美研制出能接到紫外线和热线的新星星的亮光伏
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电工电气网】讯

美国佩恩大学和德雷克塞尔大学联合宣布研发出太阳能电池的新模式。该模式不仅有望削减光伏电池的制造成本,令其更易于生产,还可提高其转换效率。

导读: 就太阳能电池板的功能而言,尽可能的将更多的光子转换为能源乃大势所趋。一直以来,化学、材料科学以及电子工程领域的研究人员孜孜不倦寻求提高光伏设备能源吸收的效率,不过当前技术仍受制于部分物理定律。

可制造能吸收紫外线、可见光和红外线的太阳能电池板

目前光伏电池均以同一种模式展开工作:吸收光线,再激发电子,令它们流向特定的方向。这种流动的电子被成为电流。然而,为了达成一致的路线或电极,太阳能电池的制作离不开两种材料:吸收光线的材料与导电的材料。一旦一个受激发的电子跨越前者到后者,就无法折回。

就太阳能电池板的功能而言,尽可能的将更多的光子转换为能源乃大势所趋。一直以来,化学、材料科学以及电子工程领域的研究人员孜孜不倦寻求提高光伏设备能源吸收的效率,不过当前技术仍受制于部分物理定律。

据物理学家组织网近日报道,美国科学家研制出了一种体光伏材料,用其制造的太阳能电池板成本低、效率高。40多年来,科学家们一直希望能研制出体光伏材料,其除了能利用紫外线的能量外,还能利用可见光和红外线的能量,新材料的问世终于让他们如愿以偿。

拉佩表示:“不过,世界上存在一小类材料,一旦受到光线的照耀,电子即流向某个特定的方向,无需从一种材料跨向另一种材料。”

日前,美国佩恩(Penn)大学和德雷克塞尔(Drexel)大学联合宣布研发出太阳能电池的新模式。该模式不仅有望削减光伏电池的制造成本,令其更易于生产,还可提高其转换效率。

新材料由宾夕法尼亚大学和德雷克赛尔大学的科学家携手研制而成,其有三大突出优势。首先,它制造出的太阳能电池板比目前占据市场主流的硅基太阳能电池板更薄。第二,其原材料比目前高端薄膜太阳能电池所用材料更便宜。第三,这种材料是铁电材料,这意味着其极性可打开也能关闭,有助于太阳能电池材料超越目前光电转化效率的理论限制。

新葡亰平台游戏网址,“我们称之为光伏本体效应,而非发生在现有光伏电池中的‘接口’效应。这类现象早于上世纪70年代被发现,不过我们并没有采用这类方式生产太阳能电池,因为最终证实这类效应只可将紫外光线转换为能源,而绝大部分能源来自太阳光线中的可见光与红外光谱。”

目前光伏电池均以同一种模式展开工作:吸收光线,再激发电子,令它们流向特定的方向。这种流动的电子被成为电流。然而,为了达成一致的路线或电极,太阳能电池的制作离不开两种材料:吸收光线的材料与导电的材料。一旦一个受激发的电子跨越前者到后者,就无法折回。

太阳能电池板低效的部分原因在于,从太阳那儿收集到的粒子进入太阳能电池后会四处散落。如果想让所有粒子都朝一个方向流动,需要多层不同的引导材料,粒子每通过一层材料都会损失一点,从而降低了太阳能电池的能效。新式材料制成的太阳能电池引导层更少,因此能量损失更小;而且,铁电材料引导粒子所耗费的能量也更少。

基于此,寻找一种存在于光伏本体效应中的材料即可大幅简化光伏电池的生产流程。而且,该方案还可规避“肖克利·奎伊瑟效率极限”,即在电子在排队等待跳跃的期间,部分光子的转换能源会丢失。

拉佩(Rappe)表示:“不过,世界上存在一小类材料,一旦受到光线的照耀,电子即流向某个特定的方向,无需从一种材料跨向另一种材料。”

科学家们历时5年才最终设计出这种新式材料,其由铌酸钾和铌酸钡镍组合而成的钙钛矿晶体构成。结果表明,其性能远胜目前的铁电材料且能吸收6倍多的太阳能。研究人员表示,进一步完善和调整该材料的组成将进一步提高能效。

拉佩声称:“想象一下,来自太阳的光子如雨般落在你身上,不同频率的光线就如同类型各异的货币:便士、镍币及硬币等。此时,吸收光线的材料可称为‘能带隙’——决定你最终获得的‘面额’。”

“我们称之为光伏本体效应,而非发生在现有光伏电池中的‘接口’效应。这类现象早于上世纪70年代被发现,不过我们并没有采用这类方式生产太阳能电池,因为最终证实这类效应只可将紫外光线转换为能源,而绝大部分能源来自太阳光线中的可见光与红外光谱。”

德雷克赛尔大学材料科学和工程学的乔纳森˙斯潘尼尔表示:“新材料令人惊奇,因为其由廉价无毒且含量丰富的元素组成,不像目前高效薄膜太阳能电池所使用的复合半导体材料。”

何谓“肖克利·奎伊瑟效率极限”?通俗的讲,你最终抓住的面值只能是能带隙可容纳的最低数值。目前光伏本体效应中并无合适的材料。凭借专业的材料积淀,研究小组已研制出一种新型模式,并已测量其属性。

基于此,寻找一种存在于光伏本体效应中的材料即可大幅简化光伏电池的生产流程。而且,该方案还可规避“肖克利·奎伊瑟效率极限”(Shockley-QueisserLimit),即在电子在排队等待跳跃的期间,部分光子的转换能源会丢失。

研究人员使用一套工具证明,新材料能让能量朝一个方向移动而非在层间交错而行,因此可将能量损失降低到最小。这种能力被称为体光伏效应,自从上世纪70年代就为科学家们所知,但直到现在,科学家们只在紫外线内观察到这种效应,而其实,太阳光的大多数能量位于可见光和红外线光谱内。借助新材料,他们终于在可见光和红外线内观察到了这一效应。

早在5年前,该研究小组就已启动理论工作,描绘出这一新型化合物的具体属性。每个化合物始于一个“母”材料,该材料向最终的材料注入光伏本体效应中的极性方面。所谓“母”材料,即能够削减化合物带隙的材料。

拉佩声称:“想象一下,来自太阳的光子如雨般落在你身上,不同频率的光线就如同类型各异的货币:便士、镍币及硬币等。此时,吸收光线的材料可称为‘能带隙’——决定你最终获得的‘面额’。”

而且,他们还证明,通过调整新材料组成成分的百分比,能减少该材料的能带隙。斯潘尼尔说:“这种材料的能带隙位于紫外线范围内,但只需增加10%的铌酸钡镍,就会让其能带隙进入可见光范围内并接近太阳能转化效率的理想值。”

随后,这两种材料均被研磨称细粉末,混合在一起,在炉中加热,直至两者发生化学反应。最终得到的结晶具有“母”材料的结构,但关键部位拥有来自最终材料的元素,从而使其能够吸收可见光。

何谓“肖克利·奎伊瑟效率极限”?通俗的讲,你最终抓住的面值只能是能带隙可容纳的最低数值。目前光伏本体效应中并无合适的材料。凭借专业的材料积淀,研究小组已研制出一种新型模式,并已测量其属性。

实验室中制作出的钙钛矿晶

早在5年前,该研究小组就已启动理论工作,描绘出这一新型化合物的具体属性。每个化合物始于一个“母”材料,该材料向最终的材料注入光伏本体效应中的极性方面。所谓“母”材料,即能够削减化合物带隙的材料。

“设计中面临的主要挑战即确定材料能否在吸收可见光的同时依然保留极性属性。”戴维斯说道,“据理论计算显示,新材料中互相排斥的属性组合其实能够趋于稳定。”

随后,这两种材料均被研磨称细粉末,混合在一起,在炉中加热,直至两者发生化学反应。最终得到的结晶具有“母”材料的结构,但关键部位拥有来自最终材料的元素,从而使其能够吸收可见光。

这是一种被成为“钙钛矿型晶体”的结构。绝大部分吸光材料都具有这种对称型的晶体结构——可令原子在固定的版图内反复上、下、左、右的移动。这类功能可令材料变成非极性,且从电子的角度而言,所有方向均看起来相似。因此,对于原子而言,并无一个终极流动的方向。

实验室中制作出的钙钛矿晶

钙钛矿晶体的金属原子均具有相同的立方晶格,每个晶格内包含一个八面结构的氧原子,而每个氧原子内却含有另一类型的金属原子。这两种金属元素之间的关系可令它们偏离中心,从而使得整个结构具有方向性——富有极性。

“设计中面临的主要挑战即确定材料能否在吸收可见光的同时依然保留极性属性。”戴维斯(Davis)说道,“据理论计算显示,新材料中互相排斥的属性组合其实能够趋于稳定。”

“所有好的极性或铁电体材料均具有这种晶体结构。”拉佩表示,“看似非常复杂,其实当你拥有一种含有两种金属元素及氧元素的材料之时,这类现象便会在大自然一直出现。”

这是一种被成为“钙钛矿型晶体”的结构。绝大部分吸光材料都具有这种对称型的晶体结构——可令原子在固定的版图内反复上、下、左、右的移动。这类功能可令材料变成非极性,且从电子的角度而言,所有方向均看起来相似。因此,对于原子而言,并无一个终极流动的方向。

经过数次特定钙钛矿型晶体生产失败之后,研究小组成功研制出包含铌酸钾、母材料、极性材料以及镍铌酸钡的具有带隙的终极产品。

钙钛矿晶体的金属原子均具有相同的立方晶格,每个晶格内包含一个八面结构的氧原子,而每个氧原子内却含有另一类型的金属原子。这两种金属元素之间的关系可令它们偏离中心,从而使得整个结构具有方向性——富有极性。

研究小组首先使用X射线晶体技术及拉曼散射技术来生产出对称型晶体结构。随后,他们调查该结构的可切换极性与带隙,明确该结构能够产生光伏体效应,增加打破肖克利·奎伊瑟效率极限”的可能性。

“所有好的极性或铁电体材料均具有这种晶体结构。”拉佩表示,“看似非常复杂,其实当你拥有一种含有两种金属元素及氧元素的材料之时,这类现象便会在大自然一直出现。”

此外,倘若最终产品带隙的大小能够受到镍铌酸钡百分比的影响,那么相比于界面太阳能电池,该产品的优势又增加了一项。

经过数次特定钙钛矿型晶体生产失败之后,研究小组成功研制出包含铌酸钾、母材料、极性材料以及镍铌酸钡的具有带隙的终极产品。

斯帕尼尔指出:“‘母’材料的带隙在紫外线范围之中。不过,只有增加10%的镍铌酸钡,带隙就会移向可见光范围,令转换效率接近理想的位置。这是一个可行的方案。随着我们增添更多的镍铌酸钡,带隙在可见光范围内仍可发生变化。”

研究小组首先使用X射线晶体技术及拉曼散射技术来生产出对称型晶体结构。随后,他们调查该结构的可切换极性与带隙,明确该结构能够产生光伏体效应,增加打破肖克利·奎伊瑟效率极限”的可能性。

另一个解决肖克利·奎伊瑟效率极限不利影响的方案即将数个带有不同带隙的太阳能电池有效有序的累积在一起。

此外,倘若最终产品带隙的大小能够受到镍铌酸钡百分比的影响,那么相比于界面太阳能电池,该产品的优势又增加了一项。

这些多结光伏电池具有高带隙的顶层,能够捕捉绝大多数有价值的光子。连续层的带隙愈来愈低,获得每个光子总绝大部分的能源。不过,这一切会增加整体的复杂性以及光伏电池的生产成本。

斯帕尼尔(Spanier)指出:“‘母’材料的带隙在紫外线范围之中。不过,只有增加10%的镍铌酸钡,带隙就会移向可见光范围,令转换效率接近理想的位置。这是一个可行的方案。随着我们增添更多的镍铌酸钡,带隙在可见光范围内仍可发生变化。”

“整个材料家族贯穿整个太阳能光谱。”拉佩解释道,“基于此,我们能够成长出一种材料,且慢慢的改变为化合物,从而令一个单一材料的性能类似于多结光伏电池。”

另一个解决肖克利·奎伊瑟效率极限不利影响的方案即将数个带有不同带隙的太阳能电池有效有序的累积在一起。

“材料家族这一成果非同凡响。”斯帕尼尔说道,“因为它包含廉价无毒且充足的元素——这点绝非目前运用于薄膜光伏电池技术中的化合物半导体材料可比。”

这些多结光伏电池具有高带隙的顶层,能够捕捉绝大多数有价值的光子。连续层的带隙愈来愈低,获得每个光子总绝大部分的能源。不过,这一切会增加整体的复杂性以及光伏电池的生产成本。

该研究由佩恩大学文理学院化学系教授Andrew M.Rappe及研究专员Ilya Grinberg领导,连同工程与应用科学部主席PeterK.Davies及德雷克塞尔大学材料科学与工程系教授Jonathan E.Spanier联合完成。论文报告已发表在《自然》杂志上。

“整个材料家族贯穿整个太阳能光谱。”拉佩解释道,“基于此,我们能够成长出一种材料,且慢慢的改变为化合物,从而令一个单一材料的性能类似于多结光伏电池。”

该研究受到本·富兰克林科技合作伙伴旗下的能源商业化机构、美国能源部旗下的基础科学办公室、美国陆军研究办公室、工程教育协会及海军研究办公室以及国家科学基金会联合支持。此外,化学系的Gaoyang Gou、材料科学与工程系的D.Vincent West、David Stein及Liyan Wu以及来自德雷克塞尔大学的Maria Torres、Andrew Akbashev、Guannan Chen以及Eric Gallo对此研究亦有贡献。

“材料家族这一成果非同凡响。”斯帕尼尔说道,“因为它包含廉价无毒且充足的元素——这点绝非目前运用于薄膜光伏电池技术中的化合物半导体材料可比。”

该研究由佩恩大学文理学院(Penn's Schoolof Artsand Sciences)化学系教授Andrew M.Rappe及研究专员Ilya Grinberg领导,连同工程与应用科学部主席PeterK.Davies及德雷克塞尔(Drexel)大学材料科学与工程系教授Jonathan E.Spanier联合完成。论文报告已发表在《自然》杂志上。

该研究受到本·富兰克林科技合作伙伴旗下的能源商业化机构、美国能源部旗下的基础科学办公室、美国陆军研究办公室、工程教育协会及海军研究办公室以及国家科学基金会联合支持。此外,化学系的Gaoyang Gou、材料科学与工程系的D.Vincent West、David Stein及Liyan Wu以及来自德雷克塞尔大学的Maria Torres、Andrew Akbashev、Guannan Chen以及Eric Gallo对此研究亦有贡献。

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