促进太阳能发电：杜克大学的研究人员正在探索改进太阳能电池板的方法
发布日期：太阳能为何没有得到更广泛的应用？毕竟，光伏电池利用阳光发电，这是一种免费且本质上无限的资源。
原因之一是当今的光伏电池效率相对较低。它们仅释放出从太阳吸收的能量的大约四分之一。如果效率能够提高，太阳能电池板可以占用更少的空间，同时输出更多的电力。
“归根结底，效率是太阳能面临的挑战，”说 艾德丽安·斯蒂夫·罗伯茨博士，他是电气和计算机工程 Jeffrey N. Vinik 教授。 “如果太阳能电池效率更高，那么该技术[每单位发电量]的成本就会更低，而且您正在谈论可再生能源将成为碳基能源的替代品。”
在杜克大学，斯蒂夫-罗伯茨和她的同事正在研究新的光伏技术，有一天可以从阳光中捕获更多的能量。
提高太阳能电池效率的一种方法是改变其化学组成。目前的太阳能电池使用硅，这是一种寿命长、传输电荷能力强、吸收光能令人满意的无机元素。另一方面，某些有机分子非常善于吸收光能，但在水分和氧气存在的情况下会迅速降解。
有机分子的好处超出了它们的光吸收特性。 “有机化学家可以设计具有各种功能的有机分子，”斯蒂夫-罗伯茨说。 “他们可以很灵活。”
斯蒂夫-罗伯茨说，将无机和有机化合物结合到一个太阳能电池中，可以提供“两全其美”的效果。但使用这些混合材料并不容易。
一方面，混合材料必须沉积为纳米厚的薄膜，起到半导体的作用。薄膜半导体在我们日常使用的设备中已经无处不在，例如手机、电脑和电视。但这些半导体通常是由无机矿物制成的。将它们沉积在薄膜中的技术不适用于有机化合物。
有多种方法可以在薄膜中沉积有机分子，但它们要么只适用于小有机分子，要么在沉积太阳能电池所需的多层时面临挑战。
现在，斯蒂夫-罗伯茨和她的团队已经开发并演示了一种沉积由无机和大型有机化合物制成的混合材料的技术。 “我的团队提出了一种新颖的方法，与其他人所做的完全不同，”她说。
“我们的证词非常温和。 [有机分子]从来源转移到基质，没有任何变化。”
Stiff-Roberts 通过制造一种乳液（例如油和醋）来挑战传统工艺，其中有机分子像油滴一样悬浮在水中。这可以保护大分子在沉积过程中不被破坏。
她最近作为 BRITE 研究员获得了美国国家科学基金会 $1 百万美元的资助，以研究扩大其基于实验室的混合材料薄膜沉积技术的可行性，使其在商业上可行。
太阳能研究人员正在研究的最有前途的混合材料之一是钙钛矿，这是一种天然存在的矿物，经过处理可以将有机分子接纳到其晶体结构中。有机分子被困在晶格中，就像华夫饼孔中的黄油一样。
在过去的十年中，实验性混合钙钛矿太阳能电池的效率取得了突飞猛进的提高，比传统和其他实验性太阳能技术的提高速度要快得多。 “这刺激了这个领域的各种投资和研究，”斯蒂夫-罗伯茨说，她已经证明她的技术适用于薄膜混合钙钛矿。
Stiff-Roberts 与杜克大学工程同事密切合作，包括理论家 Volker Blum、杜克大学机械工程和材料科学副教授、材料设计师 David Mitzi、杜克大学机械工程和材料科学教授 Simon Family。
这三个实验室是由能源部资助、总部位于国家可再生能源实验室的国家中心的一部分，该中心研究钙钛矿和其他混合材料的基本特性。
“这些材料有很多我们不了解的地方，”斯蒂夫-罗伯茨说，“如果你不了解这些材料，你就无法改进它或控制它来制造更好的设备。”
然而，制造更好的设备只是第一步。斯蒂夫-罗伯茨表示，从化石燃料向可再生能源的转变将需要多个学科的参与——不仅是科学和工程，还包括从政策到经济学的各个领域。她发现杜克大学的本科生和研究生正在热情地研究这些问题，通常是在多学科环境中，例如全校巴斯连接团队或尼古拉斯能源、环境和可持续发展研究所。
“如果你想解决可再生能源问题，”她说，“一切都是相关的。杜克大学在所有这些更广泛的方面都拥有专业知识。这就是杜克大学可以提供的独特之处。”
(C) 杜克大学
原文来源： WRAL 技术线