在所有將國(guó)家的能源供應(yīng)轉(zhuǎn)換為可再生資源的努力中，太陽(yáng)能仍然只占美國(guó)發(fā)電量的不到3%，部分原因是生產(chǎn)太陽(yáng)能電池的成本相對(duì)較高。降低生產(chǎn)成本的一個(gè)方法是開發(fā)使用比今天的硅基模型更便宜的材料的太陽(yáng)能電池。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，一些工程師已經(jīng)將目光投向了鹵化物過氧化物，這是一種人類制造的材料，其重復(fù)的晶體形狀像立方體。
圖中顯示了未經(jīng)改變的過氧化物分子（左）的結(jié)構(gòu)，其中碘離子（紫色）正在遷移；以及添加了釹離子（紅色）的過氧化物分子，以幫助保留碘離子。資料來源：Yang Lab/UCLA
從理論上講，基于過氧化物的太陽(yáng)能電池可以用比硅成本更低、更容易獲得的原材料來制造；它們也可以用更少的能源和更簡(jiǎn)單的制造工藝來生產(chǎn)。
但是到目前為止，一個(gè)絆腳石是過氧化物在暴露于光和熱的情況下會(huì)分解--這對(duì)旨在從太陽(yáng)中產(chǎn)生能量的設(shè)備來說尤其成問題。
加州大學(xué)洛杉磯分校的博士后研究員和該研究的第一作者Yepin Zhao拿著一枚基于過氧化物的太陽(yáng)能電池。資料來源：Yang Lab/UCLA
現(xiàn)在，一個(gè)由加州大學(xué)洛杉磯分校領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際研究合作已經(jīng)開發(fā)出一種方法，在太陽(yáng)能電池中使用過氧化物，同時(shí)保護(hù)它不受導(dǎo)致其惡化的條件影響。在最近發(fā)表在《自然材料》上的一項(xiàng)研究中，科學(xué)家們將少量的離子-也就是帶電的原子直接添加到過氧化物中。
他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)暴露在光和熱下時(shí)，增強(qiáng)后的過氧化物晶體不僅更加耐用，而且還能更有效地將光轉(zhuǎn)化為電。
通訊作者、加州大學(xué)洛杉磯分校工程系Carol and Lawrence E.Tannas,Jr.教授說："可再生能源至關(guān)重要。過氧化物將是一個(gè)游戲規(guī)則的改變者，因?yàn)樗梢砸怨璧姆绞竭M(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)，而且我們已經(jīng)確定了一種添加劑，將使這種材料變得更好。"
鹵化物過氧化物能夠?qū)⒐廪D(zhuǎn)化為電，是由于其分子形成重復(fù)的立方體網(wǎng)格的方式。這種結(jié)構(gòu)是由帶相反電荷的離子之間的鍵固定在一起的。但是，光和熱往往會(huì)導(dǎo)致帶負(fù)電的離子從過氧化物中彈出，這破壞了晶體結(jié)構(gòu)，削弱了該材料的能量轉(zhuǎn)換特性。
圖中顯示了未經(jīng)改變的過氧化物分子（左）的結(jié)構(gòu)，其中碘離子（紫色）正在遷移；以及添加了釹離子（紅色）的過氧化物分子，以幫助保留碘離子。資料來源：Yang Lab/UCLA
釹通常被用于麥克風(fēng)、揚(yáng)聲器、激光器和裝飾玻璃。它的離子大小正好可以嵌在立方過氧化物晶體中，而且它們帶有三個(gè)正電荷，科學(xué)家們假設(shè)這將有助于將帶負(fù)電的離子固定在原位。
研究人員在每10000個(gè)過氧化物分子中加入了大約8個(gè)釹離子，然后測(cè)試了該材料在太陽(yáng)能電池中的性能。在最大功率下工作并在連續(xù)光照下超過1000小時(shí)，使用增強(qiáng)型過氧化物的太陽(yáng)能電池保持了約93%的光轉(zhuǎn)換效率。相比之下，使用標(biāo)準(zhǔn)過氧化物的太陽(yáng)能電池在相同的條件下經(jīng)過300小時(shí)后失去了一半的電力轉(zhuǎn)換效率。
研究小組還在沒有任何設(shè)備取電的情況下對(duì)太陽(yáng)能電池進(jìn)行了連續(xù)照射，這加速了過氧化物的降解。一個(gè)使用含釹的過氧化物的設(shè)備在超過2000小時(shí)后保留了84%的電力轉(zhuǎn)換效率，而一個(gè)使用標(biāo)準(zhǔn)過氧化物的設(shè)備在該時(shí)間后直接無法使用。
為了測(cè)試材料承受高溫的能力，研究人員將帶有這兩種材料的太陽(yáng)能電池加熱到大約180華氏度。使用增強(qiáng)型過氧化物的太陽(yáng)能電池在超過2000小時(shí)后保持了約86%的效率，而標(biāo)準(zhǔn)的過氧化物裝置在這段時(shí)間內(nèi)完全失去了將光轉(zhuǎn)化為電能的能力。
在以前的許多旨在使過氧化物燃料電池更耐用的研究中，研究人員已經(jīng)嘗試在材料上添加保護(hù)層，但這在很大程度上是失敗的。增強(qiáng)材料本身的想法來自于主要作者Yepin Zhao，他是Yang實(shí)驗(yàn)室的一名博士后研究人員。Zhao說，他的靈感來自于一種通常用于生產(chǎn)硅半導(dǎo)體的技術(shù)--添加少量的其他化合物來改變材料的特性。
Zhao說："離子往往像高速公路上的汽車一樣在過氧化物中移動(dòng)，這導(dǎo)致了材料的分解。有了釹，我們找到了一個(gè)路障來減緩交通并保護(hù)材料。"
Yang說，這一進(jìn)展可能有助于過氧化物太陽(yáng)能電池在未來兩到三年內(nèi)進(jìn)入市場(chǎng)。
