碘化铋光吸收剂。图片来源:Steve Penney，剑桥大学
研究人员已经展示了如何用一种无毒的铅替代品来作为下一代太阳能电池的基础。
来自剑桥大学和美国的研究小组已经使用理论和实验方法来展示铋——在元素周期表上位于铅旁边的所谓“绿色元素”——如何用于低成本的太阳能电池。他们的研究结果发表在杂志上先进材料他认为，加入铋的太阳能电池可以复制铅太阳能电池的特殊特性，但不会有同样的毒性问题。后来，另一个研究小组的测试表明，铋基电池可以将光能转化为能量，效率高达22%，与目前市场上最先进的太阳能电池相当。
我们看到的覆盖田野和屋顶的大部分太阳能电池都是由硅制成的。尽管硅在将光能转化为能量方面效率很高，但它的“缺陷容忍度”很低，这意味着硅需要非常高的纯度，这使得它的生产能耗很高。
在过去的几年里，研究人员一直在寻找与硅性能相似或更好的材料，但不需要如此高的纯度，使其生产成本更低。这些新材料中最有希望的一组是混合卤化铅钙钛矿，它似乎有望在太阳能领域掀起一场革命。
钙钛矿太阳能电池不仅价格便宜、易于生产，而且在几年的时间里，几乎和硅一样节能。然而，尽管具有巨大的潜力，钙钛矿太阳能电池在科学界也有些争议，因为铅是其化学结构的组成部分。钙钛矿太阳能电池中所含的铅是否会对人类、动物和环境造成切实的危害，这是一个争论的话题。然而，一些科学家正在寻找无毒材料来替代钙钛矿太阳能电池中的铅，而不会对性能造成负面影响。
“我们想找出为什么缺陷不会像在其他材料中那样影响铅卤化物钙钛矿太阳能电池的性能，”剑桥大学卡文迪什实验室和材料科学与冶金系的罗伯特·霍伊博士说，他是这篇论文的主要作者。“如果我们能弄清楚它们的特别之处，也许我们就能利用无毒材料复制它们的特性。”
通过与麻省理工学院、国家可再生能源实验室和美国科罗拉多矿业学院的同事合作，剑桥大学的研究人员已经证明，铋在元素周期表中位于铅的旁边，可能是下一代太阳能电池中铅的一种无毒替代品。铋被称为“绿色元素”，广泛用于化妆品、个人护理产品和药品。像铅一样，它是一种重金属，但它是无毒的。
在这项研究中，Hoye和他的同事们研究了氧化钇铋，这种材料以前曾被研究用于太阳能电池和水分解，但由于效率低和在液体电解质中降解，被认为不合适。研究人员利用理论和实验方法重新审视这种材料在固态太阳能电池中的可能用途。
他们发现，氧化铋对缺陷的容忍度与卤化铅钙钛矿一样。氧化铋在空气中至少稳定了197天，这比一些铅卤化钙钛矿化合物有显著的改善。通过将氧化铋光吸收器夹在两个氧化物电极之间，他们能够展示出创纪录的性能，该设备能将80%的光转换成电荷。
以铋为基础的设备可以使用普通的工业技术制造，这表明它们可以以低成本大规模生产。
研究报告的合著者、材料科学与冶金系的Judith Driscoll教授说:“氧化钇铋具有所有适合新型高效光吸收剂的物理性质。”“大约五年前，我第一次想到了这种化合物，但我们需要一个大型团队高度专业化的实验和理论技能，才能证明这种材料具有真正的实用潜力。”
“这项工作表明，关于氧化碘化铋的早期理论是正确的，这些化合物确实有潜力成为成功的太阳能电池，”Hoye说，他是Magdalene学院的一名初级研究员。“对于这些化合物的作用，我们只是触及了表面。”
“此前，全球太阳能电池研究团体一直在寻找能够复制钙钛矿缺陷容错能力的无毒材料，但在光伏性能方面没有取得太大成功，”伦敦大学学院(UCL)的理论家戴维·斯坎伦(David Scanlon)博士说，他没有参与这项工作。“当我看到这项工作时，我的团队根据光学特性计算出，氧化铋的理论效率极限为22%，这与硅和最好的钙钛矿太阳能电池相当。通过这个团队的工作，我们可以从这种材料中获得更多信息。”
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