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下一代太阳能电池的无毒替代品

2019-04-13 21:19:16来源:

研究人员已经证明了铅的无毒替代品如何成为下一代太阳能电池的基础。

来自剑桥大学和美国的研究人员使用理论和实验方法来证明铋 - 在元素周期表中位于铅旁边的所谓“绿色元素”可以用于低温 - 成本太阳能电池。他们在Advanced Materials杂志上发表的研究结果表明,含有铋的太阳能电池可以复制能够实现铅基太阳能电池卓越性能的特性,但没有相同的毒性问题。另一个研究小组后来的测试表明,基于铋的电池可以将光转化为能量,效率高达22%,这与目前市场上最先进的太阳能电池相当。

我们看到的覆盖田地和屋顶的大多数太阳能电池都是用硅制成的。尽管硅在将光转换成能量方面非常有效,但它具有非常低的“缺陷耐受性”,这意味着硅需要具有非常高的纯度水平,这使得其生产能量密集。

在过去的几年中,研究人员一直在寻找可以与硅相似或更好的水平,但不需要如此高的纯度水平,使其生产成本更低的材料。这些新材料中最有希望的一组称为混合卤化铅钙钛矿,这似乎是太阳能领域的一次革命。

钙钛矿太阳能电池除了价格便宜且易于生产外,在几年的时间内几乎与硅一样具有能量效率。然而,钙钛矿太阳能电池虽然具有巨大的潜力,但在科学界也备受争议,因为铅是其化学结构不可或缺的一部分。钙钛矿太阳能电池中含有的铅是否对人类,动物和环境构成了实际风险正在争论中,然而,一些科学家正在寻找可以替代钙钛矿太阳能电池中的铅而不会对性能产生负面影响的无毒材料。

“我们想知道为什么缺陷似乎不会像其他材料那样影响卤化铅 - 钙钛矿太阳能电池的性能,”剑桥卡文迪什实验室和材料科学与冶金部的Robert Hoye博士说。该论文的第一作者。“如果我们能够弄清楚它们的特殊性,那么也许我们可以使用无毒材料来复制它们的特性。”

剑桥研究人员与麻省理工学院,国家可再生能源实验室和美国科罗拉多矿业学院的同事合作,证明铋与元素周期表中的铅相邻,可能是铅的无毒替代品。在下一代太阳能电池中。被称为“绿色元素”的铋广泛用于化妆品,个人护理产品和药品中。像铅一样,它是一种重金属,但它是无毒的。

在这项研究中,Hoye及其同事研究了氧化铋,这是一种以前被研究用于太阳能电池和水分解的材料,但由于效率低而且因为它在液体电解质中降解而被认为不合适。研究人员使用理论和实验方法重新研究这种材料,以便在固态太阳能电池中使用。

他们发现碘氧化铋与卤化铅铌酸盐一样耐受缺陷。碘氧化铋在空气中也稳定至少197天,这是对一些卤化铅钙钛矿化合物的显着改进。通过将氧化铋光吸收剂夹在两个氧化物电极之间,它们能够显示出创纪录的性能,该装置将80%的光转换为电荷。

基于铋的装置可以使用普通的工业技术制造,这表明它们可以大规模且低成本地生产。

“铋碘氧化物具有适用于新型高效光吸收剂的所有物理属性,”共同作者,材料科学与冶金部的Judith Driscoll教授说。“我大约在五年前首次想到这种化合物,但是我们需要一支庞大团队的高度专业化的实验和理论技能来证明这种材料具有真正的实际潜力。”

“这项研究表明,早期关于碘氧化铋的理论并没有错,这些化合物确实有可能成为太阳能电池的成功者,”玛格达琳学院的初级研究员霍伊说。“我们只是在研究这些化合物可以做些什么。”

“以前,全球太阳能电池研究界一直在寻找能够复制钙钛矿缺陷耐受性的无毒材料,但在光伏性能方面却没有太大成功,”UCL的理论家David Scanlon博士说,他没有参与此项工作。工作。“当我看到这项工作时,我的团队根据光学特性计算出,碘氧化铋的理论极限效率为22%,与硅和最好的钙钛矿太阳能电池相当。我们可以通过以下方法获得更多建立这个团队的工作。“