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                    《科學畫報》

                    開博時間:2016-07-01 14:43:00

                    由中國科學社于1933年8月創刊,距今已有80年的歷史?!犊茖W畫報》在80年的辦刊歷程中,形成了通俗生動、圖文并茂地介紹最新科技知識,形式多樣地普及科學技術的特點,對提高廣大群眾的科學水平,啟發青年愛好科學、投身科學事業起了很大的作用,當今的不少著名學者、教授、科學家,青少年時代都曾受到它的熏陶和啟發。

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                    黑色+金色=綠色

                    2020-10-23 09:58:00

                      很多人對二氧化鈦并不陌生,在防曬霜中經??梢钥吹剿?。防曬霜中添加的二氧化鈦是白色的,近年來,科學家卻熱衷于將二氧化鈦變成黑色。黑色納米二氧化鈦太陽能電池可將金色的陽光轉化為綠色的電能,為人類解決能源和環境問題提供一條有效的途徑。

                      從凹面鏡到太陽能電池

                      太陽慷慨地將光和熱惠澤地球萬物,人類很早就開始有意識地利用太陽能來促進生產、改善生活。例如:中國古代建筑的房門大多朝南,便于冬季驅寒取暖。至今很多地方還保留著六月六“曬衣節”或“曬蟲節”的習俗,目的是用陽光干燥衣物,防霉防蛀。在周代,古人即能用燧“取火于日”,也就是用凹面鏡聚焦陽光生火。

                      當然,古人對太陽能的利用比較原始,直到100多年前科學家發現了光伏效應,人類對太陽能的利用才發生了飛躍。1954年,第一個太陽能電池問世,有媒體稱其開啟了“使無限陽光為人類文明服務的新時代”。

                      隨著工業文明的迅猛發展,現代社會對能源的需求越來越大,與此同時,傳統的化石燃料帶來的環境污染嚴重威脅著人類賴以生存的地球家園。太陽能作為取之不盡、用之不竭的潔凈能源,日益受到重視,世界各國紛紛投入太陽能光電材料和器件研究中。

                      太陽能電池是用半導體材料制成的光電轉換裝置,最常見的材料是硅。第一個太陽能電池就是單晶硅太陽能電池。硅(包括單晶硅、多晶硅、非晶硅)太陽能電池現在已經廣泛應用于日常生活,是我們最熟悉的太陽能電池。硅太陽能電池的光電轉換效率高,但是制作工藝苛刻、材料價格昂貴,所以科學家一直在探索用其他材料制作太陽能電池。

                    太陽能電池

                      從白色到黑色

                      1991年,瑞士科學家以納米二氧化鈦為材料,成功研制了世界上第一個納米晶太陽能電池。此后,納米二氧化鈦太陽能電池成為世界范圍的研究熱點。

                      二氧化鈦有許多優越的性能,在陶瓷、食品、環境保護、日用品、化妝品、醫藥等領域均有廣泛應用。二氧化鈦之所以在太陽能發電領域備受青睞,是因為它的光催化活性高、穩定性好、價格低廉、原料豐富。與硅太陽能電池相比,納米二氧化鈦太陽能電池有許多明顯的優點,例如:成本大大降低;可以制成透明的產品;對光線的入射角度不敏感,可充分利用折射光和反射光;可在柔性基底上制備,擴大了應用范圍;工作溫度高。

                      但是,作為最重要的光電半導體材料之一,二氧化鈦的太陽能利用也面臨巨大的挑戰,主要原因在于光吸收范圍窄、電子-空穴對的分離效率低。

                      二氧化鈦只能吸收約占太陽光譜5%的紫外光,無法利用可見光和近紅外光的能量。它的本征電導率低,不利于光生電子-空穴對的分離和傳輸,而不能輕易分離的電子-空穴對最終會影響太陽能電池的效率。在這些缺點的制約之下,二氧化鈦在太陽能發電領域的潛力難以充分發揮。

                      研究人員通過多種方式來改善二氧化鈦材料的性能,以提高其電子-空穴對的分離效率,拓展其光譜響應范圍。2011年,有科學家制備出了黑色的二氧化鈦納米材料,它可以有效吸收可見光,光催化性能極佳。這引發了研究人員對黑色二氧化鈦納米材料的極大關注。

                      更寬的光譜

                      中國科學院上海硅酸鹽研究所先進材料與新能源應用課題組是國內最早開展黑色二氧化鈦研究的團隊之一。經過多年攻關,科研人員原創性地發展出多種新型制備方法,大幅提高了黑色二氧化鈦對太陽光譜中可見光和近紅外光的吸收,效果明顯。

                      他們制備的黑色二氧化鈦納米晶具有獨特的核殼結構,其核區為結晶的二氧化鈦,外殼為無定形結構。其中無序的外殼是使白色二氧化鈦變成黑色的功能區域,包含氧空位或非金屬摻雜。這種結構對太陽光的吸收率高達85%,遠優于之前的文獻報道(30%)。這些黑色二氧化鈦具有良好的太陽能寬譜吸收性、化學物理穩定性以及改善的載流子濃度和電子遷移性能,可以滿足高效利用太陽能的要求。

                      黑色二氧化鈦材料在寬太陽光譜上的成功應用,驗證了太陽能高效利用的可行性?!兜聡瘜W評論》對該研究成果作了專題報道,認為其在新能源領域的應用前景廣闊,可用于太陽能發電、光催化制氫、環境污染物降解、抗菌消毒等。國內外光電材料領域的知名學者紛紛對這一研究成果予以充分肯定。該團隊宏量制備的黑色二氧化鈦獲得國際同行認可,多家國際機構前來購買樣品,用于環境保護。

                      全鏈條研究

                      該團隊在黑色二氧化鈦研究上的突破絕非偶然。他們的目光從來沒有局限于某個具體的材料,而是聚焦于太陽能電池光電轉換材料和器件中存在的關鍵科學問題,系統開展從原理探究、材料結構設計、性能調控到器件制備技術的全鏈條研究。

                      想要解決光電材料領域存在的問題,首先要弄清其中的原理機制。他們發現了原子基團的“相似相聚”規律,提出了多種物理量協同的“結構功能區”概念和“堆積因子”模型,為設計光電新材料提供了指導原則,其中堆積因子被同行稱為“普適模型”。

                      該團隊提出了高效半導體復合結構模型,結合堆積因子的設計思想,提供了半導體體系選擇的優選方案,構建了利于光生載流子分離遷移的內置電場,顯著提高了太陽能利用效率。

                      他們還提出了多元材料體系制備的熱力學逆向設計原則,為設計材料制備的最優工藝路線提供了新的指導思想。他們發明了銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的低成本制備新方法,并將相關技術成功應用于光伏示范電站,推動了薄膜太陽能電池行業的發展。

                      經過不懈的探索,他們取得了一系列原創成果,“面向太陽能利用的高性能光電材料和器件的結構設計與性能調控”項目榮獲2017年度國家自然科學獎二等獎,相關特色研究工作受到國際學術界的廣泛認可。

                      陽光給我們帶來溫暖和生機,對太陽能發電領域的研究人員來說,它還意味著挑戰。太陽能電池誕生至今不過半個多世紀,在高效利用太陽能的道路上還有很多難題,研究人員將繼續前行,不斷努力。

                      文/徐梅

                    本文來自《科學畫報》

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