作为最受欢迎的再生能源产业, 太阳能领域竞争非常激烈, 目前市占率最高的太阳能电池为多晶硅与单晶硅等硅晶电池, 但长江后浪推前浪, 新兴的钙钛矿电池正虎视眈眈盯着市占第一的宝座. 美国布朗大学与内布拉斯加大学林肯分校 (UNL) 组成的团队也致力于提升钙钛矿电池的性能, 更找到取代有毒物质── '铅' 的材料.
钙钛矿电池具有便宜, 制程容易的优点, 光电转换效率也从2009年的3.81%, 提升至可与硅晶电池比拟的22%, 近期的研究更提升到26%, 然而钙钛矿电池中的铅物质具有毒性, 可能会对生物与环境产生危害, 因此化学材料学家纷纷寻找如何替代铅或是解毒的方式.
布朗大学电机教授NitinPadture表示, '目前钙钛矿的研究重点之一为寻找可替代铅, 无毒且稳定的材料, 我们则利用计算机模拟, 认为一种含铯, 钛和卤素成分 (溴或碘) 的钙钛矿电池是个良好的候选材料, 而目前我们正在测试他的属性. '
与其直接将钙钛矿电池取代硅晶电池, 该团队试图将两者合二为一, 制作出 '串联' 太阳能电池. 在电池设计中, 钙钛矿薄膜位于硅层的上方, 由于钙钛矿是半透明材质, 能让一些光穿透至下方的硅层, 两者合作可将更多光转换成电能.
钙钛矿与硅晶电池各有各的优缺点, 研究团队希望可藉由设计多层, 不同能隙的材料来提升光电转换效率, Padture表示, 目前还不打算取代现有的硅晶技术, 但团队正在努力提高它的性能, 如果可以能制造出稳定的无铅串叠型电池, 那我们就会是未来的赢家, 而这种新材料看起来非常不错.
研究人员制造出1.8伏特的宽能隙钛- 钙钛矿薄膜, 该薄膜可以吸收更高能量的光子, 其他光子则由底下的硅层吸收. 虽然目前光电效率仅3.3%, 远低于硅晶电池或是其他钙钛矿电池, 但研究人员表示, 此为首次尝试的新材料, 目前还有许多改进的空间.
美国史丹佛大学材料科学与工程教授Michael McGehee今年 (2018) 初也提出了类似的电池设计, 根据他的研究, 串叠型电池的效率比一般的硅电池高10% , 这可能是钙钛矿材料攻入市场的方式之一.
这也不是研究人员第一次寻找铅的替代材料, 但该团队表示这项钛含量多, 也更加防生锈, 并且提供的电压比其他材料还要多. 在其他无铅的材料实验中, 开路电压 (Open-circuitvoltage) 通常仅0.6伏特, 而锡金属则会遇到生锈的问题.
开路电压为电池在无负载的情况下, 电池正负极之间的电压. Padture表示, 此电压通常用来评估太阳能电池材料的潜力, 一开始就有如此高的电压, 未来应该满有前途的.
