美國能源部國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)的研究人員創(chuàng)造了一種環(huán)境穩(wěn)定，高效的鈣鈦礦太陽能電池，使新興技術(shù)更接近商業(yè)部署。

在過去的十年中，鈣鈦礦已經(jīng)迅速發(fā)展成為一種有前途的技術(shù)，現(xiàn)在能夠?qū)⒓s23%的陽光轉(zhuǎn)化為電能，但仍需要工作才能使設(shè)備長期耐用以便長期使用。NREL的未封裝太陽能電池 - 一種用于測(cè)試的電池，在電池的導(dǎo)電部件和元件之間沒有像玻璃一樣的保護(hù)屏障 - 在環(huán)境條件下連續(xù)使用1,000小時(shí)后，其起動(dòng)效率達(dá)到94%。研究發(fā)表在Nature Energy上。

“在測(cè)試過程中，我們故意強(qiáng)調(diào)細(xì)胞比實(shí)際應(yīng)用更加努力，以加速衰老，”Joseph Luther說道，他與Joseph Berry一起指導(dǎo)了題為“未封裝的鈣鈦礦太陽能電池的定制接口> 1000”的工作運(yùn)營穩(wěn)定時(shí)間。“ “現(xiàn)場(chǎng)太陽能電池只在太陽出來時(shí)才運(yùn)行。在這種情況下，即使經(jīng)過1000個(gè)小時(shí)的測(cè)試，電池也能夠在整個(gè)時(shí)間內(nèi)發(fā)電。”

雖然需要更多的測(cè)試來證明細(xì)胞可以存活20年或更長時(shí)間，在現(xiàn)場(chǎng)(太陽能電池板的典型壽命)，這項(xiàng)研究代表了確定鈣鈦礦太陽能電池比以前認(rèn)為更穩(wěn)定的重要基準(zhǔn)。

鈣鈦礦太陽能電池的典型設(shè)計(jì)將鈣鈦礦夾在空穴傳輸材料，稱為spiro-OMeTAD的有機(jī)分子薄膜(摻雜鋰離子)和由二氧化鈦或TiO2制成的電子傳輸層之間。這種類型的太陽能電池效率幾乎立即下降20%，然后隨著變得更不穩(wěn)定而穩(wěn)步下降。

“我們要做的是消除太陽能電池中最薄弱的環(huán)節(jié)，”路德說。研究人員推測(cè)，更換spiro-OMeTAD層可以阻止細(xì)胞效率的最初下降。螺-OMeTAD薄膜內(nèi)的鋰離子不受控制地在整個(gè)裝置內(nèi)移動(dòng)并吸收水分。離子的自由運(yùn)動(dòng)和水的存在導(dǎo)致細(xì)胞降解。一種新的分子，綽號(hào)為EH44，由科羅拉多礦業(yè)學(xué)院的艾倫·塞林格(Alan Sellinger)開發(fā)，是一種替代spiro-OMeTAD的分子，因?yàn)樗梢耘懦馑⑶也缓嚒?ldquo;這兩個(gè)好處使我們相信這種材料將是一個(gè)更好的替代品，”路德說。

使用EH44作為頂層解決了后來更逐漸的降解，但沒有解決細(xì)胞效率中出現(xiàn)的初始快速降低。研究人員嘗試了另一種方法，這次將細(xì)胞的底層TiO2與氧化錫(SnO2)進(jìn)行交換。隨著EH44和SnO2的到位，以及鈣鈦礦材料和金屬電極的穩(wěn)定替代，太陽能電池效率保持穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)沉積到原始TiO2薄膜上時(shí)，新的SnO2層解決了鈣鈦礦層中出現(xiàn)的化學(xué)組成問題。

“這項(xiàng)研究揭示了如何使設(shè)備更加穩(wěn)定，”路德說。“它告訴我們，細(xì)胞中的每個(gè)層都可以在降解過程中發(fā)揮重要作用，而不僅僅是活性鈣鈦礦層。”