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新发现!提升新一代太阳能电池效率又上一台阶!

来源:环亚新材料
物理学教授Seung-Hun Lee(左)和化学工程教授Joshua Choi正在调剂HOIPs的分子结构。来源:Dan Addison,交通年夜学。
2009年,研讨人员创造晰一种高能效的太阳能电池材料,叫做“HOIPs”,即一种有机-无机杂化钙钛矿,研讨人员一贯在极力懂得这些具有巨大潜力的材料在分子程度上发挥感染的反应机理,然后前进其机能的耐久性。
HOIPs的分量反常轻,而且运用灵活便当(实际上,它们涂在基板上就能够发挥感染,比如纸张和塑料制品),价钱低价,和传统的硅基电池一样高效,能够将光能转化为电能。根据以上这些特征,能够创造HOIPs反常合适于家庭、轻型车辆等的使用,如无人机和宇宙飞船,还能够为到偏僻地域的背包客或军事人员等供应电力。
以上都是HOIPs的利益。但有一个不太好的场所:HOIPs的晶体结构反常不安定,尤其是在温度会发作改变的景象下,这会导致材料的能量变换效能灵敏下降。问题就在于,太阳能电池里,光波激起电子活动然后发作电能,这就是这些材料进行能量变换的道理,然则,从长远来看,不管使用那种能量,电子坚持激起态的接连韶光不足以供电。
HOIPs是一种具有巨大潜力的完善材料,但还有些需要完美的场所。弗吉尼亚年夜学的两名研讨人员正致力于改变这一近况。
在比来揭橥在美国科学院学报的一篇论文中,物理学家seung-hun Lee和化学工程师Joshua Choi详细描写了在HOIPs中赓续改变的分子是若何使带电的电子坚持安定而不必散的,然后能够使这种材料的能量变换效能更高。
“这一创造使我们找到了能更好地操纵HOIPs然后使效能更高的途径,以及在赓续改变的条件下更耐久地坚持较高效能的方法,”Choi说。Lee说:“症结在于找到合适的方法,使这些分子改变的结果最年夜化,然后延伸电子寿数。”
Lee和Choi使用前辈的显微勘探配备和丈量技巧,联合高机能盘算机仿照技巧,对材料的分子结构改变进行了过细的不雅观观察。
他们说,这一创造启发了辨认和拓荒新材料更简洁的方法,使材料能够更好地在年夜的温度改变规划内坚持效能——这是当时使这类轻质材料在改变的条件和状况中较长韶光较好地作业时存在的妨碍之一。
李说:“太阳发作的能量是最丰盛的可再生动力,而且它根本上能够说是永久的。研制经济型太阳能技巧关于人类在地球和其他场所的耐久富贵是至关首要的。”
研讨人员研讨创造晰扩展太阳能电池坚持安定的温度规划的方法。
虽然太阳能有为全世界供应能量的潜力-太阳能是世界上最丰盛的可再生动力,但今朝世界上只要约1%的动力是经由进程太阳能电池技巧完成的。这是由于太阳能电池的分娩本钱很高,而且跟着韶光的推移,太阳能电池的效能年夜多会下降。
出于这个原因,科学家们正在继续寻觅能够或许打败这些缺陷的新式太阳能电池材料。最有希望的材料是2009年创造的一种材料:有机-无机钙杂化钛矿(HOIPs)。
与传统的硅基电池比较,这种材料反常简洁和灵活,且分娩本钱不高。HOIPs的太阳能转化成电能的效能为22%(或更高),挨近硅电池的动力分娩效能的25%。此外,其独特之处在于,它能够像一种薄的喷淋或油漆涂层一样运用在产品外面上,能够衔接在不合的设置和运用场所,从屋顶到轿车再到背包,都能够使用。
然则,总有一个“然则”——HOIPs在某种水平上是不安定的,由于它们在质量上的降解速度适当快,而且特别容易遭到温度改变的影响。这是由于当温度改变时,这些材料的原子结构会发作改变,只要特定类型的分子结构能够作为太阳能电池——有才能从阳光中捕捉能量并将其转化为电能。
虽然如斯,弗吉尼亚年夜学的科学家和工程师们,以及NIST的中子研讨中心、橡树岭国度实验室和康奈尔年夜学的搭档们,现已对太阳能电池在各类“结构相变”中的作业的道理背面所荫蔽的根本物理学的懂得上取得了新的发展。
10月21日揭橥在Science Advances杂志上的一篇论文详细论说了他们的创造。他们在论文中指出了却构中的有机分子若安在相变发作的进程中起感染,并指出了这一感染的症结性。
经由进程用微中子散射实验和盘算机仿照的方法,他们现已找到了在温度改变进程中显着扩展太阳能电池所需结构坚持安定的温度规划的方法。这一效果可能会对太阳能电池技巧发作革命性的影响,由于它加快了规划太阳能电池材料的进程,这种材料在很年夜的温度规划内能坚持既高效又安定,而且能够在低本钱下完成高质量分娩。
“这为根据 HOIP材料的太阳能电池在实际中的运用解锁了整体潜能并创造晰新的时机,”UVA化学工程师Joshua j.Choi说,他和他的搭档是该研讨的负责人。
在分子程度上的监测方法使研讨人员能够或许在材料的不合结构阶段坚持材料的各类机能。
Choi说:“改进的安定性使HOIP太阳能电池能在在更年夜规划的温度中运用,即便在极点气温状况下,如HOIP太阳能电池能够支撑航天器或飞机在酷寒的状况中运转。”
在需要轻型太阳能电池材料的景象下,例如为疆场上的步卒、背包客、自立或远程把握的高海拔无人机等供应电子设备,以及为卫星、电梯等供应动力,HOIPs材料可能会反常有用。
Lee 和Choi信赖,在不久的未来,HOIPs材料或它的某种改性材料将会作为廉价的油墨能够印在纸或塑料上,然后作为一种灵活的轻型太阳能电池运用在一系列小我电子配备上。
原文来自:phys,由材料科技在线团队翻译整理。
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