工程研究人員將兩種新興技術結合起來用于下一代太陽能發(fā)電 - 并發(fā)現(xiàn)每種技術都有助于穩(wěn)定另一種太陽能發(fā)電。由此產(chǎn)生的混合材料是降低太陽能成本的重要一步，同時增加了可以使用的方式。多倫多大學工程研究人員將兩種新興技術結合起來用于下一代太陽能發(fā)電 - 并發(fā)現(xiàn)每種技術都有助于穩(wěn)定另一種太陽能發(fā)電。由此產(chǎn)生的混合材料是降低太陽能成本的重要一步，同時增加了可以使用的方式。

今天，幾乎所有的太陽能電池都是由高純硅制成的。這是一項成熟的技術，近年來由于規(guī)模經(jīng)濟，制造成本大幅下降。然而，硅的效率有上限。由Ted Sargent教授領導的團隊正在研究補充材料，通過吸收硅不能吸收光的波長來增強硅的太陽能捕獲潛力。

“我們實驗室追求的兩項技術是鈣鈦礦晶體和量子點，”Sargent說。“這兩種產(chǎn)品都適用于溶液加工。想象一下'太陽能墨水'可以印刷到柔性塑料上以制造低成本，可彎曲的太陽能電池。我們也可以將它們組合在硅太陽能電池的前面或后面以進一步提高效率。“

鈣鈦礦和量子點面臨的主要挑戰(zhàn)之一是穩(wěn)定性。在室溫下，某些類型的鈣鈦礦經(jīng)歷了3D晶體結構的調(diào)整，使其透明 - 它們不再完全吸收太陽輻射。

就其本身而言，量子點必須覆蓋在稱為鈍化層的薄層中。該層 - 僅一個分子厚 - 防止量子點彼此粘附。但是高于100℃的溫度會破壞鈍化層，導致量子點聚集或聚集在一起，破壞了它們收獲光的能力。

在今天發(fā)表在“自然”雜志上的一篇論文中，來自薩金特實驗室的一組研究人員報告了一種結合鈣鈦礦和量子點的方法，這種方法可以穩(wěn)定兩者。

“在我們這樣做之前，人們通常會分別試圖解決這兩個挑戰(zhàn)，”該論文的第一作者劉孟霞說。

“研究表明，混合結構的成功發(fā)展，包括鈣鈦礦和量子點，”現(xiàn)任劍橋大學博士后研究員的劉說。“這激發(fā)了我們考慮兩種材料相互穩(wěn)定的可能性，如果它們具有相同的晶體結構。”

劉和團隊建造了兩種混合材料。其中一個主要是量子點，按體積計約有15%的鈣鈦礦，設計用于將光轉(zhuǎn)化為電能。另一種主要是鈣鈦礦，體積小于15%的量子點，更適合將電轉(zhuǎn)化為光，例如，作為發(fā)光二極管(LED)的一部分。

該團隊能夠證明富含鈣鈦礦的材料在環(huán)境條件(25℃和30%濕度)下保持穩(wěn)定6個月，比僅由相同鈣鈦礦組成的材料長約10倍。對于量子點材料，當加熱到100℃時，納米顆粒的聚集比未用鈣鈦礦穩(wěn)定的情況低五倍。

“這證明我們的假設非常好，”劉說。“這是一個超出我們預期的令人印象深刻的結果。

新論文為這些混合材料可以增強穩(wěn)定性的想法提供了概念驗證。在未來，劉希望太陽能電池制造商將采取她的想法并進一步改進它們，以創(chuàng)造滿足與傳統(tǒng)硅相同標準的溶液處理太陽能電池。

“工業(yè)研究人員可以通過使用不同的化學元素來形成鈣鈦礦或量子點，”劉說。“我們已經(jīng)表明，這是一種改善這類結構穩(wěn)定性的有希望的策略。”

“鈣鈦礦作為太陽能材料具有巨大的潛力;但需要基本的解決方案將其轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定且堅固的材料，以滿足可再生能源領域的苛刻要求。”杰弗里·格羅斯曼說，他是環(huán)境系統(tǒng)的莫頓和克萊爾戈德和家庭教授，也是麻省理工學院材料科學與工程系的教授，他沒有參與這項研究。“多倫多的研究顯示了一條令人興奮的新途徑，可以促進穩(wěn)定的鈣鈦礦晶相的理解和成就。”

Liu將這一發(fā)現(xiàn)部分歸功于團隊中的協(xié)作環(huán)境，其中包括來自許多學科的研究人員，包括化學，物理學和她自己的材料科學領域。

“鈣鈦礦和量子點具有不同的物理結構，這些材料之間的相似性通常被忽視，”她說。“這一發(fā)現(xiàn)表明，當我們結合不同領域的想法時會發(fā)生什么。”