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钙钛矿智能光伏玻璃搞定了,接下来该轮到突破太阳能电池了

日期:2019-04-11    来源:能见Eknower

国际太阳能光伏网

2019
04/11
08:57
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关键词: 光伏玻璃 太阳能技术 太阳能电池 太阳能技术

1月21日,《麻省理工科技评论》公布了2018年“35岁以下创新35人”(Innovators Under 35 China)中国区榜单。31岁的普渡大学化学工程系助理教授窦乐添入选并获奖。他研究的变色智能光伏玻璃可实时响应外界环境,引领了太阳能电池的全新概念。

这种智能光伏玻璃拥有极佳的循环稳定性,反复多次的转换也并不会降低材料的电学性能,可以控制光的透过率,同时可以合理地利用太阳光的能量,显著降低能耗。太阳能及工业界相关人士均表示,窦乐添的研究有望对太阳能电池、节能建筑、屏显等领域的发展产生深远影响。

一、兴趣驱动、深入光电领域

小时候,窦乐添十分喜爱足球和四驱车。

为了练好足球,他参加了一些专业训练;在改装四驱车方面,他更是获得过少年宫比赛的第一名。

这是他拿到的第一个奖,在当时给了他极大的激励。

此后他的人生一直是兴趣驱动。他习惯于把自己对任何事情的兴趣爱好,转换为对它长时间的专注和钻研。

高中那几年,窦乐添参加了很多有关于化学和物理的竞赛。

之后他考上北京大学化学系。大二那年,他进入了实验室,开始进行有关于材料的研究。在这里,他接触到了有机高分子,并成功发现这种材料在智能窗生产中的应用。

毕业之后,窦乐添加入了加州大学洛杉矶分校(UCLA)的杨阳教授课题组。这是有机光电领域最好的研究机构。

之后他顺利考取博士,在博士深造的第二年,他研究出了一个全新的高分子材料,通过和其它材料的层叠,把有机光伏的发电效率从5%大幅提升到了10%,这项研究成果成为了那年在有机光伏领域的重大突破。

知识是没有边界的,优秀的人也会习惯于自我成长。博士毕业后,窦乐添加入了加州大学伯克利分校的杨培东教授的实验室,开始了自己从有机化学到无机化学的“跨领域”博士后研究工作。

二、反直觉思维、智能光伏玻璃诞生

2014年,钙钛矿太阳能电池被发现,因其优异的光电转换性能和较低的制备成本而受到广泛关注,在当年其光电转换效率已突破15%。研究发现,钙钛矿型光伏材料的结晶形貌对光电性能的影响至关重要。全球材料研究专家对此展开不懈研究,窦乐添也不例外。

智能窗户在黑暗或凉爽的时候是透明的,但在太阳太亮的时候会自动变暗,这是越来越受欢迎的节能设备。但当窗户变暗时,它同时产生电力。这种材料——光伏玻璃也是可逆热致变色的,攻克这一点,是绿色技术研究人员长期努力的方向。

在博士后的深造过程中,窦乐添已经掌握无机和有机材料的性能和制造。他发现,纯无机的钙钛矿光伏化学稳定性虽好,相稳定性却不佳。

在温度下降到室温时,材料的晶体结构会发生原子层面的变化,从不透明、可以吸收光线发电的钙钛矿相,变成透明、无法发电的非钙钛矿相,而控制材料不发生相变的难度非常大。

这他突然想起在大二时研究的智能窗,其中的有机材料恰巧可以解决这个问题,原理就是把这两种产品的性能结合在一起。也就是一个稳定和光敏半导体材料,可以可逆地交换之间的透明和不透明的状态,而不降低其电子特性。

窦乐添和他的合作者利用了这种新型材料“卤化物钙钛矿”最大的“缺点”:相不稳定性。把这种对于常规电池来说让人无比头疼的特点,变成了智能光伏玻璃里循环稳定性的关键。

“智能光伏玻璃”的特点在于,寒冷的时候保持透明,炎热的时候变暗,不只可以减少光线射入,更可以把自己遮挡住的太阳光转化为电能。

窦乐添表示:“这项研究首次表明,无机卤化物钙钛矿半导体适合这种类型的器件,因为它们的'软'和'动态'晶格,允许可逆相变而不降低电子性能。”

“这与硅或砷化镓等传统半导体有根本不同。这一发现将为半透明太阳能电池开辟新的应用领域。我们现在可以调整它们的颜色了。”

三、加速太阳能电池研究

卤化物钙钛矿材料是具有矿物钙钛矿晶体结构的化合物。拥有独特的性能、高效率和易于加工的特点,也是近年来太阳能产业有前途的发展技术。

近日,在《自然材料》(Nature Materials)杂志上发表了伯克利实验室材料科学部有关钙钛矿的研究成果的文章。窦乐添便是作者和研究人员之一。

如今,伯克利实验室的研究人员们也在研究钙钛矿太阳能电池的相变,并试图改善典型的有机-无机混合钙钛矿甲基铵碘化铅的稳定性。

“这种太阳能电池具有完全可逆的性能,而且在反复的相变周期中具有良好的设备稳定性,没有任何褪色或性能下降。”

“有了这样的设备,一栋建筑或一辆汽车就可以通过智能光伏窗收集太阳能。”

荷兰能源研究中心的科学家们也在进行这项有意义的研究,他们在现有的双面电池上叠加了一层钙钛矿,开发了一种效率为30.2%的双面太阳能电池。研究小组相信,在三到五年内,这种电池的效率可以达到35%,并最终面向市场。

对于太阳能电池的未来,窦乐添同样很有信心。目前他在普渡大学担任博士生导师,成立了窦乐天实验室,同成都电子科技大学郑永豪教授合作,开展联合培养博士后项目。研究课题主要是纳米材料与器件,有机光电材料与器件,钙钛矿等杂化材料,二维材料。

接下来的工作,一方面,他在研究新型的二维材料体系,另一方面也在进一步寻找更好的电池材料与电池器件,通过结合无机材料与有机材料各自的优点,开发出下一代更好的太阳能电池。

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