沖繩科學(xué)技術(shù)研究生院(OIST)的科學(xué)家已經(jīng)解決了一種有前途的太陽能技術(shù)(即鈣鈦礦太陽能電池或PSC)的根本弱點(diǎn)。他們的創(chuàng)新似乎一舉提高了設(shè)備??的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性，可能是將PSC推向市場的關(guān)鍵。

與老式硅電池相比，第三代太陽能電池有效地將太陽光轉(zhuǎn)換成可用電力并且制造成本更低。特別是PSC由于其低成本和高效率而獲得了科學(xué)和工業(yè)的關(guān)注。雖然它們在實(shí)驗(yàn)室測試中表現(xiàn)良好，但這些設(shè)備仍然具有低穩(wěn)定性，并且在它們經(jīng)久耐用之前不能進(jìn)行商業(yè)生產(chǎn)。

“我們需要能夠持續(xù)至少5到10年的太陽能模塊。目前，PSC的壽命要短得多，”該論文的第一作者，OIST能源材料和表面博士后學(xué)者邱龍斌博士說?？茖W(xué)部，由Yabing Qi教授領(lǐng)導(dǎo)。

這項研究于2018年12月13日在線發(fā)表在Advanced Functional Materials上，支持以前的證據(jù)，即PSC中常用的材料稱為二氧化鈦，會降低設(shè)備質(zhì)量并限制其壽命。研究人員用二氧化錫代替了這種材料，這是一種沒有這些降解特性的更強(qiáng)導(dǎo)體。他們優(yōu)化了應(yīng)用二氧化錫的方法，以生產(chǎn)穩(wěn)定，高效和可擴(kuò)展的PSC。

在實(shí)驗(yàn)中，研究人員發(fā)現(xiàn)，基于二氧化錫的設(shè)備的使用壽命比使用二氧化鈦的PSC設(shè)備長三倍以上。“二氧化錫可以為用戶提供他們所需的設(shè)備性能，”邱說。

一種改進(jìn)的設(shè)計

PSC由分層材料組成，每種材料都具有特定功能。由鈣鈦礦材料制成的“活性層”以稱為光子的粒子的形式吸收入射的太陽光。當(dāng)光子撞擊太陽能電池時，它會在有源層中產(chǎn)生帶負(fù)電的電子和帶正電的空穴?？茖W(xué)家通過將活性層夾在兩個“傳輸材料”之間來控制這些電子和空穴的流動，從而形成內(nèi)置電場。

為了幫助電子向正確的方向發(fā)射，許多PSC包括“電子傳輸層”。大多數(shù)PSC使用二氧化鈦?zhàn)鳛樗鼈兊碾娮觽鬏攲?，但是?dāng)暴露在陽光下時，材料會與鈣鈦礦反應(yīng)并最終降解器件。二氧化鈦是二氧化鈦的可行替代品，但在此研究之前，它尚未成功地整合到大型設(shè)備中。

利用業(yè)內(nèi)稱為濺射沉積的常用技術(shù)，研究人員學(xué)會了如何用二氧化錫制作有效的電子傳輸層。濺射沉積通過用帶電粒子轟擊目標(biāo)材料(此處為二氧化錫)使其向上噴射到等待表面上而起作用。通過精確控制濺射功率和沉積速度，研究人員在大面積上制作了厚度均勻的光滑層。

他們的新太陽能電池效率超過20%。為了證明這種新方法的可擴(kuò)展性，研究人員隨后制造了5×5厘米的太陽能電池組件，其指定面積為22.8平方厘米，發(fā)現(xiàn)所得器件的效率超過12%。該研究得到了OIST技術(shù)開發(fā)和創(chuàng)新中心的概念驗(yàn)證計劃的支持，是朝著滿足當(dāng)前PSC效率行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)邁出的關(guān)鍵一步。

進(jìn)入市場

研究人員計劃繼續(xù)優(yōu)化其PSC設(shè)計，目標(biāo)是生產(chǎn)效率更高的大型太陽能模塊。該研究單位使用靈活，透明的太陽能裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，旨在將其優(yōu)化的PSC設(shè)計應(yīng)用于太陽能窗戶，窗簾，背包和可展開的充電裝置。

“我們希望將這些設(shè)備擴(kuò)展到一個大尺寸，雖然它們的效率已經(jīng)合理，但我們希望進(jìn)一步推動它，”齊教授說。“我們樂觀地認(rèn)為，在未來幾年內(nèi)，這項技術(shù)將可用于商業(yè)化。”