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不可思議！未來你家的窗戶也能發(fā)電了!
發(fā)布時間：2022-11-01
透明窗戶也能發(fā)電？
不知道你們有沒有想過這樣場景，我們住的公寓樓，城市里遍布的玻璃幕墻建筑，里面的每一扇玻璃窗都會成為發(fā)電機，可以在炎炎夏日為空調供給電力，或在隆冬給房間里的熱水器供電。這些原本只存在于科幻場景里的東西，正慢慢變成為現(xiàn)實。
今年4月，《NanoEnergy》雜志上刊登了一則關于澳大利亞ARC激子科學中心和莫納什大學教授杰克·杰森帶領的研究團隊研制出了半透明的鈣鈦礦太陽能電池的報道。這報道咋一看似乎平平無奇，但其實它的精華都集中在了“半透明”這三個字上。
“半透明”意味著什么呢？就是這種電池在產(chǎn)生電能的同時，還可以讓光通過！如果能將它與玻璃產(chǎn)品結合起來，那窗戶就可以被改造成一個自主發(fā)電機，為電力、建筑、城市規(guī)劃等行業(yè)都帶來革命性的變化。
雖然到目前為止，半透明太陽能電池的商用研究仍在路上，距離我們正式見到它可能還需要一些時間。但在那之前，我們完全可以先來了解一下這種名為“鈣鈦礦”的材料到底有什么樣能耐，可以引起各國研究者的巨大興趣。
人類對于太陽能的利用
還不充分?。。?br />
隨著全球氣候變暖的加劇，極端天氣對人類和野生動物的生存活動造成了嚴重威脅，導致氣候變暖的溫室氣體CO2、SO2主要來自化石燃料的燃燒，隨之帶來的霧霾天氣也讓我們無處遁逃。因此，亟待開發(fā)可以替代化石燃料的清潔能源，如風能、地熱能、太陽能、潮汐能等。
其中，太陽能是眾多清潔能源中最為理想的可再生能源，它取之不盡、用之不竭，是宇宙對我們最好的饋贈。如果把太陽光照射地球一小時的能量“全部”收集起來，夠全人類使用一年。倘若將地球荒漠面積的1%裝上光伏電站，就可以滿足人類目前用電量的需求。
既然太陽的能量如此巨大，為什么沒能取代化石能源？太陽能又該如何更高效利用？想要弄清楚這些問題，我們就需要先了解太陽能電池的工作原理：
一個典型的硅晶太陽能電池，主要由以下幾個部分疊合組成：
當太陽照射電池板時，吸光層內部的電子通過光照獲得了能量，部分帶負電的電子離開始“活躍”起來，它們穿過電子傳輸層，在負極被收集。同時，帶正電的空穴向反方向傳遞，在正極被收集。當電池正負極導通，電子和空穴流動起來形成電流，從而實現(xiàn)了光能到電能的轉換。
過去幾十年里，太陽能電池的對太陽光的吸收轉化運用并不充分，很大原因在于吸光材料對于太陽能量的利用率不高。光電轉換材料，制約了太陽能電池的進一步發(fā)展。
● 第一代太陽能電池所利用的光電轉換材料主要是硅，這種間接帶隙半導體，不能以最小的光能激發(fā)吸光層材料產(chǎn)生電流，所以光電轉化效率不高；
● 第二代太陽能電池的光電轉換材料升級，使用直接帶隙半導體，例如砷化鎵、碲化鎘、銅銦鎵錫等，盡管相比于第一代吸光材料而言，這種材料更加高效，但它們也面臨制備成本高、材料純度要求嚴苛的弊端。
鈣鈦礦太陽能電池的構造與運行機理示意圖
典型的太陽能電池結構主要有五部分疊合而成，包括一個吸光層、兩個傳輸層、兩個電極，其中吸光層至關重要，它是光能與電能的紐帶，是能量轉換的開關。
鈣鈦礦就是在這一層中大顯身手的。當太陽能電池工作時，吸光層受到光照，它內部的電子獲得能量，這些電子就如同吃飽飯的孩子精力充沛變得非常淘氣，要來一場說走就走的旅行，它們掙脫吸光層的束縛，再通過傳輸層的助力向外部傳遞；與此同時，當帶負電的電子離開后，留下了帶正電的空穴，朝著電子的反方向傳遞，就這樣電子和空穴流動起來，構成外部電流，實現(xiàn)了光能向電能的轉換。
隨著太陽能電池研發(fā)制備技術的升級，鈣鈦礦光電轉換材料橫空出世，成為太陽能電池領域的研究熱點。
鈣鈦礦太陽能電池的發(fā)展雖然只有十余年的時間，但是它的光伏發(fā)電效率卻能從3%提升至30%左右。相比于前幾代光電轉換材料，鈣鈦礦材料兼具了高效率和低成本制備的優(yōu)勢，與發(fā)明了近70年的硅太陽能電池相比，說它是乘著火箭發(fā)展起來的也不為過。
神奇的鈣鈦礦材料
鈣鈦礦自“出生”就“天賦異稟”，得到了廣泛的關注
那么它究竟是一種什么物質呢？
1839年，德國科學家在考察烏拉爾山脈時發(fā)現(xiàn)了一種元素組成為 CaTiO3的礦石，并將其命名為"perovskite”以紀念同名的俄國地質學家。發(fā)現(xiàn)該礦石的地質學家一定不會想到，二百余年后的今天，這種深埋地下的棕色礦石衍生出的材料竟然會聚焦在陽光下，成為新能源材料領域炙手可熱的新星。
鈣鈦礦不是一種“礦”，它其實和鈣、鈦、礦三個字都沒什么關系。光伏領域的所謂“鈣鈦礦”，指的是一類與鈣鈦礦（CaTiO3）晶體結構類似的“ABX3”化合物。
這種結構長成下面這個樣子，它具有對稱的立方八面體晶格結構，后來科學家們將擁有這種晶格結構的一類物質統(tǒng)稱為鈣鈦礦。
這類材料通常具有ABX3的化學式，其中A,B,X都對應著不同的離子，通常，A代表有機胺陽離子，B代表金屬陽離子，如Pb離子、Sn離子，X代表鹵素陰離子。
因此，鈣鈦礦指的不是特定材料，而是一種結構，一類物質。這類材料應用的光電領域具有極大的優(yōu)勢，包括種類繁多，對光的吸收能力強，吸收范圍廣，幾乎可以吸收全部可見光；并且能在溫和條件下實現(xiàn)低成本的制備，對產(chǎn)業(yè)化應用極具意義。
2009年，日本科學家宮坂力造出了世界上第一塊鈣鈦礦太陽能電池，當時的轉化率只有3.8%，彼時晶硅電池實驗室轉化效率已經(jīng)達到了18%左右。但僅僅5年后，鈣鈦礦電池的光電轉換效率便已躍升至19.3%，提高了5倍，被《科學》雜志評為2013年的10大科學突破之一。到2022年，這數(shù)字已經(jīng)來到了29.8%，由德國HZB研究中心創(chuàng)造；其進步之快，潛力之大，超過目前效率最高的異質結、TOPCon等晶硅技術的效率極限，將同為薄膜電池的其它技術路線甩開幾條街。
鈣鈦礦太陽能電池的制備成本僅僅是單晶硅太陽能電池的十分之一，卻能達到與之相似的效率。它是如何實現(xiàn)低成本制備的呢？
與傳統(tǒng)吸光層復雜的純化和刻蝕工藝不同，鈣鈦礦太陽能電池可以通過簡單的溶液法合成。
目前實驗室使用最為廣泛的方法是旋涂法，即在基底材料表面滴加溶液，高速旋轉后均勻鋪開結晶成膜，可用于微型器件的制備。
大面積制備可以通過柔性印刷工藝實現(xiàn)，這與平時的紙質印刷的原理相似，就如同油墨鋪在紙張上一樣，高效且成本低廉。在太陽能電池中，鈣鈦礦層僅需0.5微米就可以實現(xiàn)光電轉換的功能，而硅則需要200微米。
因此，鈣鈦礦太陽能電池原料成本低，工藝簡單，并且可以在柔性基地表面制備；克服了傳統(tǒng)電池制備對環(huán)境要求嚴苛、制備工藝高能耗、高成本、易造成環(huán)境污染的缺點。
鈣鈦礦太陽能電池憑借著自身微型化、柔性化、輕質化的特點，可以部署在那些無法承受或不能安裝晶硅電池的地方，小到為柔性可穿戴電子產(chǎn)品供電；再到汽車天窗，安裝在車頂為汽車提供混合動力；大面積太陽能電池板甚至能貼附于大樓表面，為整棟大樓供電。
除了我們的日常生活，在空天科技領域鈣鈦礦太陽能電池也能大顯神通。
例如為無人機巡航提供能源動力；應用在月球車和衛(wèi)星的帆板，源源不斷地提供動力來維持宇宙飛行器的日常運行；甚至還能應用在空間站，成為最堅實可靠的能源保障。
鈣鈦礦被用在光伏太陽能電池中
它具體有哪些優(yōu)勢與劣勢？
01/優(yōu)勢
光電轉化效率高
鈣鈦礦材料具有較高的光吸收系數(shù)和較長的載流子擴散距離。在可見光波長（380~800nm）范圍內，鈣鈦礦的光吸收系數(shù)比硅高1-2個數(shù)量級，因此鈣鈦礦薄膜只需要幾百納米就有較強的吸光能力；鈣鈦礦材料吸收的光子轉換成電子后，由于其載流子具有較長的擴散距離（幾個微米，遠大于鈣鈦礦薄膜厚度），很容易被電極收集、損耗較小，因此能產(chǎn)生較高的光生電壓和電流，綜合表現(xiàn)出較高的光電轉換效率。
弱光性能好
鈣鈦礦光伏電池弱光下具有優(yōu)異的光電轉化效率，未來有機會將室內照明的弱光和陰天時室外弱的太陽光利用起來發(fā)電，這也是鈣鈦礦光伏區(qū)別于傳統(tǒng)硅基光伏的一大優(yōu)勢。
理論研究表明，弱光下光伏電池的發(fā)電效率跟能帶間隙有關，在接近2eV帶隙時，光伏電池在弱光下的效率高達52%。由于鈣鈦礦材料帶隙可調、光吸收系數(shù)高、對雜質不敏感，對應的光伏電池對缺陷態(tài)的包容度較高，其在弱光下仍具有優(yōu)異的光電裝換效率。而晶硅的帶隙約1.1eV，偏離2eV較多，弱光下發(fā)電效率很低。
相關的研究表明，鈣鈦礦光伏電池在200 Lux的弱光下仍可輸出25%以上的光電轉換效率。夏季明朗的室內光照強度為100～550 Lux，而100 W的白熾燈光照強度約1200 Lux，熒光燈的發(fā)光效率是白熾燈的3～4倍，這就意味著鈣鈦礦光伏未來有望在室內弱光條件下為一些低能耗電器提供可靠穩(wěn)定的電力來源。
光伏特性可調
鈣鈦礦材料可以通過調節(jié)組分，使其能帶間隙在1.4~2.3eV之間連續(xù)可調，因此可以衍生出區(qū)別于硅基光伏的應用：
● 如調整帶隙至2eV左右，使其適用于弱光下高效發(fā)電；
● 用于建筑玻璃上，將鈣鈦礦薄膜做成不同顏色或者半透明的狀態(tài)，做在質輕的柔性基底上實現(xiàn)建筑光伏一體化，即BIPV或者BAPV；
● 制成疊層電池，設計不同帶隙的鈣鈦礦層，并彼此或是與其他光伏材料疊加，從而使不同波長的光能轉化成電能；
而相比較之下，晶硅光伏電池只有單一的帶隙，性能的優(yōu)化空間與應用場景均十分有限。
02/劣勢
然而，集眾多優(yōu)勢于一身的鈣鈦礦材料在實現(xiàn)工程應用路上，仍存在著亟待解決的瓶頸問題，吸引著科學家們不斷探索鉆研，主要表現(xiàn)三個方面：
01
有些鈣鈦礦含Pb這種有毒物質，因此開發(fā)無毒化鈣鈦礦材料一直是該領域重要的研究方向，目前已經(jīng)有研究成果表明可以用Sn元素來替代Pb，也能實現(xiàn)高的光電轉換效率；
02
鈣鈦礦材料對于氧氣和水不穩(wěn)定，這個問題一方面可以通過改善封裝技術來解決；
03
目前很多課題組都將研究重點從刷高效率轉移到提高環(huán)境穩(wěn)定性上來，在不久的將來，其穩(wěn)定性問題相信也一定會被突破，從而實現(xiàn)批量制備，推動其產(chǎn)業(yè)化應用；
理研計器提供技術保障
目前，鈣鈦礦太陽能電池進入深入研究階段，而如何在現(xiàn)有技術基礎上，進一步降低成本，提高效率和穩(wěn)定性，推進其產(chǎn)業(yè)化，是將來主要的研究方向。
這其中就需要通過光電子能譜表界面分析技術對鈣鈦礦降解機理進行系統(tǒng)的研究，獲取材料表界面的能帶結構、化學鍵、元素結構、功函數(shù)等信息，從而深入理解鈣鈦礦分解過程，找到相應解決方案。
理研計器的AC-2S系列一直活躍于各大光電材料分析領域，服務于材料基因組學、表界面工程、新材料的設計以及新器件的研發(fā)！
原理
由紫外光源射出的紫外光，經(jīng)由分光器單色化后，照射到樣品表面。根據(jù)光電效果的原理（物質通過吸收光子的能量，激發(fā)出光電子），所激發(fā)的光電子被電子產(chǎn)額檢測器檢測收集后，生成相應譜圖。紫外線的波長λ可由以下公式換算成光的能量E：
? Tip
E=h ν＝h?c / λ
（h：普朗克常數(shù)，ν：光的振動頻率，c：光速，λ：波長）
當照射的紫外光的強度逐漸變大時，如圖所示，可從光電子激發(fā)的閾值能量中求得逸出功或者電離勢能。
AC-2S 系列針對各個用戶群體進行功能細分化，開發(fā)了AC-2S Proα/β的機型↓↓↓
1＜溫度條件測試＞最高可以升溫至100℃
加裝了加熱樣品臺，最高可加熱至100℃(最低為室溫)
▲可用于測定因溫度變化而發(fā)生性質變化的新材料
2＜壽命長?大光量的新型光源＞壽命延長超過10倍
新型激光驅動光源(LDLS)擁有極長壽命(普通氘燈的10倍以上)，大光量(最大2500nW)等特點，可滿足材料逸出功測定的各種需要。
▲由于壽命極長，所以不用頻繁更換光源配件
3＜微小領域測定＞
極小光斑(~0.4mm見方)測定
▲可以測定極小面積的材料，適合半導體晶圓或像素點等材料
4＜低能量范圍＞
能量下限可低至2.0eV
▲配合大光量光源，可測試某些逸出功較低的新型材料
AC系列的優(yōu)點
1 可在大氣中簡單測試
無需進入真空狀態(tài)，樣本更換簡單，可在短時間完成測量。
2 對材料的破壞 小 并且測量值的再現(xiàn)性高
原理是照射強度較弱的紫外線，檢測釋放的微量光電子，因此對材料的破壞小， 測試的再現(xiàn)性高。
3 AC 系列有眾多的導入實績
在全世界的大學、研究機構中有導入實績，被2000多篇論文引用刊載。
AC系列在材料研究領域一直響應著研究者的需求，其主要應用領域在電子器件產(chǎn)業(yè)、能源產(chǎn)業(yè)、研究所、大學等方面：
光伏產(chǎn)業(yè)
使用鈣鈦礦型有機金屬鹵化物的可視光敏太陽能電池，可以使用AC系列測定鈣鈦礦太陽能電池材料的逸出功；同時，AC系列也能夠準確測定有機和無機空穴傳輸材料能級，用于篩選空穴電荷傳輸材料。
鋰電池產(chǎn)業(yè)
用于鋰離子電池正極材料的循環(huán)性能增強的表面處理技術，可以使用AC系列測量鋰電池正極材料的電離勢能；
氫燃料電池產(chǎn)業(yè)
使用非貴金屬的新型燃料電池電極材料開發(fā)應用研究，可以使用AC系列測定燃料電池電極材料的電離勢能；
目前，AC系列正在全世界被廣泛使用，特別是各大學術機構，目前已有數(shù)千篇相關論文發(fā)表在各大知名雜志(Nature Science RSC等)上，目前使用AC系列的研究機構：
研究機構
東京大學、京都大學、名古屋大學、山形大學、九州大學、理化學研究所、物質?材料研究機構、東京工業(yè)大學、信州大學、斯坦福大學(美國)、普林斯頓大學(美國)、斯特拉斯堡大學(法國)、弗勞恩霍夫應用研究促進協(xié)會(德國)、柏林洪堡大學)德國)、北京大學(中國) 、華南理工大學(中國)、武漢大學(中國) 、工業(yè)技術院(中國臺灣)、韓國電子技術院(韓國)、慶北大學(韓國)、 VISTIC(泰國)、 IMRE 研究所(新加坡)、 CSIRO(澳大利亞)、KAUST(沙特阿拉伯)等
隨著相關企業(yè)和科學家們對鈣鈦礦研究的加深，鈣鈦礦太陽能電池技術也有望趨于成熟，理研計器希望在這條攻堅克難的挑戰(zhàn)之路上，貢獻出自己的技術力量。
結語
“碳達峰”和“碳中和”一直都是能源領域的熱點話題，作為助力“雙碳”戰(zhàn)略的生力軍，光伏產(chǎn)業(yè)具有舉足輕重的地位。
目前在我國，已經(jīng)開始大力推廣光伏產(chǎn)業(yè)。大面積的農(nóng)田村莊都已經(jīng)安裝了太陽能電池板，據(jù)國家發(fā)改委預測，到2050年光伏會成為中國第一大能源。因此，合理開發(fā)利用太陽能，對國家發(fā)展和人類生存具有重要的意義。
理研計器擁有600多種氣體傳感器和100多種氣體探測器。未來，我們仍將不斷開發(fā)新產(chǎn)品、研發(fā)各項新功能，使得氣體檢測儀在應用上更先進、更適合日新月異的市場環(huán)境，致力于為用戶提供一個最可靠、最準確、最安全的氣體檢測方案。
理研計器必將在未來氣體產(chǎn)業(yè)的生命安全畫卷中，添上濃墨重彩的一筆，守護人們的幸福生活，為生產(chǎn)和生活不斷創(chuàng)造新價值！為用戶選配適合原理的檢測儀，用成熟的工藝完善氣體檢測系統(tǒng)。