不可思議!未來你家的窗戶也能發(fā)電了!

發(fā)布時間:2022-11-01

透明窗戶也能發(fā)電?
不知道你們有沒有想過這樣場景,我們住的公寓樓,城市里遍布的玻璃幕墻建筑,里面的每一扇玻璃窗都會成為發(fā)電機,可以在炎炎夏日為空調(diào)供給電力,或在隆冬給房間里的熱水器供電。這些原本只存在于科幻場景里的東西,正慢慢變成為現(xiàn)實。
今年4月,《NanoEnergy》雜志上刊登了一則關(guān)于澳大利亞ARC激子科學中心和莫納什大學教授杰克·杰森帶領(lǐng)的研究團隊研制出了半透明的鈣鈦礦太陽能電池的報道。這報道咋一看似乎平平無奇,但其實它的精華都集中在了“半透明”這三個字上。
“半透明”意味著什么呢?就是這種電池在產(chǎn)生電能的同時,還可以讓光通過!如果能將它與玻璃產(chǎn)品結(jié)合起來,那窗戶就可以被改造成一個自主發(fā)電機,為電力、建筑、城市規(guī)劃等行業(yè)都帶來革命性的變化。
雖然到目前為止,半透明太陽能電池的商用研究仍在路上,距離我們正式見到它可能還需要一些時間。但在那之前,我們完全可以先來了解一下這種名為“鈣鈦礦”的材料到底有什么樣能耐,可以引起各國研究者的巨大興趣。
人類對于太陽能的利用
還不充分?。?!
隨著全球氣候變暖的加劇,極端天氣對人類和野生動物的生存活動造成了嚴重威脅,導致氣候變暖的溫室氣體CO2、SO2主要來自化石燃料的燃燒,隨之帶來的霧霾天氣也讓我們無處遁逃。因此,亟待開發(fā)可以替代化石燃料的清潔能源,如風能、地熱能、太陽能、潮汐能等。
其中,太陽能是眾多清潔能源中最為理想的可再生能源,它取之不盡、用之不竭,是宇宙對我們最好的饋贈。如果把太陽光照射地球一小時的能量“全部”收集起來,夠全人類使用一年。倘若將地球荒漠面積的1%裝上光伏電站,就可以滿足人類目前用電量的需求。
既然太陽的能量如此巨大,為什么沒能取代化石能源?太陽能又該如何更高效利用?想要弄清楚這些問題,我們就需要先了解太陽能電池的工作原理:
一個典型的硅晶太陽能電池,主要由以下幾個部分疊合組成:
當太陽照射電池板時,吸光層內(nèi)部的電子通過光照獲得了能量,部分帶負電的電子離開始“活躍”起來,它們穿過電子傳輸層,在負極被收集。同時,帶正電的空穴向反方向傳遞,在正極被收集。當電池正負極導通,電子和空穴流動起來形成電流,從而實現(xiàn)了光能到電能的轉(zhuǎn)換。
過去幾十年里,太陽能電池的對太陽光的吸收轉(zhuǎn)化運用并不充分,很大原因在于吸光材料對于太陽能量的利用率不高。光電轉(zhuǎn)換材料,制約了太陽能電池的進一步發(fā)展。
● 第一代太陽能電池所利用的光電轉(zhuǎn)換材料主要是硅,這種間接帶隙半導體,不能以最小的光能激發(fā)吸光層材料產(chǎn)生電流,所以光電轉(zhuǎn)化效率不高;
● 第二代太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換材料升級,使用直接帶隙半導體,例如砷化鎵、碲化鎘、銅銦鎵錫等,盡管相比于第一代吸光材料而言,這種材料更加高效,但它們也面臨制備成本高、材料純度要求嚴苛的弊端。
鈣鈦礦太陽能電池的構(gòu)造與運行機理示意圖
典型的太陽能電池結(jié)構(gòu)主要有五部分疊合而成,包括一個吸光層、兩個傳輸層、兩個電極,其中吸光層至關(guān)重要,它是光能與電能的紐帶,是能量轉(zhuǎn)換的開關(guān)。
鈣鈦礦就是在這一層中大顯身手的。當太陽能電池工作時,吸光層受到光照,它內(nèi)部的電子獲得能量,這些電子就如同吃飽飯的孩子精力充沛變得非常淘氣,要來一場說走就走的旅行,它們掙脫吸光層的束縛,再通過傳輸層的助力向外部傳遞;與此同時,當帶負電的電子離開后,留下了帶正電的空穴,朝著電子的反方向傳遞,就這樣電子和空穴流動起來,構(gòu)成外部電流,實現(xiàn)了光能向電能的轉(zhuǎn)換。 
隨著太陽能電池研發(fā)制備技術(shù)的升級,鈣鈦礦光電轉(zhuǎn)換材料橫空出世,成為太陽能電池領(lǐng)域的研究熱點。
鈣鈦礦太陽能電池的發(fā)展雖然只有十余年的時間,但是它的光伏發(fā)電效率卻能從3%提升至30%左右。相比于前幾代光電轉(zhuǎn)換材料,鈣鈦礦材料兼具了高效率和低成本制備的優(yōu)勢,與發(fā)明了近70年的硅太陽能電池相比,說它是乘著火箭發(fā)展起來的也不為過。
神奇的鈣鈦礦材料
鈣鈦礦自“出生”就“天賦異稟”,得到了廣泛的關(guān)注
那么它究竟是一種什么物質(zhì)呢?
1839年,德國科學家在考察烏拉爾山脈時發(fā)現(xiàn)了一種元素組成為 CaTiO3的礦石,并將其命名為"perovskite”以紀念同名的俄國地質(zhì)學家。發(fā)現(xiàn)該礦石的地質(zhì)學家一定不會想到,二百余年后的今天,這種深埋地下的棕色礦石衍生出的材料竟然會聚焦在陽光下,成為新能源材料領(lǐng)域炙手可熱的新星。
鈣鈦礦不是一種“礦”,它其實和鈣、鈦、礦三個字都沒什么關(guān)系。光伏領(lǐng)域的所謂“鈣鈦礦”,指的是一類與鈣鈦礦(CaTiO3)晶體結(jié)構(gòu)類似的“ABX3”化合物。
這種結(jié)構(gòu)長成下面這個樣子,它具有對稱的立方八面體晶格結(jié)構(gòu),后來科學家們將擁有這種晶格結(jié)構(gòu)的一類物質(zhì)統(tǒng)稱為鈣鈦礦。
這類材料通常具有ABX3的化學式,其中A,B,X都對應著不同的離子,通常,A代表有機胺陽離子,B代表金屬陽離子,如Pb離子、Sn離子,X代表鹵素陰離子。
因此,鈣鈦礦指的不是特定材料,而是一種結(jié)構(gòu),一類物質(zhì)。這類材料應用的光電領(lǐng)域具有極大的優(yōu)勢,包括種類繁多,對光的吸收能力強,吸收范圍廣,幾乎可以吸收全部可見光;并且能在溫和條件下實現(xiàn)低成本的制備,對產(chǎn)業(yè)化應用極具意義。
2009年,日本科學家宮坂力造出了世界上第一塊鈣鈦礦太陽能電池,當時的轉(zhuǎn)化率只有3.8%,彼時晶硅電池實驗室轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)達到了18%左右。但僅僅5年后,鈣鈦礦電池的光電轉(zhuǎn)換效率便已躍升至19.3%,提高了5倍,被《科學》雜志評為2013年的10大科學突破之一。到2022年,這數(shù)字已經(jīng)來到了29.8%,由德國HZB研究中心創(chuàng)造;其進步之快,潛力之大,超過目前效率最高的異質(zhì)結(jié)、TOPCon等晶硅技術(shù)的效率極限,將同為薄膜電池的其它技術(shù)路線甩開幾條街。
鈣鈦礦太陽能電池的制備成本僅僅是單晶硅太陽能電池的十分之一,卻能達到與之相似的效率。它是如何實現(xiàn)低成本制備的呢?
與傳統(tǒng)吸光層復雜的純化和刻蝕工藝不同,鈣鈦礦太陽能電池可以通過簡單的溶液法合成。
目前實驗室使用最為廣泛的方法是旋涂法,即在基底材料表面滴加溶液,高速旋轉(zhuǎn)后均勻鋪開結(jié)晶成膜,可用于微型器件的制備。
大面積制備可以通過柔性印刷工藝實現(xiàn),這與平時的紙質(zhì)印刷的原理相似,就如同油墨鋪在紙張上一樣,高效且成本低廉。在太陽能電池中,鈣鈦礦層僅需0.5微米就可以實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的功能,而硅則需要200微米。
因此,鈣鈦礦太陽能電池原料成本低,工藝簡單,并且可以在柔性基地表面制備;克服了傳統(tǒng)電池制備對環(huán)境要求嚴苛、制備工藝高能耗、高成本、易造成環(huán)境污染的缺點。
鈣鈦礦太陽能電池憑借著自身微型化、柔性化、輕質(zhì)化的特點,可以部署在那些無法承受或不能安裝晶硅電池的地方,小到為柔性可穿戴電子產(chǎn)品供電;再到汽車天窗,安裝在車頂為汽車提供混合動力;大面積太陽能電池板甚至能貼附于大樓表面,為整棟大樓供電。
除了我們的日常生活,在空天科技領(lǐng)域鈣鈦礦太陽能電池也能大顯神通。
例如為無人機巡航提供能源動力;應用在月球車和衛(wèi)星的帆板,源源不斷地提供動力來維持宇宙飛行器的日常運行;甚至還能應用在空間站,成為最堅實可靠的能源保障。
鈣鈦礦被用在光伏太陽能電池中
它具體有哪些優(yōu)勢與劣勢?
01/優(yōu)勢
光電轉(zhuǎn)化效率高
鈣鈦礦材料具有較高的光吸收系數(shù)和較長的載流子擴散距離。在可見光波長(380~800nm)范圍內(nèi),鈣鈦礦的光吸收系數(shù)比硅高1-2個數(shù)量級,因此鈣鈦礦薄膜只需要幾百納米就有較強的吸光能力;鈣鈦礦材料吸收的光子轉(zhuǎn)換成電子后,由于其載流子具有較長的擴散距離(幾個微米,遠大于鈣鈦礦薄膜厚度),很容易被電極收集、損耗較小,因此能產(chǎn)生較高的光生電壓和電流,綜合表現(xiàn)出較高的光電轉(zhuǎn)換效率。
弱光性能好
鈣鈦礦光伏電池弱光下具有優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)化效率,未來有機會將室內(nèi)照明的弱光和陰天時室外弱的太陽光利用起來發(fā)電,這也是鈣鈦礦光伏區(qū)別于傳統(tǒng)硅基光伏的一大優(yōu)勢。
理論研究表明,弱光下光伏電池的發(fā)電效率跟能帶間隙有關(guān),在接近2eV帶隙時,光伏電池在弱光下的效率高達52%。由于鈣鈦礦材料帶隙可調(diào)、光吸收系數(shù)高、對雜質(zhì)不敏感,對應的光伏電池對缺陷態(tài)的包容度較高,其在弱光下仍具有優(yōu)異的光電裝換效率。而晶硅的帶隙約1.1eV,偏離2eV較多,弱光下發(fā)電效率很低。
相關(guān)的研究表明,鈣鈦礦光伏電池在200 Lux的弱光下仍可輸出25%以上的光電轉(zhuǎn)換效率。夏季明朗的室內(nèi)光照強度為100~550 Lux,而100 W的白熾燈光照強度約1200 Lux,熒光燈的發(fā)光效率是白熾燈的3~4倍,這就意味著鈣鈦礦光伏未來有望在室內(nèi)弱光條件下為一些低能耗電器提供可靠穩(wěn)定的電力來源。
光伏特性可調(diào)
鈣鈦礦材料可以通過調(diào)節(jié)組分,使其能帶間隙在1.4~2.3eV之間連續(xù)可調(diào),因此可以衍生出區(qū)別于硅基光伏的應用:
● 如調(diào)整帶隙至2eV左右,使其適用于弱光下高效發(fā)電;
● 用于建筑玻璃上,將鈣鈦礦薄膜做成不同顏色或者半透明的狀態(tài),做在質(zhì)輕的柔性基底上實現(xiàn)建筑光伏一體化,即BIPV或者BAPV;
● 制成疊層電池,設計不同帶隙的鈣鈦礦層,并彼此或是與其他光伏材料疊加,從而使不同波長的光能轉(zhuǎn)化成電能;
而相比較之下,晶硅光伏電池只有單一的帶隙,性能的優(yōu)化空間與應用場景均十分有限。
02/劣勢
然而,集眾多優(yōu)勢于一身的鈣鈦礦材料在實現(xiàn)工程應用路上,仍存在著亟待解決的瓶頸問題,吸引著科學家們不斷探索鉆研,主要表現(xiàn)三個方面: 
01
有些鈣鈦礦含Pb這種有毒物質(zhì),因此開發(fā)無毒化鈣鈦礦材料一直是該領(lǐng)域重要的研究方向,目前已經(jīng)有研究成果表明可以用Sn元素來替代Pb,也能實現(xiàn)高的光電轉(zhuǎn)換效率;
02
鈣鈦礦材料對于氧氣和水不穩(wěn)定,這個問題一方面可以通過改善封裝技術(shù)來解決;
03
目前很多課題組都將研究重點從刷高效率轉(zhuǎn)移到提高環(huán)境穩(wěn)定性上來,在不久的將來,其穩(wěn)定性問題相信也一定會被突破,從而實現(xiàn)批量制備,推動其產(chǎn)業(yè)化應用;
理研計器提供技術(shù)保障
目前,鈣鈦礦太陽能電池進入深入研究階段,而如何在現(xiàn)有技術(shù)基礎上,進一步降低成本,提高效率和穩(wěn)定性,推進其產(chǎn)業(yè)化,是將來主要的研究方向。
這其中就需要通過光電子能譜表界面分析技術(shù)對鈣鈦礦降解機理進行系統(tǒng)的研究,獲取材料表界面的能帶結(jié)構(gòu)、化學鍵、元素結(jié)構(gòu)、功函數(shù)等信息,從而深入理解鈣鈦礦分解過程,找到相應解決方案。
理研計器的AC-2S系列一直活躍于各大光電材料分析領(lǐng)域,服務于材料基因組學、表界面工程、新材料的設計以及新器件的研發(fā)!
原理
由紫外光源射出的紫外光,經(jīng)由分光器單色化后,照射到樣品表面。根據(jù)光電效果的原理(物質(zhì)通過吸收光子的能量,激發(fā)出光電子),所激發(fā)的光電子被電子產(chǎn)額檢測器檢測收集后,生成相應譜圖。紫外線的波長λ可由以下公式換算成光的能量E:
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E=h ν=h?c / λ
(h:普朗克常數(shù),ν:光的振動頻率,c:光速,λ:波長)
當照射的紫外光的強度逐漸變大時,如圖所示,可從光電子激發(fā)的閾值能量中求得逸出功或者電離勢能。
AC-2S 系列針對各個用戶群體進行功能細分化,開發(fā)了AC-2S Proα/β的機型↓↓↓
1<溫度條件測試>最高可以升溫至100℃
加裝了加熱樣品臺,最高可加熱至100℃(最低為室溫)
▲可用于測定因溫度變化而發(fā)生性質(zhì)變化的新材料
2<壽命長?大光量的新型光源>壽命延長超過10倍
新型激光驅(qū)動光源(LDLS)擁有極長壽命(普通氘燈的10倍以上),大光量(最大2500nW)等特點,可滿足材料逸出功測定的各種需要。
▲由于壽命極長,所以不用頻繁更換光源配件
3<微小領(lǐng)域測定>
極小光斑(~0.4mm見方)測定
▲可以測定極小面積的材料,適合半導體晶圓或像素點等材料
4<低能量范圍>
能量下限可低至2.0eV
▲配合大光量光源,可測試某些逸出功較低的新型材料
AC系列的優(yōu)點
 1   可在大氣中簡單測試
無需進入真空狀態(tài),樣本更換簡單,可在短時間完成測量。
 2   對材料的破壞 小 并且測量值的再現(xiàn)性高
原理是照射強度較弱的紫外線,檢測釋放的微量光電子,因此對材料的破壞小, 測試的再現(xiàn)性高。
 3   AC 系列有眾多的導入實績
在全世界的大學、研究機構(gòu)中有導入實績,被2000多篇論文引用刊載。
AC系列在材料研究領(lǐng)域一直響應著研究者的需求,其主要應用領(lǐng)域在電子器件產(chǎn)業(yè)、能源產(chǎn)業(yè)、研究所、大學等方面:
光伏產(chǎn)業(yè)
使用鈣鈦礦型有機金屬鹵化物的可視光敏太陽能電池,可以使用AC系列測定鈣鈦礦太陽能電池材料的逸出功;同時,AC系列也能夠準確測定有機和無機空穴傳輸材料能級,用于篩選空穴電荷傳輸材料。
鋰電池產(chǎn)業(yè)
用于鋰離子電池正極材料的循環(huán)性能增強的表面處理技術(shù),可以使用AC系列測量鋰電池正極材料的電離勢能;
氫燃料電池產(chǎn)業(yè)
使用非貴金屬的新型燃料電池電極材料開發(fā)應用研究,可以使用AC系列測定燃料電池電極材料的電離勢能;
目前,AC系列正在全世界被廣泛使用,特別是各大學術(shù)機構(gòu),目前已有數(shù)千篇相關(guān)論文發(fā)表在各大知名雜志(Nature Science RSC等)上,目前使用AC系列的研究機構(gòu):
研究機構(gòu)
東京大學、京都大學、名古屋大學、山形大學、九州大學、理化學研究所、物質(zhì)?材料研究機構(gòu)、東京工業(yè)大學、信州大學、斯坦福大學(美國)、普林斯頓大學(美國)、斯特拉斯堡大學(法國)、弗勞恩霍夫應用研究促進協(xié)會(德國)、柏林洪堡大學)德國)、北京大學(中國) 、華南理工大學(中國)、武漢大學(中國) 、工業(yè)技術(shù)院(中國臺灣)、韓國電子技術(shù)院(韓國)、慶北大學(韓國)、 VISTIC(泰國)、 IMRE 研究所(新加坡)、 CSIRO(澳大利亞)、KAUST(沙特阿拉伯)等
隨著相關(guān)企業(yè)和科學家們對鈣鈦礦研究的加深,鈣鈦礦太陽能電池技術(shù)也有望趨于成熟,理研計器希望在這條攻堅克難的挑戰(zhàn)之路上,貢獻出自己的技術(shù)力量。
結(jié)語
“碳達峰”和“碳中和”一直都是能源領(lǐng)域的熱點話題,作為助力“雙碳”戰(zhàn)略的生力軍,光伏產(chǎn)業(yè)具有舉足輕重的地位。
目前在我國,已經(jīng)開始大力推廣光伏產(chǎn)業(yè)。大面積的農(nóng)田村莊都已經(jīng)安裝了太陽能電池板,據(jù)國家發(fā)改委預測,到2050年光伏會成為中國第一大能源。因此,合理開發(fā)利用太陽能,對國家發(fā)展和人類生存具有重要的意義。
理研計器擁有600多種氣體傳感器和100多種氣體探測器。未來,我們?nèi)詫⒉粩嚅_發(fā)新產(chǎn)品、研發(fā)各項新功能,使得氣體檢測儀在應用上更先進、更適合日新月異的市場環(huán)境,致力于為用戶提供一個最可靠、最準確、最安全的氣體檢測方案。
理研計器必將在未來氣體產(chǎn)業(yè)的生命安全畫卷中,添上濃墨重彩的一筆,守護人們的幸福生活,為生產(chǎn)和生活不斷創(chuàng)造新價值!為用戶選配適合原理的檢測儀,用成熟的工藝完善氣體檢測系統(tǒng)。