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新能源领域迎来突破,无毒的铋材料有望成为下一代
发布日期:2017-07-26     来源:第一压铸     浏览次数:
核心提示:铋,在元素周期表中与铅紧邻,与铅一样是一种重金属,但它却是无毒的,被称为“绿色元素”,广泛应用于化妆品、个人护理产品以及药物中。

我们现在所看到的布满原野和屋顶的太阳能电池,大部分是由硅材料制成的。硅的能量转化率很高,但是它存在着一个很严重的问题,那就是必须采用高纯度的硅材料,而这就导致了硅基太阳能电池的生产属于典型的劳动密集型。

新能源领域迎来突破,无毒的铋材料有望成为下一代太阳能电池

图丨硅基太阳能电池

过去的几年时间,研究人员一直在寻找一种材料,希望其性能接近于硅,甚至更好,但是对纯度要求不高,生产成本较低。其中最理想的一种材料是卤化铅钙钛矿混合物,这种材料被认为有望带来太阳能领域的革命。 

钙钛矿太阳能电池不仅成本低、易于生产,而且在几年的生命周期内,它几乎与硅基太阳能电池一样高效,展现出了巨大的应用潜力。但是,在科学界,它仍然备受争议,原因就是铅是其化学结构中必不可少的组成部分。而铅是有毒的重金属材料。钙钛矿太阳能电池中的铅是否对人类、动物以及环境构成具体的威胁,尚未有定论。但是,一些科学家已经在寻找无毒材料来替代铅,期望不产生任何负面影响。

新能源领域迎来突破,无毒的铋材料有望成为下一代太阳能电池

图丨卤化铅钙钛矿

剑桥大学卡文迪什实验室以及材料科学与冶金系的 Robert Hoye 博士表示,“我们一直试图找出铅基钙钛矿太阳能电池的性能不受缺陷影响的原因。如果能够找到这一原因,那么就有可能利用无毒材料去复制其优异的性能。” 

来自英国剑桥大学、美国麻省理工学院、美国国家可再生能源实验室以及美国科罗拉多矿业大学的研究人员组成的研究团队,发现铋有望替代铅,用于生产下一代太阳能电池。

新能源领域迎来突破,无毒的铋材料有望成为下一代太阳能电池

图丨表面被氧化的金属铋

铋,在元素周期表中与铅紧邻,与铅一样是一种重金属,但它却是无毒的,被称为“绿色元素”,广泛应用于化妆品、个人护理产品以及药物中。 

该项研究中,Hoye 及其同事研究的是碘氧化铋材料。以前,碘氧化铋也曾被研究用于太阳能电池以及水分解,但是最终由于其效率低并且在液态电解质中会分解而被放弃。

新能源领域迎来突破,无毒的铋材料有望成为下一代太阳能电池

图丨碘氧化铋光吸收剂

英美两国的研究人员则利用理论和实验方法重新研究了这个材料,寻找其用在固态太阳能电池中的可能性。结果发现,碘氧化铋拥有与卤化铅钙钛矿一样高的缺陷容忍度。另外,碘氧化铋在空气中能够稳定存在至少 197 天的时间,这一性能较一些卤化铅钙钛矿混合物有显著提高。他们将碘氧化铋光吸收剂夹在两个氧化物电极中间,结果显示将 80% 的光转化为了电。 

铋基器件可以采用常规工业技术生产,说明可进行规模生产并且成本较低。剑桥大学材料科学与冶金系的 Judith Driscoll 教授表示,“碘氧化铋具备了作为新型高效光吸收剂的所有物理性能。在 5 年前第一次考虑这种材料,但是为了证明它确实有真正实际应用的价值,却是很不容易的,需要我们这样一个大型团队进行大量的专业实验以及理论分析。”

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图丨剑桥大学材料科学与冶金系 Judith Driscoll 教授

麦格达伦学院的初级研究员 Hoye 表示,“该项研究说明,关于碘氧化铋的早期理论是正确的,它们确实有望用于制备优异的太阳能电池。并且,对于它们的性能应用,我们目前仍知之甚少。”

新能源领域迎来突破,无毒的铋材料有望成为下一代太阳能电池

英国伦敦大学学院的理论家 David Scanlon 表示,“之前,太阳能电池领域的研究团队一直在寻找能够替代钙钛矿的无毒性材料,但是在光伏性能方面并没有获得成功。而当我看到该项研究成果时,我的团队基于光学特性进行了计算,碘氧化铋能效的理论上限为 22%,可与目前市场上性能最佳的太阳能电池媲美。基于这项研究,我们还可以获得更多的信息。”

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