將磷烯納米帶聚集到鈣鈦礦基太陽能電池中，可以使其效率與硅基的電池相媲美。

研究人員在報告中指出成功將一種2D材料集成在鈣鈦礦基太陽能電池中，使這種電池效率有大幅提高，可以與硅基的電池相媲美。

由帝國理工學(xué)院（Imperial College London）和倫敦大學(xué)學(xué)院（University College London）組成的一對研究小組研究了磷烯納米帶（PNRs），PNRs是一種2D含磷的帶狀線材料。PNRs與石墨類似，由單原子厚的原子層組成，具有高導(dǎo)電性。

研究人員在2019年首次生產(chǎn)這些材料，此后的理論實(shí)驗(yàn)表明，它們可以增強(qiáng)眾多電子設(shè)備，包括電池、生物醫(yī)學(xué)傳感器和量子計算機(jī)。

研究人員表示，現(xiàn)在帝國理工學(xué)院和倫敦大學(xué)學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在一個實(shí)際的原型太陽能電池板上進(jìn)行了試驗(yàn)，該試驗(yàn)證實(shí)了磷烯納米帶的確具備了提高電池效率的潛力。

帝國理工學(xué)院化學(xué)系和可加工電子中心教授兼研究員Thomas Macdonald說：“數(shù)百次的理論研究已經(jīng)預(yù)見了PNRs的優(yōu)秀特性，但目前尚未有報告公開證明這些特性，或許可以將這些特性轉(zhuǎn)化為更好的設(shè)備性能。”

Thomas Macdonald表示，研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)展示了PNRs不僅可以作為高性能太陽能電池途徑的證據(jù)，還驗(yàn)證了這種納米材料在下一代光電設(shè)備中的多功能性。

新型太陽能電池板

研究人員通過鈣鈦礦制成太陽能電池，鈣鈦礦是一種晶體結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，長期以來一直被視為太陽能電池中補(bǔ)充或替代硅的下一代材料。事實(shí)上，與硅相比，鈣鈦礦具有幾個優(yōu)點(diǎn)，其中包括更高的性能和更低的生產(chǎn)成本。

更低的成本原因在于鈣鈦礦可以在液體中噴墨打印出來，形成柔性薄膜。研究人員將PNRs作為額外的一層被打印在薄膜上，以提高設(shè)備功能和效率。

研究人員在《American Chemical Society》期刊中發(fā)表了，與傳統(tǒng)硅太陽能電池相比，新研制的電池性能超過21%。接近于迄今為止在實(shí)驗(yàn)室證明的鈣鈦礦基電池的最高效率，約為25%。

研究人員還通過實(shí)驗(yàn)找出了PNRs可以提高效率的原因，實(shí)驗(yàn)證明了材料中存在一種稱為“空穴遷移率”的現(xiàn)象。

研究人員表示，空穴是電子在電傳輸中的相反伙伴，因此提高它們的遷移率(衡量它們在材料中移動速度的指標(biāo))有助于電流在設(shè)備的各層之間更有效地移動。

研究人員在一種鈣鈦礦太陽能電池層中添加一層磷烯納米帶，有效的提高電池性能。

應(yīng)用以及未來研究

Macdonald說，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證PNRs如何改進(jìn)太陽能電池，研究人員表示他們會為光電器件或發(fā)光或探測光的設(shè)備繼續(xù)創(chuàng)建新的設(shè)計規(guī)則。

Macdonald說，“我們的研究結(jié)果顯示，預(yù)測PNRs的功能電子特性優(yōu)化應(yīng)用性能，凸顯了新發(fā)現(xiàn)的納米材料的真正重要性和實(shí)用性，并為基于PNR的光電設(shè)備設(shè)定基準(zhǔn)。”

研究團(tuán)隊(duì)計劃繼續(xù)PNRs的研究，以及PNRs如何在電子設(shè)備中工作，從而找出更多可以提升性能的方法。研究人員還計劃調(diào)查如何改變納米帶的表面，以提高該材料獨(dú)特的電子性能。

中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會 楊柳

2022.3.10