新型太阳能电池优点及不足_发展趋势

　　太阳能，是地球上生命最主要的能量来源。用光能转化为电能的太阳能电池技术已经发展了70多年。然而，由于技术的种种局限性，传统的太阳能电池还无法真正替代化石能源。一种新型材料钛钙矿的出现，让太阳能电池的研究取得了新的突破，这种新材料到底是什么？它做成的新型太阳能电池相比传统的，到底有什么不同呢？

　　什么是太阳能电池

　　说到太阳能电池的工作原理，就得提一下光电效应。光电效应是上个世纪杰出的物理学家爱因斯坦发现的。太阳能电池就是将太阳光转化为电能的装置。如今太阳能电池对于我们来说并不陌生，也许您坐在家里的时候，您家的屋顶就有太阳能电池在供电，马路上的路灯、共享单车、小朋友们的电动玩具、甚至是我国的嫦娥4号登月探测器上，其实都带着太阳能电池。这些地方用的太阳能电池都属于同一类，那就是以硅为原料的传统太阳能电池。

　　用硅来制造太阳能电池，需要上千度的温度，以及真空的环境，同时原材料的成本也不低。科学家一直希望把原材料的成本，以及制造的成本进一步降低，这也是人们想要更进一步发展新型太阳能电池的动力。与由晶体硅制成的有机太阳能电池相比，有机太阳能电池的生产成本更低且更具柔性，但效率或稳定性却不相同。FAU材料科学与工程系主任，电子与能源技术材料研究所（i-MEET）主任Christoph Brabec教授领导的一组研究人员多年来一直在致力于改善这些性能。FAU的年轻研究员Andrej Classen在其博士论文期间证明，使用发光受体分子可以提高效率。他的工作现已发表在《自然能源》杂志上。

　　什么是新型太阳能电池

　　为了克服晶体硅太阳能电池的缺点，一种新型太阳能电池出现了，这就是目前国际研究最热门的钙钛矿太阳能电池。钙钛矿是1839年一位德国矿物学家，在俄罗斯乌拉尔山脉发现的。随着研究深入，科学家发现钛酸钙具有一种特殊的晶体结构，为了命名的方便，于是就把这一类具有同样晶体结构的物质，都叫做钙钛矿。钙钛矿太阳能电池里头并没有钙和钛，而是一些具有钙钛矿结构的材料。人们发现用钙钛矿类材料制造的太阳能电池有着很多意想不到的优点。

　　在欧洲纬度晴朗的晴天，太阳可以提供每平方米约1000瓦的辐射能。常规的单晶硅太阳能电池最多可将这种能量的五分之一转换为电能，这意味着它们的效率约为20％。自2019年9月以来，布拉贝克教授的工作组保持了12.6％的有机光伏模块效率的世界纪录。在纽伦堡Energie Campus（EnCN）开发的多电池模块的表面积为26cm?。Brabec教授说：“如果我们在实验室中能达到20％以上，那么在实践中我们可能会达到15％，并成为硅太阳能电池的真正竞争者。”

　　新型太阳能电池的优点

　　这个新型太阳能电池可以做得非常薄。只需要一根头发丝百分之一的厚度，就可以做成太阳能电池。同时这个材料对光的吸收能力非常强。它只用一微米左右的厚度，就可以吸收近100%的太阳光谱中可见光的能量。

　　硅材料太阳能电池的加工需要1000摄氏度以上的高温，还需要高真空环境。而钙钛矿电池的制造只需要一台类似于印刷机的设备，在100摄氏度的温度下，就能够加工制造。有机太阳能电池的优势是显而易见的-它们像箔一样薄且柔软，可以适应各种基材。可以通过使用的宏模块来“调整”吸收太阳光的波长。涂有吸收红色和红外光谱的有机太阳能电池的办公室窗户不仅可以屏蔽热辐射，而且还可以同时发电。

　　新型太阳能电池的不足

　　早期研究发现，钙钛矿太阳能电池只能维持几分钟的寿命。现在随着研究的深入，它的寿命已经提高到几千个小时。然而还是不够长。与“传统”硅太阳能电池相比，它的有机等效物有一个明显的缺点：阳光不会立即为电流流动产生电荷，而是所谓的激子，其中正负电荷仍然束缚。Heumüller博士解释说：“需要一个只吸引负电荷的受主才能触发电荷分离，这又会产生自由电荷，从而可以发电。”

　　需要一定的驱动力来分离电荷。该驱动力取决于所用聚合物的分子结构。由于富勒烯类材料中的某些分子具有较高的驱动力，因此到目前为止，它们一直是有机太阳能电池中电子受体的首选。然而，与此同时，科学家发现高驱动力会对电压产生不利影响。这意味着，按照适用于直流电的公式，太阳能电池的输出会减少-功率等于电压乘以电流。

　　新型太阳能电池的未来

　　钙钛矿太阳能电池具有能直能弯的特点，将它印刷在衣服上，可以让人们的衣服变成一块巨大的太阳能电池。

　　除此之外也可以涂抹在建筑物表面，因为钙钛矿太阳能电池可以做成半透明的，甚至可以做成彩色的，印在窗户上，既能发电又能透光还好看，一举数得。