yōu)點(diǎn)，逐漸受到大家關(guān)注，這種新產(chǎn)品的發(fā)現(xiàn)和對(duì)它的研究將對(duì)目前的太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)有著很大的促進(jìn)作用，但在它的研究和開發(fā)過(guò)程中，也存在著一些問題有待解決。

關(guān)鍵詞：鈣鈦礦；太陽(yáng)能電；池轉(zhuǎn)化率

一、鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的發(fā)展史

鈣鈦礦是一類具有特定晶體結(jié)構(gòu)的材料，對(duì)太陽(yáng)能電池的制造而言，這種結(jié)構(gòu)具有天然優(yōu)勢(shì)[1]然而，鈣鈦礦進(jìn)入人們視野雖已近兩個(gè)世紀(jì)。但是其可將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的能力直到2009年才被發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)日本桐蔭橫濱大學(xué)的Tsutomu Miyasaka將鈣鈦礦作為吸光層加入到染料敏化太陽(yáng)能電池設(shè)備中，效率達(dá)3.8%。研究人員很快意識(shí)到，鈣鈦礦不僅善于捕捉日光，還可以運(yùn)送電荷。

在材料研究學(xué)會(huì)會(huì)議上，美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校材料學(xué)家Yang報(bào)告稱，他的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)制造出效率為19.3%的太陽(yáng)能電池。他表示，其團(tuán)隊(duì)專注于對(duì)鈣鈦礦晶體缺陷的技術(shù)改善，以及設(shè)備中不同材料層之間接口的改進(jìn)。韓國(guó)成均館大學(xué)化學(xué)家Nam-Gyu Park表示，這些缺陷和界面問題通常會(huì)影響電荷，阻止其到達(dá)電極。對(duì)晶體增加方式的改進(jìn)令Park的團(tuán)隊(duì)所研制的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的效率達(dá)到了17.01%。[2]

幾年間，經(jīng)過(guò)研究團(tuán)隊(duì)的努力，對(duì)于鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的研究程度有著巨大的進(jìn)展，這種鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的有機(jī)太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)或可高達(dá)50%，能大幅降低太陽(yáng)能電池的使用成本。當(dāng)前市場(chǎng)上占主流的太陽(yáng)能電池以硅和碲化鎘為材料，達(dá)到目前的轉(zhuǎn)化效率歷時(shí)10多年，鈣鈦礦只花了短短4年時(shí)間的研究，有鑒于此，即使業(yè)界保守人士也對(duì)鈣鈦礦非?？春?。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的發(fā)展前景大好[3].

二、鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的優(yōu)勢(shì)

（一） 低成本

所謂低成本是指在商業(yè)方面，傳統(tǒng)硅基和其它高效太陽(yáng)能電池的加工設(shè)備昂貴、復(fù)雜工藝，而且能耗高。而且，在商業(yè)化的電池中必須用到鉛，這也不是一個(gè)重大的問題。為了合理地處理問題，我們換一個(gè)角度思考：假設(shè)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池年產(chǎn)能達(dá)1000吉瓦，那么需要的鉛也不到10000噸；相比之下，鉛酸蓄電池每年消耗的鉛高達(dá)4百萬(wàn)噸。第三個(gè)是穩(wěn)定性。有關(guān)電池儲(chǔ)存壽命的研究較少，目前僅有一個(gè)研究封裝的電池在45℃下最大功率光輻照時(shí)電池的工作情況。研究表明，500小時(shí)后電池的效率下降不到20%。這個(gè)結(jié)果非常令人鼓舞[4]。

（二）高效率

2009～2012 年間，鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率從 3.1%提升至 10.9%，2013 年實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的突破，一個(gè)又一個(gè)研究成果相繼出現(xiàn)在雜志與網(wǎng)站上，每一個(gè)成果都描述鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池的設(shè)計(jì)及光電轉(zhuǎn)換效率的轉(zhuǎn)折性提高。薩斯喀徹溫省大學(xué)化學(xué)家劉殿義（音譯） 以薄層 ZnO 部分取代TiO2，所制備的柔性三鹵化合物鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池具備超過(guò) 10%的轉(zhuǎn)換效率，剛性太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到 15.7%。而近年來(lái)，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)化率已經(jīng)達(dá)到50%，為目前市場(chǎng)上太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化效率的2倍[5]。

（三）環(huán)保

鈣鈦礦是一種陶瓷氧化物，最早被發(fā)現(xiàn)的此類氧化物是存在于鈣鈦礦石中的鈦鈣化合物。傳統(tǒng)硅晶太陽(yáng)能電池板因原材料硅土昂貴且制造過(guò)程會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重污染，學(xué)界和業(yè)界近年轉(zhuǎn)而研發(fā)鈣鈦礦太陽(yáng)能板，結(jié)果光電轉(zhuǎn)化效能兩年內(nèi)從 3%至 16%重大的科研突破，鈣鈦礦太能電池也因此被稱為太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的明日之星。

新型固態(tài)太陽(yáng)能電池是一塊由層材料組成的三明治，每一層都具有獨(dú)特的作用。第一層導(dǎo)電的玻璃，使太陽(yáng)光能進(jìn)入電池； 第二層是沉積在玻璃層之上的二氧化鈦，這兩層合在一起作為太陽(yáng)能電池前部的導(dǎo)電觸點(diǎn)； 接下來(lái)就是新款太陽(yáng)能電池的主角錫鈣鈦礦，這一層的主要作用是捕獲太陽(yáng)光。研究人員在一個(gè)充滿氮?dú)獾氖痔资讲僮飨鋬?nèi)制造這一材料，這種工作臺(tái)化學(xué)方法的目的是保護(hù)環(huán)境，避免錫鈣鈦礦被氧位于錫鈣鈦礦之上的是空穴傳輸層，這一層對(duì)于關(guān)閉電流并獲得功能性的電池至關(guān)重要，主要材料是一種吡啶分子。最后壓軸的是一薄層金。最終封裝的太陽(yáng)能電池厚度大約 1到 2微米，能放入空氣。測(cè)試表明，其光電轉(zhuǎn)化效率為 5.73%[6]。

三、鈦礦太陽(yáng)能電池的不足與問題

鈣鈦礦太陽(yáng)能電的發(fā)展的確又快又好，但是，發(fā)展的道路上還有許多問題是需要人們?nèi)ヅ鉀Q的。想制造出可用的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池還有很長(zhǎng)的路要走。首先，這種太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的電流很低。斯坦福大學(xué)的材料科學(xué)和工程學(xué)教授邁克爾˙邁克吉最近也表示：“鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在面市之前，還需要解決多個(gè)問題，之一是鈣鈦礦儲(chǔ)量不充足?！?/p>

四、對(duì)于鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的展望

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在研究與研制當(dāng)中，在這其間人們會(huì)遇到許許多多的問題，但是在科學(xué)家的不斷努力下，距離制造出可用的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的時(shí)間不會(huì)有多少了，假如，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池成功制造出來(lái)，無(wú)論是在它的成本，環(huán)保方面，都不會(huì)比現(xiàn)有的差，而且還會(huì)更好。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張瑋皓，彭曉晨，馮曉東 鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的研究進(jìn)展 [J] Vo1.33 No.8 Aug. 2014

[2] 石將建，衛(wèi)會(huì)云，吳會(huì)覺，羅艷紅，李冬梅，孟慶波 高效無(wú)空穴傳輸材料鈣鈦礦太陽(yáng)能電池異質(zhì)結(jié)特性研究 [J] 2014-04-20

[3] Research Cell Efficiency Records [EB/OL].[2014-04-30]

[4] Henry，snaith Science2013，342，317

[5] Research Cell Efficiency Records [EB/OL].[2014-04-30]

http：//www.nrel.gov/ncpv/images/efficiency chart.jpg

[6] 張瑋皓，彭曉晨，馮曉東 鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的研究進(jìn)展 [J] Vo1.33 No.8 Aug. 2014