促進太陽能發電：杜克大學的研究人員正在探索改進太陽能板的方法

太陽能為何沒有更廣泛的應用？畢竟，光伏電池利用陽光發電，這是一種免費且本質上無限的資源。

原因之一是當今的光電池效率相對較低。它們只釋放出從太陽吸收的能量的大約四分之一。如果效率能夠提高，太陽能板可以佔用更少的空間，同時輸出更多的電力。

「歸根結底，效率是太陽能面臨的挑戰，」說 艾德麗安·史蒂夫·羅伯茨博士，他是電機與電腦工程 Jeffrey N. Vinik 教授。 “如果太陽能電池效率更高，那麼該技術[每單位發電量]的成本就會更低，而且您正在談論可再生能源將成為碳基能源的替代品。”

在杜克大學，史蒂夫-羅伯茨和她的同事正在研究新的光伏技術，有一天可以從陽光中捕捉更多的能量。

提高太陽能電池效率的一種方法是改變其化學組成。目前的太陽能電池使用矽，這是一種壽命長、傳輸電荷能力強、吸收光能令人滿意的無機元素。另一方面，某些有機分子非常善於吸收光能，但在水分和氧氣存在的情況下會迅速降解。

有機分子的好處超越了它們的光吸收特性。 「有機化學家可以設計具有各種功能的有機分子，」史蒂夫-羅伯茨說。 “他們可以很靈活。”

史蒂夫-羅伯茨說，將無機和有機化合物結合到一個太陽能電池中，可以提供「兩全其美」的效果。但使用這些混合材料並不容易。

一方面，混合材料必須沉積為奈米厚的薄膜，起到半導體的作用。薄膜半導體在我們日常使用的設備中已經無所不在，例如手機、電腦和電視。但這些半導體通常是由無機礦物製成的。將它們沉積在薄膜中的技術不適用於有機化合物。

有幾種方法可以在薄膜中沉積有機分子，但它們要么只適用於小有機分子，要么在沉積太陽能電池所需的多層時面臨挑戰。

現在，史蒂夫-羅伯茨和她的團隊已經開發並演示了一種沉積由無機和大型有機化合物製成的混合材料的技術。 「我的團隊提出了一種新穎的方法，與其他人所做的完全不同，」她說。

“我們的證詞非常溫和。 [有機分子]從來源轉移到基質，沒有任何變化。”

Stiff-Roberts 透過製造一種乳液（例如油和醋）來挑戰傳統工藝，其中有機分子像油滴一樣懸浮在水中。這可以保護大分子在沉積過程中不被破壞。

最近，她作為 BRITE 研究員獲得了國家科學基金會 $1 百萬美元的資助，以研究擴大其基於實驗室的混合材料薄膜沉積技術的可行性，使其在商業上可行。

太陽能研究人員正在研究的最有前途的混合材料之一是鈣鈦礦，這是一種天然存在的礦物，經過處理可以將有機分子接納到其晶體結構中。有機分子被困在晶格中，就像華夫餅孔中的奶油一樣。

在過去的十年中，實驗性混合鈣鈦礦太陽能電池的效率取得了突飛猛進的提高，比傳統和其他實驗性太陽能技術的提高速度快得多。 「這刺激了這個領域的各種投資和研究，」史蒂夫-羅伯茨說，她已經證明她的技術適用於薄膜混合鈣鈦礦。

Stiff-Roberts 與杜克大學工程同事密切合作，包括理論家 Volker Blum、杜克大學機械工程和材料科學副教授、材料設計師 David Mitzi、杜克大學機械工程和材料科學教授 Simon Family。

這三個實驗室是由能源部資助、總部位於國家再生能源實驗室的國家中心的一部分，該中心研究鈣鈦礦和其他混合材料的基本特性。

“這些材料有很多我們不了解的地方，”史蒂夫-羅伯茨說，“如果你不了解這些材料，你就無法改進它或控制它來製造更好的設備。”

然而，製造更好的設備只是第一步。史蒂夫-羅伯茨表示，從化石燃料向再生能源的轉變將需要多個學科的參與——不僅是科學和工程，還包括從政策到經濟學的各個領域。她發現杜克大學的本科生和研究生正在熱情地研究這些問題，通常是在多學科環境中，例如全校巴斯連結團隊或尼古拉斯能源、環境和永續發展研究所。

「如果你想解決再生能源問題，」她說，「一切都是相關的。杜克大學在所有這些更廣泛的方面都擁有專業知識。這就是杜克大學可以提供的獨特之處。”

(C) 杜克大學

原文來源： WRAL 技術線