太阳能电池建设新模式证明了Penn-Drexel研究者

太阳能电池板,扭每一滴从尽可能多的光子的能量是必要的。这个目标使得化学、材料科学、电子工程研究人员在寻求提高光伏设亚博网站下载备的缓冲亚博老虎机网登录效率,但是现有技术现在运行规定物理定律。

现在,来自宾夕法尼亚大学和德雷塞尔大学的研究者通过实验证明了太阳能电池的新范式建设可能最终使它们更便宜,更容易生产和更有效地收集来自太阳的能量。

这项研究是由教授安德鲁·m .灵巧和研究专家Ilya格林贝格的化学系在宾夕法尼亚大学艺术与科学学院的,连同主席彼得·k·戴维斯的材料科学与工程系工程和应用科学学院教授乔纳森•e . Spanier德雷克塞尔的材料科学与工程系。亚博网站下载亚博老虎机网登录

这是发表在《自然》杂志上。

现有太阳能电池工作在相同的基本方式:他们吸收光线,激发电子和使他们在一个方向流动。这种流动的电子电流。但是建立一个一致的方向运动,或极性,太阳能电池需要用两种材料做的。亚博网站下载一旦一个受激发的电子穿过界面从吸收光线的材料将进行当前的材料,它不能交叉,方向。

“有一个小类别的材料,然而,当你上发光,电子在一个特定的方亚博网站下载向起飞,而无需交叉材料从一个到另一个,“灵巧的说。“我们称之为“散装”光生伏打效应,而不是“接口”效应,发生在现有的太阳能电池。这种现象已经知道自1970年代开始,但我们不这样制造太阳能电池,因为他们只有被证明与紫外线,和大部分的能源来自太阳的可见光和红外光谱”。

找到一个展览大部分的材料对可见光的光生伏打效应将太阳能电池大大简化施工。此外,这将是一个在界面的太阳能电池的效率内在,称为Shockley-Queisser限制,一些从光子的能量损失电子等,使从一个物质跳到另一个。

“认为光子来自太阳币降下,你与不同频率的光就像硬币,硬币,硬币等。吸光材料的质量称为“隙”决定了教派可以赶上,”灵巧的说。“Shockley-Queisser限制说无论你发现只是的价值你能带允许最低面值。如果你选择一个材料的能带隙可以捕捉角,你可以捕捉角,季度和银币,但他们只会值得的能量相当于10美分当你发现它们。

“如果你设置限制太高,你可能会得到更多的价值/光子但是捕获光子整体更少,比如果你选择了一个低面额,”他说。“设置你能带赶上只有银币就像只有能够赶上紫外线。设置捕捉季度就像移动的可见光谱。产量更好,即使你失去大部分的紫外线能量做得到。”

没有任何已知的材料表现出亚博网站下载大部分可见光的光生伏打效应,研究小组将其材料科学专业设计如何塑造一个新的测量及其属性。亚博老虎机网登录

5年多前开始,团队开始理论工作,策划的属性假设的新化合物,这些特征的混合体。每个化合物始于一个“父”的材料,将与极地传授最后材料方面的大部分光生伏打效应。父,材料会降低化合物的能带隙将被添加在不同的百分比。这两个材料是磨成细粉亚博网站下载,混合在一起,然后在烤箱加热,直到他们一起反应。由此产生的晶体理想父母的结构,而且与第二材料在关键位置的元素,使其吸收可见光。

“设计挑战,”戴维斯说,“确定材料,可以保持他们的极性性质,同时吸收可见光。亚博网站下载材料的理论计算指出,新的家庭,这往往相互排斥的属性的组合可以实际上是稳定的。”亚博网站下载

这是被称为钙钛矿晶体结构。大多数光吸收材料有一个对称的晶体结构,这意亚博网站下载味着他们的原子排列在重复模式,下,左,右,正面和背面。这种品质使这些材料极性;亚博网站下载四面八方“看”从一个电子的角度相同,所以没有总体方向流动。

钙钛矿晶体具有相同的立方晶格的金属原子,但在每个多维数据集是一个氧原子的八面体,并且在每个八面体是另一种金属原子。这两种金属元素之间的关系可以使他们离开中心,提供方向性的结构和极性。

“所有的极好,或铁电材料的晶体结构,“灵巧的说。亚博网站下载“看起来很复杂,但它发生在自然界中所有的时间当你有一个材料,两种金属和氧气。这不是我们不得不建筑师自己。”

几次失败的尝试之后,身体产生的钙钛矿晶体的理论,研究人员已经成功使用了铌酸钾的组合,父,极性材料,镍铌酸钡,有助于最终产品的能带。

研究人员使用x射线结晶学和拉曼散射光谱,以确保他们了他们预期的晶体结构和对称。他们还调查了其可切换的极性和能带,表明他们确实会产生大量光伏效应与可见光,开口打破Shockley-Queisser限制的可能性。

此外,调优的能力最终产品的能带隙通过镍铌酸钡的百分比增加了另一个潜在优势界面太阳能电池。

“父母的能带在紫外线范围,“Spanier说,“但仅增加10%的镍铌酸钡移动能带到可见的范围和接近高效的太阳能能量转换所需的值。这是一个可行的材料首先,能带也继续通过我们添加更多的可见范围各不相同,这是另一个非常有用的特性。”

另一个方式效率低下Shockley-Queisser强加的限制在界面的太阳能电池是有效的堆栈上一些具有不同带隙的太阳能电池。这些多结太阳能电池有一个顶层高能带,捕捉最有价值的光子和允许更有价值的通过。连续层和低带隙较低,最每个光子的能量,但增加了太阳能电池的整体复杂性和成本。

“家庭的材料我们用大部分光生伏亚博网站下载打效应贯穿整个太阳光谱,“灵巧的说。“我们可以种植一个材料但温柔地改变成分我们增长,导致一个材料,执行像一个多结太阳能电池。”

“这个家庭的材料。亚博网站下载”Spanier说,“尤其引人注目,因为它是由廉价、无毒和地球上充足的元素,与化合物半导体材料目前用于高效薄膜太阳能电池技术。”亚博网站下载

这项研究是能源商业化本·富兰克林研究所技术支持的合作伙伴,美国能源部办公室的基础科学,陆军研究办公室,美国工程教育协会,美国海军研究办公室和美国国家科学基金会。亚博老虎机网登录

Gaoyang郭台铭化学;d·文森特西方,大卫·斯坦和吴Liyan材料科学与工程;亚博网站下载亚博老虎机网登录和玛丽亚托雷斯,安德鲁•Akbashev Guannan陈和埃里克·盖洛德雷塞尔,也导致了这项研究。

来源:http://www.upenn.edu/