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阿贡实验室:廉价的新太阳能电池板材料可以改变游戏规则

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独特的太阳能电池板设计与新的陶瓷材料指出的方式潜在提供可持续的电力更便宜,更有效率,并要求更少的制造时间。它还达到了一个四十年的目标,即发现一种可以利用可见光和红外光的能量而不仅仅是紫外光的大量光电材料。

从其平板电脑原型到全尺寸太阳能电池板,将这一新设计扩大规模将是使太阳能发电与其他生产电力相比付出更大代价的重大举措。这也将有助于该国实现建立一个通过风能和太阳能获得三分之一电力的国家电网的目标。

由于这种新材料的早期测试是由宾夕法尼亚大学和德雷克塞尔大学的科学家领导的团队开发的,所以这种经济实惠的太阳能未来可能比我们想象的要近。测试部分在位于美国能源部阿贡国家实验室的Advanced Photon Source进行。

该团队创造了一个新的类陶瓷材料,有三个主要的好处。首先,通过使用一种材料来完成两项工作,它可以生产比目前硅基市场领先者更薄的太阳能电池板。其次,它使用比当前高端薄膜太阳能电池板更便宜的材料。第三,材料是铁电材料,这意味着它可以切换极性,这是超过当今太阳能电池材料的理论能量限制的一个关键特性。

太阳能电池板效率低下的部分原因是,从太阳采集的颗粒进入太阳能电池并向四面八方传播。让他们全部流向一个方向通常需要不同的通道材料层。每次在这些层之间通过的粒子都会丢失,从而降低太阳能电池的能量效率。该团队的新设计使用较少的层数来限制损耗,并使用铁电材料来消耗更少的能量来传输颗粒。

花了超过五年的时间来模拟和设计一个具有这种属性组合的材料。这种材料使用由铌酸钾和铌酸铌镍组合而成的钙钛矿晶体。与当今的经典铁电材料相比,它已经有了显着的改进。新材料可以吸收六倍的能量,传输50倍的光电流。科学家说,进一步调整材料的组成应该能够提高效率。

“这个材料系列更加引人注目,因为它包含廉价,无毒和稀土元素,不像目前用于高效薄膜太阳能电池技术的化合物半导体材料,”Jonathan Spanier说。来自德雷克塞尔材料科学与工程系的成员。

上个月在“自然”杂志上发表的一篇论文“可见光吸收铁电和光电材料的钙钛矿氧化物”中概述了这一工作。

研究人员在APS的第11区使用X射线晶体学和粉末衍射来确保材料具有其预期的晶体结构和对称性。该仪器及其独特的邮寄程序能够方便快捷地获取北美地区最高分辨率的粉末衍射数据,为这种陶瓷材料的原子结构提供了非常详细和准确的图像。

使用一套实验工具,研究小组展示了该材料能够在一个方向上移动能量,而不会跨越层,从而将能量损失降至最低。这种称为体光伏效应的能力从20世纪70年代就已经被人们所知,但是直到现在才在紫外线下才能观察到,大部分来自太阳的能量都在可见光和红外光谱中。

通过调整这种新材料中组分元素的百分比,研究小组证明他们可以减少诱导传导所需的能量,这个能级称为带隙。 “Spanier说,”母材的能带隙在紫外线范围内,但只增加铌酸钡镍的10%,能带隙进入可见光范围,接近所需的高效太阳能转换值。

本研究由宾夕法尼亚大学艺术与科学学院化学系Andrew Rappe教授和研究专家Ilya Grinberg以及工程与应用科学学院材料科学与工程系Peter Davies主持,和来自德雷克塞尔大学的西班牙人。

美国能源部科学办公室支持使用APS。本研究得到了本富兰克林技术合作伙伴能源商业化研究所,能源部基础科学办公室,陆军研究办公室,美国工程教育学会,海军研究办公室和国家科学基金会的支持。此外,研究人员利用劳伦斯伯克利国家实验室的国家能源研究计算中心,也得到了美国能源部科学办公室的支持。



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