<p>在所有將國家能源供應(yīng)轉(zhuǎn)換為可再生能源的努力中，太陽能仍然只占美國發(fā)電量的不到3%。部分原因是生產(chǎn)太陽能電池的成本相對較高。</p> <p>&nbsp;</p> <p>降低生產(chǎn)成本的一種方法是開發(fā)使用比目前硅基電池更便宜的材料的太陽能電池。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，一些工程師將注意力集中在鹵化物鈣鈦礦上，這是一種人造材料，具有立方體狀的重復(fù)晶體。</p> <p>&nbsp;</p> <p>從理論上講，鈣鈦礦太陽能電池可以用比硅成本更低、更容易獲得的原材料制造;它們還可以使用更少的能源和更簡單的制造過程來生產(chǎn)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>但到目前為止，一個絆腳石是鈣鈦礦暴露在光和熱下會分解，這對于從太陽能中產(chǎn)生能量的設(shè)備來說尤其成問題。</p> <p>&nbsp;</p> <p>現(xiàn)在，由加州大學(xué)洛杉磯分校領(lǐng)導(dǎo)的一項國際研究合作已經(jīng)開發(fā)出一種在太陽能電池中使用鈣鈦礦的方法，同時保護(hù)鈣鈦礦不受導(dǎo)致其惡化的條件的影響。在《自然材料》雜志上發(fā)表的一項研究中，科學(xué)家們直接向鈣鈦礦中添加了少量的離子(帶電原子)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>他們發(fā)現(xiàn)，增強(qiáng)后的鈣鈦礦不僅在暴露于光和熱時更加耐用，而且還能更有效地將光轉(zhuǎn)化為電能。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;可再生能源是至關(guān)重要的，&rdquo;通訊作者楊陽說，他是加州大學(xué)洛杉磯分校薩繆利工程學(xué)院的工程學(xué)教授，加州大學(xué)洛杉磯分校加州納米系統(tǒng)研究所的成員。&ldquo;鈣鈦礦將成為游戲規(guī)則的改變者，因為它可以以硅不能的方式大規(guī)模生產(chǎn)，而且我們已經(jīng)確定了一種添加劑，可以使材料變得更好。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>鹵化物鈣鈦礦將光轉(zhuǎn)化為電的能力是由于其分子形成重復(fù)的立方體網(wǎng)格的方式。這種結(jié)構(gòu)是由帶相反電荷的離子之間的鍵結(jié)合在一起的。但是光和熱往往會導(dǎo)致帶負(fù)電荷的離子從鈣鈦礦中冒出來，這會破壞晶體結(jié)構(gòu)，降低材料的能量轉(zhuǎn)換性能。</p> <p>&nbsp;</p> <p>釹通常用于麥克風(fēng)、揚(yáng)聲器、激光器和裝飾玻璃。它的離子大小剛好可以嵌入立方鈣鈦礦晶體中，并且它們攜帶三個正電荷，科學(xué)家們假設(shè)這有助于將帶負(fù)電荷的離子固定在適當(dāng)?shù)奈恢谩?lt;/p> <p>&nbsp;</p> <p>研究人員在每10,000個鈣鈦礦分子中添加了大約8個釹離子，然后測試了這種材料在太陽能電池中的性能。使用增強(qiáng)鈣鈦礦的太陽能電池在最大功率下工作，并暴露在連續(xù)光照下超過1000小時，在將光轉(zhuǎn)換為電能方面保持了約93%的效率。相比之下，在相同條件下，使用標(biāo)準(zhǔn)鈣鈦礦的太陽能電池在300小時后失去了一半的能量轉(zhuǎn)換效率。</p> <p>&nbsp;</p> <p>圖中顯示了未改變的鈣鈦礦分子(左)與碘離子(紫色)遷移的結(jié)構(gòu);鈣鈦礦分子與釹離子(紅色)加入，以幫助保留碘離子。</p> <p><br />研究小組還在沒有任何設(shè)備充電的情況下對太陽能電池進(jìn)行連續(xù)照射，這加速了鈣鈦礦的降解。使用鈣鈦礦和釹的設(shè)備在超過2000小時后仍保留了84%的功率轉(zhuǎn)換效率，而使用標(biāo)準(zhǔn)鈣鈦礦的設(shè)備在此時間后沒有保留其效率。</p> <p>&nbsp;</p> <p>為了測試這種材料的耐高溫能力，研究人員將這兩種材料的太陽能電池加熱到華氏180度左右。增加鈣鈦礦的太陽能電池在2000多個小時后仍然保持了大約86%的效率，而標(biāo)準(zhǔn)的鈣鈦礦設(shè)備在這段時間內(nèi)完全失去了將光轉(zhuǎn)化為電能的能力。</p> <p>&nbsp;</p> <p>在之前許多旨在使鈣鈦礦更耐用的研究中，研究人員嘗試在材料上添加保護(hù)層，但這在很大程度上失敗了。增強(qiáng)材料本身的想法來自第一作者趙燁品，他是楊實驗室的博士后研究員。趙說，他的靈感來自于硅半導(dǎo)體生產(chǎn)中常用的一種技術(shù)&mdash;&mdash;加入少量其他化合物來改變材料的性質(zhì)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;離子傾向于穿過鈣鈦礦，就像高速公路上的汽車一樣，這導(dǎo)致材料分解，&rdquo;趙說。&ldquo;對于釹，我們發(fā)現(xiàn)了一個障礙，可以減緩運(yùn)輸速度，保護(hù)材料。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>楊說，這一進(jìn)展可以幫助鈣鈦礦太陽能電池在未來兩到三年內(nèi)進(jìn)入市場。</p> <p>&nbsp;</p> <p>加州大學(xué)洛杉磯分校這項研究的其他作者包括Shaun Tan、黃天一、王睿和薛晶晶，他們都獲得了博士學(xué)位;博士后研究員董孟、韓泰熙;博士生楊文欣、邢啟宇;最近獲得碩士學(xué)位的張安妮(Anni Zhang);大學(xué)生周一凡和張伊麗莎白。其他合著者來自土耳其馬爾馬拉大學(xué)、韓國成均館大學(xué)、中國大連理工大學(xué)和西湖大學(xué)、華盛頓州立大學(xué)、加州大學(xué)歐文分校和圣路易斯華盛頓大學(xué)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>這項研究得到了美國能源部、韓國國家研究基金會、中國國家自然科學(xué)基金會和土耳其科學(xué)技術(shù)研究委員會的資助。</p> <p>&nbsp;</p> <p>標(biāo)簽:研究|能源|可持續(xù)性|工程|科學(xué)</p> <p>&nbsp;</p> <blockquote> <p>注：本文由院校官方新聞直譯，僅供參考，不代表指南者留學(xué)態(tài)度觀點(diǎn)。</p> </blockquote>