一類稱為鈣鈦礦的材料已成為硅的有前途的替代品，用于制造廉價(jià)且高效的太陽(yáng)能電池。但是，盡管他們的承諾，鈣鈦礦并非沒(méi)有缺點(diǎn)。大多數(shù)含有高毒性的鉛，并且包括在暴露于環(huán)境時(shí)不是特別穩(wěn)定的有機(jī)材料。

現(xiàn)在，布朗大學(xué)和內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校(UNL)的一組研究人員提出了一種新的鈦基材料，用于制造無(wú)鉛無(wú)機(jī)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。在一篇發(fā)表在Joule雜志上的論文中，研究人員表示，該材料可以成為一個(gè)很好的候選者，特別是制造串聯(lián)太陽(yáng)能電池 - 鈣鈦礦電池放置在頂部的安排硅或其他已建立的材料，以提高整體效率。

“鈦是一種豐富，強(qiáng)大且具有生物相容性的元素，到目前為止，在鈣鈦礦研究中一直被忽視，”新論文的高級(jí)作者Nitin Padture說(shuō)道，他是布朗工程學(xué)院的Otis E. Randall大學(xué)教授兼導(dǎo)演分子與納米科技創(chuàng)新研究所。“我們發(fā)現(xiàn)可以使用鈦基材料制造薄膜鈣鈦礦，并且該材料具有良好的太陽(yáng)能應(yīng)用性能，可以進(jìn)行調(diào)整。”

對(duì)于清潔能源的鈣鈦礦，一類具有特殊晶體結(jié)構(gòu)的材料的興趣出現(xiàn)在2009年，當(dāng)時(shí)它們被證明能夠?qū)⑻?yáng)光轉(zhuǎn)化為電能。第一個(gè)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率僅為4%左右，但迅速飆升至接近23%，與傳統(tǒng)的硅電池相媲美。鈣鈦礦提供了一些有趣的優(yōu)勢(shì)。與硅電池相比，它們的制造成本可能更低，并且它們可以部分透明，從而實(shí)現(xiàn)像窗戶那樣發(fā)電的新技術(shù)。

“鈣鈦礦研究的一個(gè)重點(diǎn)是遠(yuǎn)離鉛基材料并找到無(wú)毒且更穩(wěn)定的新材料，”Padture說(shuō)。“使用計(jì)算機(jī)模擬，我們?cè)赨NL的理論合作者預(yù)測(cè)，一類具有銫，鈦和鹵素成分(溴或/和碘)的鈣鈦礦是一個(gè)很好的候選者。下一步是實(shí)際制造使用該材料的太陽(yáng)能電池和測(cè)試它的屬性，這就是我們?cè)谶@里所做的。“

該團(tuán)隊(duì)制造的半透明鈣鈦礦薄膜具有1.8個(gè)電子伏特的帶隙 - 一種測(cè)量材料可吸收的光子的能級(jí) - 這被認(rèn)為是串聯(lián)太陽(yáng)能應(yīng)用的理想選擇。研究人員表示，該材料的轉(zhuǎn)換效率為3.3%，遠(yuǎn)低于鉛基電池，但是對(duì)于全新材料來(lái)說(shuō)是一個(gè)良好的開端。

“你可以做很多工程來(lái)提高效率，”周媛媛，布朗工程助理教授(研究)和研究合著者。“我們認(rèn)為這種材料有很大的改進(jìn)空間。”

陳敏，博士 布朗的材料科學(xué)學(xué)生和論文的第一作者，使用高溫蒸發(fā)方法來(lái)制備薄膜，但該團(tuán)隊(duì)正在研究替代方法。“我們也在尋找新的低溫和溶劑型方法，以降低電池制造的潛在成本，”他說(shuō)。

研究表明，與其他無(wú)鉛鈣鈦礦替代品相比，該材料具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。一種無(wú)鉛鈣鈦礦的競(jìng)爭(zhēng)者是一種主要由錫制成的材料，當(dāng)暴露在環(huán)境中時(shí)很容易生銹。手上的鈦是防銹的。鈦 - 鈣鈦礦還具有開路電壓 - 一個(gè)太陽(yáng)能電池可用總電壓的量度 - 超過(guò)一伏。其他無(wú)鉛鈣鈦礦通常產(chǎn)生小于0.6伏的電壓。

“開路電壓是我們可以用來(lái)評(píng)估太陽(yáng)能電池材料潛力的關(guān)鍵特性，”Padture說(shuō)。“因此，從一開始就擁有如此高的價(jià)值是非常有希望的。”

研究人員表示，與硅相比，材料相對(duì)較大的帶隙使其成為串聯(lián)太陽(yáng)能電池頂層的主要候選者。鈦 - 鈣鈦礦上層將吸收來(lái)自太陽(yáng)的較高能量的光子，由于其較小的帶隙，較低的硅層不能吸收。同時(shí)，較低能量的光子將通過(guò)半透明的上層被硅吸收，從而增加了電池的總吸收能力。

“對(duì)于鈣鈦礦而言，串聯(lián)電池是一種懸而未決的成果，”Padture說(shuō)。“我們現(xiàn)在還沒(méi)有考慮更換現(xiàn)有的硅技術(shù)，而是我們正在尋求提升它。所以如果你能制造一個(gè)穩(wěn)定的無(wú)鉛串聯(lián)電池，那么這就是勝利者。這種新材料看起來(lái)很不錯(cuò)候選人。”