鈣鈦礦材料前景廣
時間：2020-12-01
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鈣鈦礦是種與鈦酸鈣相同晶體結構的材料。相比以共棱、共面形式連接的結構，鈣鈦礦結構更加穩(wěn)定，有利于缺陷的擴散遷移。因此，鈣鈦礦也具備了許多異乎尋常的物理化學特性，例如電催化性、吸光性等等。
鈣鈦礦材料的應用前景非常廣，例如光通信、、、。目前，備受關注和追捧的要屬鈣鈦礦太陽能電池。鈣鈦礦太陽能電池投入市場以及大規(guī)模應用指日可待，并有望引領未來太陽能電池市場的新走向。
韓國蔚山國立科技研究所（UNIST）發(fā)明的鈣鈦礦太陽能電池
阿卜杜拉國王科技大學（KAUST）采用鈣鈦礦納米晶體進行照明和數(shù)據(jù)通信
瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院采用鈣鈦礦材料進行數(shù)據(jù)存儲
雖然鈣鈦礦的發(fā)展?jié)摿薮?，但是仍有一些因素阻礙了其效率和一致性。鈣鈦礦晶體結構中的小缺陷，也稱為“陷阱（traps）”，將引起電子在其能量能被利用之前產生“遲滯效應”。電子在太陽能電池材料中運動得越方便，材料將光子（光的粒子）轉化電力的效率就會越高。另外一個問題，就是在遭到光線照射時，離子會在太陽能電池中移動，從而引起能帶隙（bandgap）的變化，即材料吸收的光線顏色會發(fā)生變化。
創(chuàng)新
近日，英國劍橋大學（University of Cambridge ）領導的國際科研團隊發(fā)現(xiàn)，碘化鉀的加入可以修復缺陷，阻止離子運動，提升低成本鈣鈦礦太陽能電池的效率。這種新一代的太陽能電池可以作為效率提升層，放置于現(xiàn)有的硅基太陽能電池頂部，或者制作成單獨的太陽能電池或者彩色LED。研究結果發(fā)表于《自然（Nature）》雜志。
技術：這項研究中用到的太陽能電池是基于金屬鹵化物鈣鈦礦，它們是一組很有前途的離子半導體材料，只有短短幾年的開發(fā)歷史，但是現(xiàn)在從光電轉換效率方面來說，它們可與商用的薄膜光伏技術相媲美。鈣鈦礦廉價且易于在低溫條件下制造，這使得它們非常適合下一代太陽能電池和照明。
研究的領頭人、劍橋大學卡文迪什實驗室的博士 Sam Stranks 表示：“迄今為止，我們還沒能使得這些材料穩(wěn)定地達到我們想要的能帶隙，所以我們一直嘗試通過調整鈣鈦礦層的化學成分，阻止離子運動。這將使得鈣鈦礦可以作為多種鈣鈦礦電池或者彩色LED（從本質上以逆向方式運行的“太陽能電池”）使用。
在這項研究中，研究人員將碘化鉀添加到鈣鈦礦墨水中，這種墨水可自組裝到薄膜中，改變了鈣鈦礦層的化學成分。這種技術兼容卷對卷制程（roll-to-roll processes），這意味著它是廉價且可擴展的。碘化鉀在鈣鈦礦的頂部形成一個“裝飾”層，可以修復缺陷，使得電子運動得更加自由，同時也限制了離子的運動，從而使得材料在期望的能帶隙條件下更加穩(wěn)定。
價值：研究人員論證了，這種鈣鈦礦的能帶隙性能頗具前景，非常適合作為硅太陽能電池頂層或者和配合另外一層鈣鈦礦使用（因此稱為“疊層太陽能電池”）。硅疊層太陽能電池很可能是鈣鈦礦首個大規(guī)模應用。通過添加一層鈣鈦礦，光線中更廣范圍的光譜可被更有效地吸收。
Stranks 的研究受到了歐盟和歐洲研究理事會“地平線2020”項目的贊助。他說：“通過鉀，我們使得疊層太陽能電池中的鈣鈦礦能帶隙變成我們期望的那樣穩(wěn)定，并使得它們更多地發(fā)光，這意味著太陽能電池的效率將更高。它幾乎完全控制了鈣鈦礦中的離子和缺陷。”
卡文迪什實驗室的博士生、論文的第一作者 Mojtaba Abdi-Jalebi 表示：“我們發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦對添加劑非常寬容，你可以增加新成分，它們會變得更好。與其他光伏技術不同，我們無需添加額外一層來提高性能，只需將添加劑簡單地混合到鈣鈦礦墨水中。”
鈣鈦礦和鉀組成的器件在測試中顯示出良好的穩(wěn)定性，光電轉換效率達21.5%，與目前zui佳的鈣鈦礦基太陽能電池相似，而且接近硅基太陽能電池的實用效率極限（29%）。由兩層鈣鈦礦組成的、具有理想能帶隙的疊層電池的理論效率極限是45%，實際極限是35%，這兩個值都高于目前硅的實際效率極限。
鈣鈦礦材料的應用前景非常廣，例如光通信、、、。目前，備受關注和追捧的要屬鈣鈦礦太陽能電池。鈣鈦礦太陽能電池投入市場以及大規(guī)模應用指日可待，并有望引領未來太陽能電池市場的新走向。
韓國蔚山國立科技研究所（UNIST）發(fā)明的鈣鈦礦太陽能電池
阿卜杜拉國王科技大學（KAUST）采用鈣鈦礦納米晶體進行照明和數(shù)據(jù)通信
瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院采用鈣鈦礦材料進行數(shù)據(jù)存儲
雖然鈣鈦礦的發(fā)展?jié)摿薮?，但是仍有一些因素阻礙了其效率和一致性。鈣鈦礦晶體結構中的小缺陷，也稱為“陷阱（traps）”，將引起電子在其能量能被利用之前產生“遲滯效應”。電子在太陽能電池材料中運動得越方便，材料將光子（光的粒子）轉化電力的效率就會越高。另外一個問題，就是在遭到光線照射時，離子會在太陽能電池中移動，從而引起能帶隙（bandgap）的變化，即材料吸收的光線顏色會發(fā)生變化。
創(chuàng)新
近日，英國劍橋大學（University of Cambridge ）領導的國際科研團隊發(fā)現(xiàn)，碘化鉀的加入可以修復缺陷，阻止離子運動，提升低成本鈣鈦礦太陽能電池的效率。這種新一代的太陽能電池可以作為效率提升層，放置于現(xiàn)有的硅基太陽能電池頂部，或者制作成單獨的太陽能電池或者彩色LED。研究結果發(fā)表于《自然（Nature）》雜志。
技術：這項研究中用到的太陽能電池是基于金屬鹵化物鈣鈦礦，它們是一組很有前途的離子半導體材料，只有短短幾年的開發(fā)歷史，但是現(xiàn)在從光電轉換效率方面來說，它們可與商用的薄膜光伏技術相媲美。鈣鈦礦廉價且易于在低溫條件下制造，這使得它們非常適合下一代太陽能電池和照明。
研究的領頭人、劍橋大學卡文迪什實驗室的博士 Sam Stranks 表示：“迄今為止，我們還沒能使得這些材料穩(wěn)定地達到我們想要的能帶隙，所以我們一直嘗試通過調整鈣鈦礦層的化學成分，阻止離子運動。這將使得鈣鈦礦可以作為多種鈣鈦礦電池或者彩色LED（從本質上以逆向方式運行的“太陽能電池”）使用。
在這項研究中，研究人員將碘化鉀添加到鈣鈦礦墨水中，這種墨水可自組裝到薄膜中，改變了鈣鈦礦層的化學成分。這種技術兼容卷對卷制程（roll-to-roll processes），這意味著它是廉價且可擴展的。碘化鉀在鈣鈦礦的頂部形成一個“裝飾”層，可以修復缺陷，使得電子運動得更加自由，同時也限制了離子的運動，從而使得材料在期望的能帶隙條件下更加穩(wěn)定。
價值：研究人員論證了，這種鈣鈦礦的能帶隙性能頗具前景，非常適合作為硅太陽能電池頂層或者和配合另外一層鈣鈦礦使用（因此稱為“疊層太陽能電池”）。硅疊層太陽能電池很可能是鈣鈦礦首個大規(guī)模應用。通過添加一層鈣鈦礦，光線中更廣范圍的光譜可被更有效地吸收。
Stranks 的研究受到了歐盟和歐洲研究理事會“地平線2020”項目的贊助。他說：“通過鉀，我們使得疊層太陽能電池中的鈣鈦礦能帶隙變成我們期望的那樣穩(wěn)定，并使得它們更多地發(fā)光，這意味著太陽能電池的效率將更高。它幾乎完全控制了鈣鈦礦中的離子和缺陷。”
卡文迪什實驗室的博士生、論文的第一作者 Mojtaba Abdi-Jalebi 表示：“我們發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦對添加劑非常寬容，你可以增加新成分，它們會變得更好。與其他光伏技術不同，我們無需添加額外一層來提高性能，只需將添加劑簡單地混合到鈣鈦礦墨水中。”
鈣鈦礦和鉀組成的器件在測試中顯示出良好的穩(wěn)定性，光電轉換效率達21.5%，與目前zui佳的鈣鈦礦基太陽能電池相似，而且接近硅基太陽能電池的實用效率極限（29%）。由兩層鈣鈦礦組成的、具有理想能帶隙的疊層電池的理論效率極限是45%，實際極限是35%，這兩個值都高于目前硅的實際效率極限。
