美國(guó)能源部(DOE)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)的研究人員報(bào)告說(shuō)，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池技術(shù)取得了重大突破，已接近其最高效率。

電池效率的提高歸功于一個(gè)新的化學(xué)式，同時(shí)也改善了太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)和光電性能。

鈣鈦礦是指通過(guò)化學(xué)作用形成的晶體結(jié)構(gòu)。與硅材料制成的太陽(yáng)能電池不同，鈣鈦礦電池具有柔韌性，預(yù)計(jì)制造成本更低。

隨著研究人員不斷改進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的效率穩(wěn)步提高。大多數(shù)的研究工作都集中在鉛基鈣鈦礦上。高效率、低帶隙的鈣鈦礦可以制造非常高效的全鈣鈦礦串聯(lián)太陽(yáng)能電池，其中每一層只吸收一部分太陽(yáng)光譜，并優(yōu)化配置轉(zhuǎn)換成電能的光。然而，低帶隙鈣鈦礦長(zhǎng)期以來(lái)由于巨大的能量損失和不穩(wěn)定性，限制了它們?cè)诖?lián)中的應(yīng)用。

NREL的科學(xué)家們通過(guò)替換鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中的部分鉛原子來(lái)縮小帶隙，使新改進(jìn)的低帶隙鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的效率達(dá)到20.5%。

在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中更換鉛可以縮小帶隙。但是，添加錫(sn)會(huì)產(chǎn)生其他問(wèn)題。錫的快速結(jié)晶和氧化在錫基鈣鈦礦薄膜中產(chǎn)生針孔等缺陷。

利用鈣鈦礦層的串聯(lián)太陽(yáng)能電池的理論最大效率可以超過(guò)30%。為了達(dá)到這個(gè)目的，低帶隙吸收層本身的效率必須在21%到23%之間。基于鉛-錫混合物的太陽(yáng)能電池的效率報(bào)告約為19%，相比之下，純鉛電池的效率為21%至24%。

為了抵消錫在混合物中的影響，NREL的科學(xué)家們引入了化合物GuaSCN。在發(fā)現(xiàn)7%的GuaSCN是顯著減少缺陷的最佳數(shù)量后，他們驗(yàn)證了這些發(fā)現(xiàn)，以另一個(gè)關(guān)鍵的方式使太陽(yáng)能電池更有效。太陽(yáng)能電池利用光“激發(fā)”電子來(lái)發(fā)電。電子保持激發(fā)的時(shí)間越長(zhǎng)，產(chǎn)生的電就越多。化學(xué)改性后的新的低帶隙材料使電子保持激發(fā)狀態(tài)超過(guò)1微秒，比以前報(bào)道的時(shí)間長(zhǎng)約5倍。

改進(jìn)的低帶隙單結(jié)太陽(yáng)能電池以其20.5%的效率，與傳統(tǒng)的寬帶隙鈣鈦礦電池耦合。研究人員獲得了25%的效率四端和23.1%的效率兩端鈣鈦礦薄膜串聯(lián)電池。

NREL的研究資金來(lái)自美國(guó)能源部的SunShot計(jì)劃、太陽(yáng)能技術(shù)辦公室和混合有機(jī)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體能源中心。