科學家們將兩種材料結合在一起，在新式太陽能電池中吸收更多陽光。
這種情況下的“動態二人組”是矽（傳統光伏發電的主力）和一種名為鈣鈦礦的礦物。這種礦物最早在烏拉爾山脈被發現，並以俄羅斯礦物學家列夫·佩羅夫斯基的名字命名。這是一種由鈦酸鈣製成的晶體，具有有用的光伏特性。
在傳統的太陽能電池中，只有部分太陽光譜被利用，其餘部分被反射或以熱量的形式浪費掉。這種固有的障礙被稱為肖克利-奎伊瑟極限，對於矽來說，理論上將太陽光轉化為電能的效率最高為 33.7%，但在實際裝置中，該極限要低得多。
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一種繞過這種限制的方法是使用多種光伏材料，每種材料都針對太陽光譜的特定部分進行調整。這些多結太陽能電池在效率方面創造了世界紀錄，接近 50%，但它們需要昂貴的製造技術，限制了它們在衛星等小眾應用中的使用，或者需要使用鏡子將陽光集中在微小的電池上（ClimateWire，2014 年 10 月 20 日）。
然而，鈣鈦礦價格低廉且半透明，並吸收太陽光譜中的紫外線和可見光部分，因此可以與吸收紅外光的矽光伏電池很好地配對。
麻省理工學院機械工程助理教授 Tonio Buonassisi 說：“挑戰一直是如何將兩者結合起來。”
Buonassisi 解釋說，他和他的合作者之前演示了一種將鈣鈦礦層堆疊在矽層之上的電池，但在這種電池中，這些材料是作為獨立的電池發揮作用的。
一種組合方法
在昨天發表在《應用物理快報》雜誌上的一項研究中，研究人員展示了一種將這兩種材料結合在一起但作為一個整體單元工作的裝置。
該電池的尺寸為 1 平方釐米，由 200 微米厚的矽層和 1 微米厚的鈣鈦礦層組成。
研究人員對該裝置進行了結構設計，以利用量子隧穿效應，即電子勢可以穿過通常會限制其移動的勢壘。當正確波長的光線照射到鈣鈦礦時，它會動員一種電荷，該電荷會傳遞到矽中並透過電路。
麻省理工學院研究生、該報告的合著者 Jonathan Mailoa 在一封電子郵件中說：“在這個隧道結中，來自矽太陽能電池的空穴與來自鈣鈦礦太陽能電池的電子透過量子力學隧穿重新結合。這使我們的裝置能夠作為整體的鈣鈦礦-矽串聯電池工作。”
太陽光還在矽層中產生電流，因此最終的結果是電池產生的電壓高於兩層單獨產生的電壓。“我們從串聯電池中獲得的電壓幾乎完全是兩個電池的線性總和，即 1.65 伏，”Buonassisi 說。
演示電池的功率轉換效率僅為 13.7%，但隨著進一步的最佳化，研究人員預計效率將超過 25%。更高的效率意味著在給定的太陽能電池尺寸下產生更多的電力，這會提高功率輸出並降低整體系統成本。
串聯電池的效率仍然遠遠低於頂級多結電池所展示的效率。但是，由於製造成本較低，研究人員的目標不是與跑車太陽能電池競爭。相反，他們希望鈣鈦礦-矽太陽能電池能夠成為日常使用的產品，取代屋頂和太陽能發電廠中的傳統面板。
另一位合著者、斯坦福大學材料科學與工程研究生 Colin Bailie 說：“雖然矽需要一些非常高的溫度和非常精密的沉積技術，但鈣鈦礦部分非常簡單，其優勢就在於此。鈣鈦礦的所有層都可以透過類似於印刷報紙的過程進行印刷。”
仍然存在一些工程方面的挑戰：高效能鈣鈦礦層會快速退化，有時會在數小時內退化，這對於必須在各種環境下承受數十年的裝置來說是不利的。串聯裝置還需要頂部的視窗層，該層充當電極，但會限制透過的光量。
為了使他們的想法流行起來，研究人員還必須證明這些電池的改進效能將抵消新增鈣鈦礦的成本。 Mailoa 說：“從紙面上看，似乎存在機會視窗，但歷史表明，實際損失可能會迅速使天平向另一方傾斜。這需要出色的工程設計。”
經環境與能源出版有限責任公司許可，轉載自 Climatewire。www.eenews.net, 202-628-6500