作者：TylerIrving

多倫多大學(xué)的工程研究人員結(jié)合了兩種新出現(xiàn)的新一代太陽能電池技術(shù)，發(fā)現(xiàn)每一種技術(shù)都有助于穩(wěn)定另一種技術(shù)。由此產(chǎn)生的混合材料是降低太陽能電池成本的一個(gè)主要步驟，同時(shí)也增加了太陽能電池的使用方式。

如今，幾乎所有的太陽能電池都是由高純度硅制成的。這是一項(xiàng)成熟的技術(shù)，近年來由于規(guī)模經(jīng)濟(jì)，制造成本大幅下降。然而，硅的效率有一個(gè)上限。一個(gè)由TedSargent教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)正在研究互補(bǔ)材料，這種材料可以通過吸收硅所不吸收的波長來增強(qiáng)硅的太陽能收集潛力。

Sargent教授說：“我們實(shí)驗(yàn)室所追求的兩項(xiàng)技術(shù)是鈣鈦礦晶體和量子點(diǎn)?！边@兩種方法都適用于溶液處理。想象一下，一種“太陽能墨水”可以印刷到柔性塑料上，制造出低成本、可彎曲的太陽能電池。我們還可以在硅太陽能電池的前后階段組合它們，以進(jìn)一步提高它們的效率?！?/p>

鈣鈦礦和量子點(diǎn)面臨的主要挑戰(zhàn)之一是穩(wěn)定性。在室溫下，某些類型的鈣鈦礦經(jīng)歷了3D晶體結(jié)構(gòu)的調(diào)整，使它們變得透明——它們不再完全吸收太陽輻射。

對于量子點(diǎn)來說，必須覆蓋一層被稱為鈍化層的薄層。這個(gè)層——只有一個(gè)分子厚——可以防止量子點(diǎn)互相粘在一起。但是超過100攝氏度的溫度會(huì)破壞鈍化層，導(dǎo)致量子點(diǎn)聚集或聚集在一起，破壞它們采光的能力。

發(fā)表在《自然》雜志上的一篇論文中，Sargent實(shí)驗(yàn)室的一組研究人員報(bào)告了一種結(jié)合鈣鈦礦和量子點(diǎn)的方法，這種方法可以穩(wěn)定兩者。

該論文的主要作者劉夢霞說：“在我們這樣做之前，人們通常試圖分別應(yīng)對這兩個(gè)挑戰(zhàn)?！?/p>

“研究已經(jīng)證明混合結(jié)構(gòu)的成功發(fā)展，這種混合結(jié)構(gòu)結(jié)合了鈣鈦礦和量子點(diǎn)，這啟發(fā)我們考慮到，如果兩種材料共享相同的晶體結(jié)構(gòu)，它們可能會(huì)彼此穩(wěn)定?！眲⒄f，她現(xiàn)在是劍橋大學(xué)的博士后研究員。

劉和他的團(tuán)隊(duì)建造了兩種混合材料。一種主要是量子點(diǎn)，其體積約為15%的鈣鈦礦，用于將光轉(zhuǎn)化為電能。另一種主要是以體積計(jì)量子點(diǎn)小于15%的鈣鈦礦，更適合將電轉(zhuǎn)化為光，例如，作為發(fā)光二極管（LED）的一部分。

研究小組能夠證明，富含鈣鈦礦的材料在環(huán)境條件（25攝氏度和30%濕度）下保持穩(wěn)定6個(gè)月，比僅由同一鈣鈦礦組成的材料壽命長約10倍。對于量子點(diǎn)材料，當(dāng)加熱到100℃時(shí)，納米顆粒的聚集度比未經(jīng)鈣鈦礦穩(wěn)定的納米顆粒低5倍。

“這很好地證明了我們的假設(shè)，”劉說。這是一個(gè)超出我們預(yù)期的令人印象深刻的結(jié)果。

新的研究結(jié)果證明了這類混合材料可以提高材料的穩(wěn)定性。在未來，劉希望太陽能電池制造商能夠采取她的想法，并進(jìn)一步改進(jìn)，以創(chuàng)造新的太陽能電池技術(shù)，滿足所有與傳統(tǒng)硅相同的標(biāo)準(zhǔn)。

“工業(yè)研究人員可以用不同的化學(xué)元素來形成鈣鈦礦或量子點(diǎn)，”劉說。我們所展示的是，這是一個(gè)有前途的策略，可以改善這類結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性?！?/p>

“作為太陽能材料，鈣鈦礦已經(jīng)顯示出巨大的潛力；但需要基本的解決方案，將其轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定和堅(jiān)固的材料，以滿足可再生能源行業(yè)的苛刻要求，”杰弗里C.格羅斯曼說，他是莫頓和克萊爾·古爾德，環(huán)境系統(tǒng)的家庭教授，同時(shí)也是麻省理工學(xué)院材料科學(xué)與工程系德學(xué)院的一名教授。麻省理工學(xué)院此次并未參與研究。多倫多的研究顯示了一個(gè)令人興奮的新途徑，以促進(jìn)對穩(wěn)定鈣鈦礦晶體相的理解和成就?！?/p>

劉將這一發(fā)現(xiàn)部分歸功于團(tuán)隊(duì)中的協(xié)作環(huán)境，其中包括來自許多學(xué)科的研究人員，包括化學(xué)、物理和她自己的材料科學(xué)領(lǐng)域。

她說：“鈣鈦礦和量子點(diǎn)具有獨(dú)特的物理結(jié)構(gòu)，這些材料之間的相似性通常被忽視。這一發(fā)現(xiàn)表明，當(dāng)我們結(jié)合來自不同領(lǐng)域的想法時(shí)，可能會(huì)發(fā)生什么意想不到的火花。”