廉价的高效太阳能电池成为可能

2019-04-15 16:19:45
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由于BenoîtMarsan教授及其团队在魁北克蒙特利尔大学(UQAM)化学系开发的两项技术,太阳能电池的科学和商业前景可以完全转变。Marsan教授提出了两个问题的解决方案,在过去的二十年里,这两个问题一直阻碍着高效且价格合理的太阳能电池的开发。

他的研究结果发表在两篇科学期刊上,即美国化学学会杂志(JACS)和自然化学杂志。

未开发的太阳能潜力

地球在一小时内获得的太阳能比一年内消耗的整个地球要多。不幸的是,尽管存在巨大的潜力,但太阳能几乎没有被开发利用。由硅等半导体材料组成的传统太阳能电池产生的电力比传统能源(如化石燃料或水力发电)贵5或6倍。多年来,许多研究团队已经尝试开发一种太阳能电池,该电池在能量方面既有效又生产成本低廉。

染料敏化太阳能电池

最有希望的太阳能电池之一是在90年代早期由瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)的Michael Graetzel教授设计的。基于光合作用的原理 - 植物将光能转化为碳水化合物(糖,它们的食物)的生化过程 - 格雷泽尔太阳能电池由白色颜料纳米颗粒的多孔层组成,二氧化钛覆盖着吸收阳光的分子染料,如绿叶中的叶绿素。将涂有颜料的二氧化钛浸入电解质溶液中,并使铂基催化剂完成包装。

如在传统的电化学电池(例如碱性电池)中,两个电极(Graetzel电池中的二氧化钛阳极和铂阴极)放置在液体导体(电解质)的任一侧。阳光穿过阴极和电解质,然后从二氧化钛阳极(电池底部的半导体)中提取电子。这些电子通过导线从阳极传播到阴极,产生电流。通过这种方式,来自太阳的能量转化为电能。

用于制造这种电池的大多数材料是低成本的,易于制造和灵活的,允许它们被集成到各种物体和材料中。理论上,Graetzel太阳能电池具有巨大的可能性。不幸的是,尽管这个概念非常出色,但这种类型的单元有两个主要问题阻碍了它的大规模商业化:

电解质是:a)腐蚀性极强,导致耐久性不足; b)色彩浓密,防止光线有效通过; c)将器件的光电压限制在0.7伏。

阴极覆盖有铂,这是一种昂贵,不透明且稀有的材料。尽管有许多尝试,但在Marsan教授最近的贡献之前,没有人能够找到满意的解决方案来解决这些问题。

马桑教授的解决方案

Marsan教授和他的团队已经在电化学太阳能电池的设计上工作了几年。他的工作涉及新技术,他已获得多项专利。在考虑他的瑞士同事开发的电池问题时,Marsan教授意识到为电化学电池开发的两种技术也可以应用于Graetzel太阳能电池,具体来说:

对于电解质,实验室已经创造了全新的分子,其浓度通过化学系的Livain Breau教授的贡献得到了提高。得到的液体或凝胶是透明且无腐蚀性的,可以增加光电压,从而提高电池的输出和稳定性。

对于阴极,铂可以用硫化钴代替,硫化钴便宜得多。它在实验室中也更有效,更稳定,更容易生产。

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