鈣鈦礦材料前景廣
時(shí)間：2020-12-01
閱讀：
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(xué)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(guān)注和追捧的要屬鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池投入市場(chǎng)以及大規模應用指日可待，并有望引領(lǐng)未來(lái)太陽(yáng)能電池市場(chǎng)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(yáng)能電池
阿卜杜拉國王科技大學(xué)（KAUST）采用鈣鈦礦納米晶體進(jìn)行照明和數據通信
瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院采用鈣鈦礦材料進(jìn)行數據存儲
雖然鈣鈦礦的發(fā)展潛力巨大，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(chēng)為“陷阱（traps）”，將引起電子在其能量能被利用之前產(chǎn)生“遲滯效應”。電子在太陽(yáng)能電池材料中運動(dòng)得越方便，材料將光子（光的粒子）轉化電力的效率就會(huì )越高。另外一個(gè)問(wèn)題，就是在遭到光線(xiàn)照射時(shí)，離子會(huì )在太陽(yáng)能電池中移動(dòng)，從而引起能帶隙（bandgap）的變化，即材料吸收的光線(xiàn)顏色會(huì )發(fā)生變化。
創(chuàng )新
近日，英國劍橋大學(xué)（University of Cambridge ）領(lǐng)導的國際科研團隊發(fā)現，碘化鉀的加入可以修復缺陷，阻止離子運動(dòng)，提升低成本鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的效率。這種新一代的太陽(yáng)能電池可以作為效率提升層，放置于現有的硅基太陽(yáng)能電池頂部，或者制作成單獨的太陽(yáng)能電池或者彩色LED。研究結果發(fā)表于《自然（Nature）》雜志。
技術(shù)：這項研究中用到的太陽(yáng)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(kāi)發(fā)歷史，但是現在從光電轉換效率方面來(lái)說(shuō)，它們可與商用的薄膜光伏技術(shù)相媲美。鈣鈦礦廉價(jià)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(yáng)能電池和照明。
研究的領(lǐng)頭人、劍橋大學(xué)卡文迪什實(shí)驗室的博士 Sam Stranks 表示：“迄今為止，我們還沒(méi)能使得這些材料穩定地達到我們想要的能帶隙，所以我們一直嘗試通過(guò)調整鈣鈦礦層的化學(xué)成分，阻止離子運動(dòng)。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(zhì)上以逆向方式運行的“太陽(yáng)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(xué)成分。這種技術(shù)兼容卷對卷制程（roll-to-roll processes），這意味著(zhù)它是廉價(jià)且可擴展的。碘化鉀在鈣鈦礦的頂部形成一個(gè)“裝飾”層，可以修復缺陷，使得電子運動(dòng)得更加自由，同時(shí)也限制了離子的運動(dòng)，從而使得材料在期望的能帶隙條件下更加穩定。
價(jià)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(yáng)能電池頂層或者和配合另外一層鈣鈦礦使用（因此稱(chēng)為“疊層太陽(yáng)能電池”）。硅疊層太陽(yáng)能電池很可能是鈣鈦礦首個(gè)大規模應用。通過(guò)添加一層鈣鈦礦，光線(xiàn)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(huì )“地平線(xiàn)2020”項目的贊助。他說(shuō)：“通過(guò)鉀，我們使得疊層太陽(yáng)能電池中的鈣鈦礦能帶隙變成我們期望的那樣穩定，并使得它們更多地發(fā)光，這意味著(zhù)太陽(yáng)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(shí)驗室的博士生、論文的第一作者 Mojtaba Abdi-Jalebi 表示：“我們發(fā)現鈣鈦礦對添加劑非常寬容，你可以增加新成分，它們會(huì )變得更好。與其他光伏技術(shù)不同，我們無(wú)需添加額外一層來(lái)提高性能，只需將添加劑簡(jiǎn)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定性，光電轉換效率達21.5%，與目前zui佳的鈣鈦礦基太陽(yáng)能電池相似，而且接近硅基太陽(yáng)能電池的實(shí)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(shí)際極限是35%，這兩個(gè)值都高于目前硅的實(shí)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(guān)注和追捧的要屬鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池投入市場(chǎng)以及大規模應用指日可待，并有望引領(lǐng)未來(lái)太陽(yáng)能電池市場(chǎng)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(yáng)能電池
阿卜杜拉國王科技大學(xué)（KAUST）采用鈣鈦礦納米晶體進(jìn)行照明和數據通信
瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院采用鈣鈦礦材料進(jìn)行數據存儲
雖然鈣鈦礦的發(fā)展潛力巨大，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(chēng)為“陷阱（traps）”，將引起電子在其能量能被利用之前產(chǎn)生“遲滯效應”。電子在太陽(yáng)能電池材料中運動(dòng)得越方便，材料將光子（光的粒子）轉化電力的效率就會(huì )越高。另外一個(gè)問(wèn)題，就是在遭到光線(xiàn)照射時(shí)，離子會(huì )在太陽(yáng)能電池中移動(dòng)，從而引起能帶隙（bandgap）的變化，即材料吸收的光線(xiàn)顏色會(huì )發(fā)生變化。
創(chuàng )新
近日，英國劍橋大學(xué)（University of Cambridge ）領(lǐng)導的國際科研團隊發(fā)現，碘化鉀的加入可以修復缺陷，阻止離子運動(dòng)，提升低成本鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的效率。這種新一代的太陽(yáng)能電池可以作為效率提升層，放置于現有的硅基太陽(yáng)能電池頂部，或者制作成單獨的太陽(yáng)能電池或者彩色LED。研究結果發(fā)表于《自然（Nature）》雜志。
技術(shù)：這項研究中用到的太陽(yáng)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(kāi)發(fā)歷史，但是現在從光電轉換效率方面來(lái)說(shuō)，它們可與商用的薄膜光伏技術(shù)相媲美。鈣鈦礦廉價(jià)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(yáng)能電池和照明。
研究的領(lǐng)頭人、劍橋大學(xué)卡文迪什實(shí)驗室的博士 Sam Stranks 表示：“迄今為止，我們還沒(méi)能使得這些材料穩定地達到我們想要的能帶隙，所以我們一直嘗試通過(guò)調整鈣鈦礦層的化學(xué)成分，阻止離子運動(dòng)。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(zhì)上以逆向方式運行的“太陽(yáng)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(xué)成分。這種技術(shù)兼容卷對卷制程（roll-to-roll processes），這意味著(zhù)它是廉價(jià)且可擴展的。碘化鉀在鈣鈦礦的頂部形成一個(gè)“裝飾”層，可以修復缺陷，使得電子運動(dòng)得更加自由，同時(shí)也限制了離子的運動(dòng)，從而使得材料在期望的能帶隙條件下更加穩定。
價(jià)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(yáng)能電池頂層或者和配合另外一層鈣鈦礦使用（因此稱(chēng)為“疊層太陽(yáng)能電池”）。硅疊層太陽(yáng)能電池很可能是鈣鈦礦首個(gè)大規模應用。通過(guò)添加一層鈣鈦礦，光線(xiàn)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(huì )“地平線(xiàn)2020”項目的贊助。他說(shuō)：“通過(guò)鉀，我們使得疊層太陽(yáng)能電池中的鈣鈦礦能帶隙變成我們期望的那樣穩定，并使得它們更多地發(fā)光，這意味著(zhù)太陽(yáng)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(shí)驗室的博士生、論文的第一作者 Mojtaba Abdi-Jalebi 表示：“我們發(fā)現鈣鈦礦對添加劑非常寬容，你可以增加新成分，它們會(huì )變得更好。與其他光伏技術(shù)不同，我們無(wú)需添加額外一層來(lái)提高性能，只需將添加劑簡(jiǎn)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定性，光電轉換效率達21.5%，與目前zui佳的鈣鈦礦基太陽(yáng)能電池相似，而且接近硅基太陽(yáng)能電池的實(shí)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(shí)際極限是35%，這兩個(gè)值都高于目前硅的實(shí)際效率極限。
