普林斯頓工程學(xué)院的科學(xué)家們已經(jīng)開發(fā)出了第一個具有商業(yè)上可行的壽命的鈣鈦礦太陽能電池，標(biāo)志著一個新興的可再生能源技術(shù)類別的一個重要里程碑。該研究小組預(yù)計他們的設(shè)備可以在30年左右的時間里表現(xiàn)出高于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的性能，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過用作太陽能電池可行性閾值的20 年。
該設(shè)備不僅高度耐用，而且還符合普通的效率標(biāo)準(zhǔn)。事實上，它是第一個能與硅基電池的性能相媲美的產(chǎn)品，硅基電池自 1954 年問世以來一直占據(jù)市場主導(dǎo)地位。
鈣鈦礦是具有特殊晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體，這使它們很適合用于太陽能電池技術(shù)。它們可以在室溫下制造，使用的能量比硅少得多，使它們的生產(chǎn)成本更低，更具可持續(xù)性。而且，硅是僵硬和不透明的，而鈣鈦礦可以被制成靈活和透明的，使太陽能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了美國各地山坡和屋頂上的標(biāo)志性矩形面板。
但與硅不同，鈣鈦礦是出了名的脆弱。早期的鈣鈦礦太陽能電池(PSC)，在2009年至2012年間創(chuàng)建，只持續(xù)了幾分鐘。新設(shè)備的預(yù)計壽命比之前的記錄增加了五倍，該記錄是由2017年的低效率PSC創(chuàng)造的。(該裝置在室溫下連續(xù)照明運行了一年。新設(shè)備將在類似的實驗室條件下運行5年)。
由Theodora D和William H. Walton III 工程系教授Lynn Loo領(lǐng)導(dǎo)的普林斯頓團(tuán)隊，在2022年6月16日發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的一篇論文中披露了他們的新裝置和測試此類裝置的新方法。
Loo說，創(chuàng)紀(jì)錄的設(shè)計突出了PSC的持久潛力，特別是作為一種推動太陽能電池技術(shù)超越硅極限的方式。但她也指出，她的團(tuán)隊的新加速老化技術(shù)超越了頭條結(jié)果，是這項工作的更深層意義。
“我們今天可能有了新記錄，”她說，“但別人明天會有更好的記錄出現(xiàn)。真正令人興奮的是，我們現(xiàn)在有辦法測試這些設(shè)備，并知道它們的長期表現(xiàn)。”
由于鈣鈦礦眾所周知的脆弱性，直到現(xiàn)在，長期測試還不是一個很重要的問題。但是，隨著設(shè)備變得更好，持續(xù)時間更長，在推出耐用的、對消費者友好的技術(shù)時，對一種設(shè)計與另一種設(shè)計進(jìn)行測試將變得至關(guān)重要。
美國國家可再生能源實驗室的高級研究員 Joseph Berry說：“這篇論文可能會成為任何希望在效率和穩(wěn)定性的交叉點上分析性能的人的原型，”他專門研究太陽能電池的物理學(xué)，沒有參與這項研究。“通過生產(chǎn)一個原型來研究穩(wěn)定性，并顯示出(通過加速測試)可以推斷出什么，它正在做每個人都希望在我們開始大規(guī)模的現(xiàn)場測試之前看到的工作。它允許你以一種真正令人印象深刻的方式進(jìn)行預(yù)測。”
Berry說，雖然效率在過去十年中以顯著的速度加快，但這些設(shè)備的穩(wěn)定性提高得更慢。為了讓它們在工業(yè)界得到普及和推廣，測試將需要變得更加復(fù)雜。這就是Loo的加速老化過程的意義所在。
"這些類型的測試將越來越重要，"Loo說。"你可以制造最有效的太陽能電池，但如果它們不穩(wěn)定，那就無所謂了。"
2020年初，Loo的團(tuán)隊正在研究各種設(shè)備架構(gòu)，以保持相對較高的效率--將足夠的太陽光轉(zhuǎn)換為電力，使其具有價值--并在太陽能電池使用期間遭受熱、光和濕度的沖擊時仍能生存。
Loo實驗室的博士后研究員趙曉明一直在與同事們進(jìn)行一些設(shè)計。他們努力將不同的材料分層，以優(yōu)化光的吸收，同時保護(hù)最脆弱的區(qū)域不受影響。他們在兩個關(guān)鍵部件之間開發(fā)了一個超薄的封蓋層：吸收性過氧化物層和由銅鹽和其他物質(zhì)制成的電荷攜帶層。目標(biāo)是使鈣鈦礦半導(dǎo)體在幾周或幾個月內(nèi)不被燒毀，這在當(dāng)時是很正常的。
很難理解這個封蓋層有多薄?？茖W(xué)家們用2D這個詞來描述它，意思是兩個維度，就像沒有厚度的東西一樣。在現(xiàn)實中，它僅僅是幾個原子的厚度--比人眼能看到的最小的東西小一百萬倍以上。雖然二維封蓋層的想法并不新鮮，但它仍然被認(rèn)為是一種有前途的新興技術(shù)。NREL的科學(xué)家們已經(jīng)表明，二維層可以大大改善長距離的性能，但沒有人開發(fā)出一種裝置，將鈣鈦礦推向接近20年壽命的商業(yè)門檻。
趙曉明和他的同事們經(jīng)歷了這些設(shè)計的幾十種排列組合，改變了幾何形狀中的微小細(xì)節(jié)，改變了層數(shù)，并嘗試了幾十種材料組合。每種設(shè)計都被放入燈箱中，在那里他們可以用無情的強(qiáng)光照射敏感的設(shè)備，并測量其性能隨時間的下降。
那年秋天，隨著第一波大流行病的消退，研究人員回到他們的實驗室，在精心協(xié)調(diào)的輪班中照顧他們的實驗，趙曉明注意到數(shù)據(jù)中的一些奇怪之處。一組設(shè)備似乎仍在接近其峰值效率的狀態(tài)下運行。
他說：“在近半年之后，基本上沒有下降。”這時他意識到他需要一種方法來對他的設(shè)備進(jìn)行壓力測試，其速度比他的實時實驗所允許的要快。
“我們想要的壽命大約是30年，但你不能用30年時間來測試你的設(shè)備，”趙曉明說。“所以我們需要一些方法在合理的時間范圍內(nèi)預(yù)測這個壽命。這就是為什么這種加速老化非常重要。”
新的測試方法通過對設(shè)備進(jìn)行照明，同時對其進(jìn)行加熱來加速老化過程。這個過程加速了多年來定期暴露的自然發(fā)生的情況。研究人員選擇了四個老化溫度，并測量了這四個不同數(shù)據(jù)流的結(jié)果，從典型夏日的基線溫度到華氏230度的極端溫度，高于水的沸點。
然后他們從綜合數(shù)據(jù)中進(jìn)行推斷，預(yù)測該設(shè)備在室溫下連續(xù)照明數(shù)萬小時后的性能。結(jié)果顯示，在平均溫度為95華氏度的情況下，該設(shè)備在連續(xù)照明下的性能將超過其峰值效率的80%，至少可持續(xù)5年。使用標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換指標(biāo)，Loo說這相當(dāng)于在新澤西州普林斯頓這樣的地區(qū)進(jìn)行30年的戶外操作。
NREL的Berry表示贊同。“這是非?？尚诺?，”他說。“有些人仍然希望看到它的效果。但這是比其他很多預(yù)測的嘗試更可信的科學(xué)。”
太陽能電池界的“邁克爾·喬丹”
鈣鈦礦太陽能電池在2006年被首創(chuàng)，第一批公布的設(shè)備在2009年出現(xiàn)。最早的一些設(shè)備只持續(xù)了幾秒鐘。其他的是幾分鐘。在2010年代，設(shè)備的壽命增長到幾天和幾周，最后是幾個月。然后在2017年，來自瑞士的一個小組發(fā)表了一篇關(guān)于PSC的突破性論文，該裝置持續(xù)了一整年的連續(xù)照明。
與此同時，這些設(shè)備的效率也在同一時期內(nèi)急劇上升。雖然第一個PSC顯示出不到4%的功率轉(zhuǎn)換效率，但研究人員在幾年內(nèi)將該指標(biāo)提高了近10倍。這是迄今為止科學(xué)家們在任何一類可再生能源技術(shù)中看到的最快改進(jìn)。
那么為什么要推動鈣鈦礦的發(fā)展呢？Berry說，最近的一系列進(jìn)展使它們成為獨一無二的理想選擇：新的高效率，允許科學(xué)家進(jìn)行高度具體應(yīng)用的非凡的"可調(diào)性"，以低能源投入在本地制造它們的能力，以及現(xiàn)在對延長壽命的可靠預(yù)測，加上復(fù)雜的老化過程，以測試各種設(shè)計。
Loo說，并不是說PSC將取代硅設(shè)備，而是新技術(shù)將補(bǔ)充舊技術(shù)，使太陽能電池板比現(xiàn)在更便宜、更高效、更耐用，并將太陽能擴(kuò)展到現(xiàn)代生活中難以計數(shù)的新領(lǐng)域。例如，她的小組最近展示了一種完全透明的鈣鈦礦薄膜(具有不同的化學(xué)性質(zhì))，可以將窗戶變成能源生產(chǎn)設(shè)備，而不改變其外觀。其他小組已經(jīng)找到了利用鈣鈦礦印刷光伏油墨的方法，允許科學(xué)家們現(xiàn)在才夢想的形式因素。
但據(jù)Berry和Loo兩人說，從長遠(yuǎn)來看，主要的優(yōu)勢是：鈣鈦礦可以在室溫下制造，而硅是在華氏3000度左右鍛造的。這種能量必須來自某處，而目前這意味著燃燒大量的化石燃料。
Berry補(bǔ)充說，因為科學(xué)家們可以輕松而廣泛地調(diào)整鈣鈦礦的特性，它們允許不同的平臺順利地一起工作。這可能是硅與薄膜和有機(jī)光伏等新興平臺結(jié)合的關(guān)鍵，這些平臺在最近幾年也取得了巨大進(jìn)展。
“這有點像籃球場上的邁克爾·喬丹，”他說。“他本身很好，但他也使所有其他球員變得更好。”
原標(biāo)題：“像籃球場上的邁克爾·喬丹”：研究稱鈣鈦礦太陽能電池的壽命可達(dá)30年
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