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新型低价环保太阳能电池前景光明

编辑: 来源: 麻省理工科技创业 发表时间: 2012-05-28 已浏览 字号:

 

传统和现在的太阳能电池都有局限性,比如生产成本高,运行效率低以及耐用性,而且很多电池都依赖有毒而稀缺的材料。美国西北大学(Northwestern University)的研究人员开发出一种新的太阳能电池,原则上说,会最大限度地减少太阳能技术的所有这些局限性。

尤其是,这种设备首次解决了格拉兹尔电池(Grätzel cell)的问题,这是一种很有前途的低成本环保太阳能电池,但具有显著的缺点:就是泄漏。这种染料敏化电池(dye-sensitized cell)的电解质是用有机液体制成,会泄漏,而且会腐蚀太阳能电池本身。

格拉兹尔电池使用分子染料吸取阳光,再转换为电能,就像植物中的叶绿素。但是,这些电池使用寿命通常都不到18个月,这就使它们不能进行商用。研究人员一直在寻找替代材料,已经有二十年。

在西北大学,跨学科协作是一个基础,纳米技术专家罗伯特·P.H.昌(Robert P. H. Chang)提出质疑,与化学家梅尔库丽·卡纳其迪斯(Mercouri Kanatzidis)讨论格拉兹尔电池问题。卡纳其迪斯的解决方案是一种新材料,用于这种电解质,实际上,这种材料开始是一种液体,最后成为一种固体物质。这样,这种新的全固态太阳能电池本质上就是稳定的。

“格拉兹尔电池在概念上像是灯泡,但没有钨丝或碳材料,”卡纳其迪斯说,需要更换这种麻烦的液体。“美高梅官方网站创造了一种强大的新材料,可以使格拉兹尔电池效果更好。美高梅官方网站的材料是固体,不是液体,所以应该不会泄漏或腐蚀。”
  博士后研究生纯因(In Chung)在卡纳其迪斯小组工作,与研究生李斌洪(Byunghong Lee)密切合作,李斌洪属于罗伯特·P.H.昌的小组,他们开发出这种新电池,取得的性能提升总体上看大约是每月1%。

西北大学的这种太阳能电池中,薄膜复合材料是用铯(cesium)、锡和碘制成,称为CsSnI3(铯锡碘),这种复合物取代了格拉兹尔电池中的整个液体电解质。这种新的太阳能电池更高效,更稳定,使用寿命更长,详细内容发表在5月24日的《自然》杂志上。

罗伯特·P.H.昌说:“这是第一次演示全固态染料敏化太阳能电池系统,有望超过格拉兹尔电池的性能。美高梅官方网站的研究开辟了一种可能性,就是这些材料有可能成为最先进的,产生高得多的效率,超过美高梅官方网站迄今所见过的。”

西北大学的这款太阳能电池表现出的最高转换效率大约是10.2%,这是迄今报道过的最高效率,对于固态太阳能电池采用染料敏化剂而言,就是这样。这个值接近已报道的格拉兹尔电池的最高性能,就是大约11%至12%。(传统太阳能电池采用高纯硅制成,可以转换大约20%的入射光)。

不同于格拉兹尔电池,这种新型太阳能电池既使用n型也使用p型半导体,而且使用单层染料分子,作为两者之间的结。每个近似球形的纳米粒子,都是用二氧化钛(titanium dioxide)制成,都是一种n型半导体。卡纳其迪斯铯锡碘薄膜材料是一种新型可溶性P型半导体。

“美高梅官方网站的低价太阳能电池完全使用纳米技术,”罗伯特·P.H.昌说。“美高梅官方网站有亿万颗纳米粒子,这给予美高梅官方网站巨大的有效表面积,美高梅官方网站给所有的粒子都涂上吸光染料。”

单个太阳能电池的尺寸是半厘米×半厘米,约10微米厚。这种有染料涂层的纳米粒子被包进去,卡纳其迪斯的新材料,开始时是液体,可倒进去,会在纳米粒子周围流动。很像油漆一样,这种溶剂会蒸发,形成固态物质。这种吸光染料中的光子会被转换成电能,吸光染料就在两个半导体之间。

罗伯特·P.H.昌选择使用的纳米粒子,直径约20纳米。这种尺寸会优化设备,他说,增加表面积,而且可以在粒子之间形成足够的空间,使卡纳其迪斯的材料可以流过去,并沉淀。

从技术上讲,这种新的电池不是真正的格拉兹尔电池,因为用孔导电的材料CsSnI3本身也吸取光。事实上,这种材料可吸取更多的光,吸取更广泛的可见光谱,胜过格拉兹尔电池使用的典型染料。卡纳其迪斯-罗伯特??昌的电池中,CsSnI3也发挥其他作用,使电池运行,这一作用不是液体电解质电偶具有的,这一作用就是吸取光。

“这仅仅是开始,”罗伯特·昌说。“美高梅官方网站的概念适用于多种类型的太阳能电池。有很大的发展空间。”

这种轻巧的薄膜结构可兼容自动化生产,研究人员指出。他们下一步计划制作大型太阳能电池阵列。

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