新型可彎曲可嵌入太陽(yáng)能電池

       近日，美國(guó)硅谷的阿爾塔設(shè)備公司(Alta Devices)推出了一種新型的可彎曲可嵌入式太陽(yáng)能電池，且這種電池的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到驚人的29%。這種基于砷化鎵材料以及獨(dú)特的生產(chǎn)工藝技術(shù)的新型太陽(yáng)能電池或?qū)⒁�發(fā)太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)和新能源產(chǎn)業(yè)的變革。

      阿爾塔設(shè)備公司CEO克里斯·諾里斯表示：“我們主要在三個(gè)方面實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新。一個(gè)是高效的生產(chǎn)工藝、一個(gè)是砷化鎵晶片技術(shù)、一個(gè)是高效的轉(zhuǎn)換率。”他同時(shí)介紹到，首先在一個(gè)臨時(shí)的模板晶片上使用金屬有機(jī)氣相沉積工藝生產(chǎn)薄膜，然后將薄膜分離，并再次使用這個(gè)模板晶片，由此得到了極薄并可彎曲的薄膜，它可以做成任何形狀。

      這種平板式傳統(tǒng)單藕合薄膜太陽(yáng)能電池具有較其他工藝生產(chǎn)的電池更高的轉(zhuǎn)換效率。而多重藕合薄膜太陽(yáng)能電池則含有多個(gè)層面，可吸收多種頻率，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的轉(zhuǎn)換效率。據(jù)了解，在目前采用的太陽(yáng)能電池技術(shù)中，多數(shù)基于多晶硅或者單晶硅材料，其轉(zhuǎn)換效率最多可達(dá)到18%左右。

      基于此，該公司表示其已規(guī)劃明年推出雙重藕合薄膜太陽(yáng)能電池產(chǎn)品，轉(zhuǎn)換效率將提高到33%，而其未來(lái)3年的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換效率達(dá)到37%的太陽(yáng)能電池。

      此外，加州大學(xué)伯克利分校電氣工程教授，同時(shí)也是阿爾塔設(shè)備公司的聯(lián)合創(chuàng)始人艾利·亞布隆諾維奇的研究小組發(fā)現(xiàn)，多年來(lái)大家研究的太陽(yáng)能電池都是盡可能收集光子來(lái)產(chǎn)生電能，但實(shí)際上，可以用相反的方法。他們認(rèn)為太陽(yáng)能電池散發(fā)光子的效果越好，電壓就越高，也可以產(chǎn)生更大的效率。

      太陽(yáng)能電池產(chǎn)生電力，是因?yàn)閬?lái)自太陽(yáng)的光子撞擊電池內(nèi)的半導(dǎo)體材料，光子的能量使材料中的電子自由流動(dòng)。但是，這個(gè)過(guò)程中，撞擊釋放電子也可以產(chǎn)生新的光子，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為發(fā)冷光。阿爾塔設(shè)備公司采用了這一理念，其新型的太陽(yáng)能電池中的光子不會(huì)消失在電池內(nèi)，并且增加了太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的電壓。

      據(jù)了解，這種新型電池的厚度僅有1微米，相比之下，人的頭發(fā)直徑大約為40微米。同時(shí)，可彎曲的特性可以激發(fā)更多應(yīng)用。克里斯·諾里斯說(shuō)：“人類(lèi)100多年來(lái)最偉大的發(fā)明就是移動(dòng)性大大提升，飛機(jī)、汽車(chē)、輪船讓移動(dòng)更方便，但是能源的消耗也更嚴(yán)重，傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池笨重脆弱很難實(shí)現(xiàn)便攜，而我們的電池則可以輕松實(shí)現(xiàn)便攜和嵌入應(yīng)用。”

      旋轉(zhuǎn)太陽(yáng)能電池效率高出20倍

     近日，美國(guó)V3太陽(yáng)能公司在傳統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一種“旋轉(zhuǎn)太陽(yáng)能電池”，其比現(xiàn)有太陽(yáng)能電池發(fā)電效率高出近20倍。

      據(jù)了解，這種“旋轉(zhuǎn)太陽(yáng)能電池”雖然其發(fā)電單元依然是傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池板，但與眾不同的是，它有一個(gè)獨(dú)特的錐形支架。在使用時(shí)，支架會(huì)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，且無(wú)須任何用來(lái)追尋太陽(yáng)移動(dòng)軌跡的軟件或硬件。

     當(dāng)然，還有一點(diǎn)也是很重要的，那就是這種電池的外形真的很酷。

     到目前為止，幾乎所有的太陽(yáng)能電池組都是由平板太陽(yáng)能電池所組成的。為了提高其發(fā)電效率，研究者一方面將太陽(yáng)能電池板安裝在可以追尋太陽(yáng)移動(dòng)軌跡的支架上，另一方面，則通過(guò)加裝透鏡或反射鏡讓更多的光線(xiàn)照射在太陽(yáng)能電池板上。不過(guò)，這兩種方法常常會(huì)導(dǎo)致電池板因被暴曬而溫度過(guò)高，嚴(yán)重時(shí)電池甚至?xí)�被燒毀�?/p>

      為了防止這種現(xiàn)象發(fā)生，V3太陽(yáng)能公司的工程師將電池板安裝在一個(gè)可以旋轉(zhuǎn)的錐形支架上。這樣，每塊電池板被照射的時(shí)間相對(duì)較短，溫度不會(huì)上升至將其毀壞的程度，并且當(dāng)錐形架轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，未被陽(yáng)光直射的電池板還可以自行冷卻。而用于驅(qū)動(dòng)錐形支架旋轉(zhuǎn)的電力，則來(lái)自于附著在其上的太陽(yáng)能電池板。

     業(yè)內(nèi)專(zhuān)家認(rèn)為，這種新型太陽(yáng)能電池是集工程科技和藝術(shù)于一體的奇跡，既有遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)平板太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率，又有令人著迷的外觀(guān)。

     不過(guò)，價(jià)格或許是該電池唯一的缺憾。雖然該公司沒(méi)有透露具體的金額，但可以肯定，它會(huì)比傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池板昂貴許多。所以，現(xiàn)在的問(wèn)題是，其20倍的光電轉(zhuǎn)化效率能否抵消其造價(jià)。

     氧化鋁創(chuàng)溶液

     處理太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化新紀(jì)錄

     據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)報(bào)道，由英國(guó)牛津大學(xué)科學(xué)家?guī)ьI(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)，以違反直覺(jué)的方式，用低光敏性的氧化鋁（Al2O3）替代光激發(fā)能力良好的二氧化鈦（TiO2）作為電極，將溶液可處理的太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)化效率提升至10.9%，創(chuàng)造了新的紀(jì)錄。

      這項(xiàng)研究利用了氧化鋁能夠充當(dāng)惰性支架，迫使電子停留其中，并通過(guò)超薄的吸收體層進(jìn)行傳送的性能。

      研究人員表示，雖然含有砷化鎵的太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到28%左右，但此次在溶液可處理的固態(tài)太陽(yáng)能電池領(lǐng)域，取得了新的成績(jī)。同時(shí)，這一轉(zhuǎn)化率還有望在未來(lái)數(shù)年內(nèi)急速提升。

      據(jù)了解，在吸收光子并生成電子的光電過(guò)程中，基本的能量損失會(huì)逐步上升。為了克服這些損失，此前的研究試圖將厚度為2納米至10納米的鍍鋅層，附加到二氧化鈦電極的內(nèi)表面，以增強(qiáng)電流密度和電壓。

     而之前帶有鍍鋅層的太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)化效率僅為6.3%，科學(xué)家分析這很可能與二氧化鈦導(dǎo)致的電子混亂和低遷移率有關(guān)。因此他們?cè)诖舜蔚难芯恐懈挠醚趸�鋁作為電極，其所生成的光激電子能被保留在鍍鋅層內(nèi)，而不會(huì)降低氧化物內(nèi)的能級(jí)水平。

      同時(shí)，使用氧化鋁電極還具有多種優(yōu)勢(shì)，例如它能顯著提升電子的傳送速度，迫使電子快速穿過(guò)鈣鈦礦鍍鋅層，并同時(shí)提高電壓。這一改進(jìn)也能使太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)化效率從8%左右提升至10.9%。因?yàn)檠趸�鋁充當(dāng)了中尺度的支架，而不在光致激發(fā)中發(fā)揮任何作用。

      科研人員表示，這項(xiàng)工作使低成本的溶液處理太陽(yáng)能電池離晶體半導(dǎo)體的完美性能又近了一步，也為今后的研發(fā)開(kāi)辟了廣泛的可能性。他們還期望通過(guò)使用新型的鈣鈦礦和其他半導(dǎo)體，或是擴(kuò)展光的吸收范圍等途徑，使電池未來(lái)的效率能夠得到進(jìn)一步提升。

     二氧化鈦光催化材料

     實(shí)現(xiàn)全譜吸收

     近日，中科院金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家（聯(lián)合）實(shí)驗(yàn)室提出，利用間隙原子弱化金屬原子與氧（M-O）的鍵合實(shí)現(xiàn)替代晶格氧的摻雜原子進(jìn)入體相的新機(jī)制，獲得了梯度摻雜的銳鈦礦TiO2，實(shí)現(xiàn)了可見(jiàn)光全譜強(qiáng)吸收，將TiO2光電解水產(chǎn)氫的活性光響應(yīng)范圍拓展至700納米。

      就像光催化分解水制氫一樣，光催化可實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能到化學(xué)能的轉(zhuǎn)化，是獲得新能源的一個(gè)重要途徑。發(fā)展可以有效吸收可見(jiàn)光（波長(zhǎng)在400-700納米之間）的光催化材料是實(shí)現(xiàn)高效太陽(yáng)能光催化轉(zhuǎn)化的前提，然而多數(shù)穩(wěn)定的光催化材料的可見(jiàn)光吸收低。摻雜能夠縮小光催化材料的帶隙，是增加光催化材料可見(jiàn)光吸收的基本手段。銳鈦礦TiO2是研究最為廣泛的光催化材料，目前利用摻雜手段在一定程度上增加了該材料的可見(jiàn)光吸收，但仍無(wú)法實(shí)現(xiàn)全譜強(qiáng)吸收。

     該實(shí)驗(yàn)室一直致力于解決寬帶隙光催化材料的可見(jiàn)光全譜強(qiáng)吸收的難題。前期的系列研究揭示，摻雜原子的空間分布是決定摻雜能否縮小帶隙的本質(zhì)因素，即表面摻雜只能在帶隙中引入局域化能級(jí)，體相摻雜可縮小帶隙。同時(shí)，提出利用層狀結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)摻雜原子在體相的均相分布的思路，增加光催化材料的可見(jiàn)光吸收。

      據(jù)了解，摻雜陰離子難以進(jìn)入金屬氧化物體相本質(zhì)上是由M-O鍵的高鍵能以及摻雜離子與替代晶格離子間的電荷差異造成的。研究人員通過(guò)先期發(fā)展的“摻雜劑與前軀體合而為一”的特色制備思路，以TiB2晶體為前驅(qū)體，通過(guò)水熱及后續(xù)的熱處理過(guò)程獲得了間隙硼摻雜的銳鈦礦TiO2微米球，并且硼在從球表面至體相厚約50納米的范圍內(nèi)呈現(xiàn)梯度分布。理論研究表明，間隙Bσ+（σ ≤ 3）離子可有效弱化周?chē)�的Ti-O鍵，使得N替代弱化后的Ti-O鍵的晶格氧所需的能量顯著降低，且間隙Bσ+的存在提高了N摻雜TiO2的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在氨氣氣氛下熱處理梯度間隙Bσ+摻雜的銳鈦礦TiO2，不僅N3-可有效替代晶格氧，而且N3-的空間分布與間隙Bσ+保持一致，呈現(xiàn)類(lèi)似的梯度分布，表明間隙Bσ+對(duì)N摻雜的空間分布起到了關(guān)鍵的導(dǎo)向作用。其根源在于Bσ+對(duì)周?chē)�的Ti-O鍵的弱化，使得N3-選擇性替代體相中被弱化的Ti-O鍵中的氧。同時(shí)，間隙Bσ+貢獻(xiàn)出的額外電子可有效補(bǔ)償N3-與O2-之間的電荷差異。

      研究獲得的B/N梯度共摻雜銳鈦礦TiO2材料呈現(xiàn)出獨(dú)特的紅色，在可見(jiàn)光全譜范圍內(nèi)具有高的吸光率。光催化性能研究表明，此材料的光電解水產(chǎn)氫活性響應(yīng)范圍接近700納米。該結(jié)果預(yù)示有可能利用TiO2基光催化材料來(lái)實(shí)現(xiàn)高效可見(jiàn)光分解水制氫。

       該工作為如何基于摻雜實(shí)現(xiàn)寬帶隙光催化材料的可見(jiàn)光吸收提供了一種新思路，可用于發(fā)展高性能可見(jiàn)光光催化材料。據(jù)了解，該工作已得到了中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金委重大研究項(xiàng)目、科技部973項(xiàng)目和中科院“太陽(yáng)能行動(dòng)計(jì)劃”的資助。