加州大学洛杉矶分校的技术突破可能带来更耐用、更便宜的太阳能电池

在所有将国家的能源供应转换为可再生资源的努力中，太阳能仍然只占美国发电量的不到3%，部分原因是生产太阳能电池的成本相对较高。降低生产成本的一个方法是开发使用比今天的硅基模型更便宜的材料的太阳能电池。为了实现这一目标，一些工程师已经将目光投向了卤化物过氧化物，这是一种人类制造的材料，其重复的晶体形状像立方体。

从理论上讲，基于过氧化物的太阳能电池可以用比硅成本更低、更容易获得的原材料来制造；它们也可以用更少的能源和更简单的制造工艺来生产。

但是到目前为止，一个绊脚石是过氧化物在暴露于光和热的情况下会分解--这对旨在从太阳中产生能量的设备来说尤其成问题。

加州大学洛杉矶分校的博士后研究员和该研究的第一作者Yepin Zhao拿着一枚基于过氧化物的太阳能电池。资料来源：Yang Lab/UCLA

现在，一个由加州大学洛杉矶分校领导的国际研究合作已经开发出一种方法，在太阳能电池中使用过氧化物，同时保护它不受导致其恶化的条件影响。在最近发表在《自然材料》上的一项研究中，科学家们将少量的离子 - 也就是带电的原子直接添加到过氧化物中。

他们发现，当暴露在光和热下时，增强后的过氧化物晶体不仅更加耐用，而且还能更有效地将光转化为电。

通讯作者、加州大学洛杉矶分校工程系Carol and Lawrence E. Tannas, Jr.教授说："可再生能源至关重要。过氧化物将是一个游戏规则的改变者，因为它可以以硅的方式进行大规模生产，而且我们已经确定了一种添加剂，将使这种材料变得更好。"

卤化物过氧化物能够将光转化为电，是由于其分子形成重复的立方体网格的方式。这种结构是由带相反电荷的离子之间的键固定在一起的。但是，光和热往往会导致带负电的离子从过氧化物中弹出，这破坏了晶体结构，削弱了该材料的能量转换特性。

图中显示了未经改变的过氧化物分子（左）的结构，其中碘离子（紫色）正在迁移；以及添加了钕离子（红色）的过氧化物分子，以帮助保留碘离子。资料来源：Yang Lab/UCLA

钕通常被用于麦克风、扬声器、激光器和装饰玻璃。它的离子大小正好可以嵌在立方过氧化物晶体中，而且它们带有三个正电荷，科学家们假设这将有助于将带负电的离子固定在原位。

研究人员在每10000个过氧化物分子中加入了大约8个钕离子，然后测试了该材料在太阳能电池中的性能。在最大功率下工作并在连续光照下超过1000小时，使用增强型过氧化物的太阳能电池保持了约93%的光转换效率。相比之下，使用标准过氧化物的太阳能电池在相同的条件下经过300小时后失去了一半的电力转换效率。

研究小组还在没有任何设备取电的情况下对太阳能电池进行了连续照射，这加速了过氧化物的降解。一个使用含钕的过氧化物的设备在超过2000小时后保留了84%的电力转换效率，而一个使用标准过氧化物的设备在该时间后直接无法使用。

为了测试材料承受高温的能力，研究人员将带有这两种材料的太阳能电池加热到大约180华氏度。使用增强型过氧化物的太阳能电池在超过2000小时后保持了约86%的效率，而标准的过氧化物装置在这段时间内完全失去了将光转化为电能的能力。

在以前的许多旨在使过氧化物燃料电池更耐用的研究中，研究人员已经尝试在材料上添加保护层，但这在很大程度上是失败的。增强材料本身的想法来自于主要作者Yepin Zhao，他是Yang实验室的一名博士后研究人员。Zhao说，他的灵感来自于一种通常用于生产硅半导体的技术--添加少量的其他化合物来改变材料的特性。

Zhao说："离子往往像高速公路上的汽车一样在过氧化物中移动，这导致了材料的分解。有了钕，我们找到了一个路障来减缓交通并保护材料。"

Yang说，这一进展可能有助于过氧化物太阳能电池在未来两到三年内进入市场。