研究人员展示了太阳能电池构造的新范例

实验中制造的钙钛矿晶体的示意图。（艺术：菲利斯·麦克拉（Felice Macera）

一组研究人员使用结合铌酸钾和铌酸镍钡制造的钙钛矿晶体，实验证明了太阳能电池构造的新范例。

对于太阳能电池板，必须将尽可能多的光子中的每一滴能量拧干。这一目标已促使化学，材料科学和电子工程研究人员寻求提高光伏装置的能量吸收效率，但现有技术目前正在超越物理定律所设定的极限。

现在，宾夕法尼亚大学和德雷塞尔大学的研究人员已经通过实验证明了一种新的太阳能电池构造范例，这最终可能会使它们更便宜，更容易制造并且更有效地从太阳中收集能量。

这项研究由宾夕法尼亚大学艺术与科学学院化学系的安德鲁·M·拉珀教授和研究专家伊利亚·格林伯格以及工程与应用学院材料科学与工程系的彼得·K·戴维斯（Peter K.Davies）主持。科学，以及Drexel材料科学与工程系的Jonathan E. Spanier教授。

它发表在《自然》杂志上。

现有的太阳能电池都以相同的基本方式工作：它们吸收光，从而激发电子并使它们向某个方向流动。电子的这种流动是电流。但是，为了建立一致的运动方向或极性，太阳能电池需要由两种材料制成。一旦被激发的电子从吸收光的材料到将传导电流的材料越过界面，它就不会交叉返回，从而为方向指明方向。

拉普说：“但是，只有一小类材料，当您向它们照射光时，电子会沿一个特定方向发射，而不必从一种材料过渡到另一种材料。”“我们将其称为“整体”光伏效应，而不是现有太阳能电池中发生的“界面”效应。这种现象自1970年代就已为人所知，但我们不以这种方式制造太阳能电池，因为它们仅在紫外光中得到证明，而来自太阳的大部分能量都在可见光谱和红外光谱中。

寻找对可见光显示出整体光伏效应的材料将大大简化太阳能电池的构造。此外，这将是解决界面太阳能电池固有的效率低下问题的一种方法，即所谓的肖克利-奎塞尔极限（Shockley-Queisser limit），在这种极限下，由于电子等待从一种材料跃迁至另一种材料，光子中的部分能量会损失。

“想想光子是从太阳落下的，硬币就像是落在你身上，而不同频率的光像便士，镍币，角钱等等。Rappe说：“您的光吸收材料的质量称为其“带隙”，它决定了您可以捕获的面额。“ Shockley-Queisser限制说，您所捕获的任何东西都只有带隙允许的最低面额一样有价值。如果选择带隙能捕获硬币的材料，则可以捕获硬币，硬币和银元，但是捕获它们时，它们的能量价值仅相当于10美分。

他说：“如果将限制设置得太高，则与选择较低面额的光子相比，每个光子可能会获得更多的价值，但总体上捕获的光子会更少，并且变得更糟。”“将能带隙设置为仅捕获银元，就像只能捕获紫外线一样。”将其设置为可捕获四分之一就像向下移动到可见光谱中。即使您损失了从紫外线中获得的大部分能量，您的产量也会更高。

由于没有已知的材料展现出可见光的整体光伏效应，因此研究团队求助于其材料科学专业知识，以设计出一种新的方式以及如何测量其特性。

从五年多以前开始，该团队开始了理论研究，绘制了可能具有这些特征的假设新化合物的特性图。每个化合物都以“母体”材料开始，该材料将赋予最终材料整体光电效应的极性。对于母体，将以不同的百分比添加会降低化合物带隙的材料。将这两种材料研磨成细粉，混合在一起，然后在烤箱中加热直至它们反应在一起。理想地，所得晶体将具有母体的结构，但在关键位置具有来自第二种材料的元素，从而使其能够吸收可见光。

戴维斯说：“设计上的挑战是确定能够保留其极性特性并同时吸收可见光的材料。理论计算指出了新的材料家族，在这种家族中，通常相互排斥的性能组合实际上可以得到稳定。”

这种结构称为钙钛矿晶体。大多数吸光材料具有对称的晶体结构，这意味着它们的原子以重复的方式排列在上，下，左，右，前和后。这种品质使这些材料成为非极性材料；从电子的角度来看，所有方向都“看起来”相同，因此没有流动的整体方向。

钙钛矿晶体具有相同的金属原子立方晶格，但是在每个立方体内部是氧原子的八面体，在每个八面体内部是另一种金属原子。这两个金属元素之间的关系可使它们偏离中心，使结构具有方向性并使其具有极性。

Rappe说：“所有好的极性或铁电材料都具有这种晶体结构。”“这看起来非常复杂，但是当您使用一种含有两种金属和氧气的材料时，它总是在自然中发生。这不是我们必须自己设计的东西。”

经过几次失败的尝试以物理方式生产出他们所理论化的特定钙钛矿晶体，研究人员成功地将铌酸钾，母体，极性材料和铌酸钡镍结合使用，这有助于最终产品的带隙。

研究人员使用X射线晶体学和拉曼散射光谱法来确保他们已经产生了想要的晶体结构和对称性。他们还研究了其可切换的极性和带隙，表明它们确实可以在可见光下产生大量的光电效应，从而有可能打破肖克利-奎塞尔极限。

此外，通过铌酸钡镍的百分比来调节最终产品的带隙的能力比界面太阳能电池增加了另一个潜在的优势。

“父母的带隙在紫外线范围内，” Spanier说，“但仅添加10％铌酸钡镍，带隙就会移至可见范围内，并接近有效转换太阳能所需的值。因此，这是一种可行的材料，随着我们添加的增加，带隙也会在可见范围内变化，这是另一个非常有用的特性。”

解决Shockley-Queisser限制在界面太阳能电池中造成的效率低下的另一种方法是，将多个具有不同带隙的太阳能电池有效地堆叠在一起。这些多结太阳能电池的顶层具有较高的带隙，可以捕获最有价值的光子，并让价值不高的光子通过。连续的层具有越来越低的带隙，从每个光子中获取最多的能量，但是增加了太阳能电池的整体复杂性和成本。

Rappe说：“我们利用整体光伏效应制造的材料系列贯穿了整个太阳光谱。”“因此，我们可以生长一种材料，但是随着我们的生长而逐渐改变其成分，从而产生一种性能类似于多结太阳能电池的单一材料。”

“这一系列材料。”Spanier说：“与以往有效的薄膜太阳能电池技术中使用的化合物半导体材料不同，它更便宜，因为它由廉价，无毒且富含地球的元素组成。”

这项研究得到了本·富兰克林技术合作伙伴能源商业化研究所，能源部基础科学办公室，陆军研究办公室，美国工程教育学会，海军研究办公室和国家科学基金会的支持。

高阳沟化学；材料科学与工程系的D. Vincent West，David Stein和Liyan Wu； Drexel的Maria Torres，Andrew Akbashev，Chennan Chen和Eric Gallo也为这项研究做出了贡献。

出版物：Ilya Grinberg等人，“用于吸收可见光的铁电和光伏材料的钙钛矿氧化物”，《自然》，2013年； doi：10.1038 / nature12622

图像：菲利斯·麦克拉