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鈣鈦礦太陽能電池的突破與展望
2024-06-20 11:18:38

在當今的光伏領域,鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)猶如一顆耀眼的明星,因其具備高效率、低成本以及制備簡單等顯著優勢,當之無愧地被視為新概念太陽能電池,備受各界的高度關注。然而,一個長期困擾的難題始終橫亙在前,那就是其穩定性問題,這宛如一道難以跨越的鴻溝,嚴重制約了其進一步邁向商業化普及的步伐。但就在近日,美國萊斯大學的研究團隊似乎為這一難題找到了嶄新的突破口,帶來了令人振奮的消息。

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依據在《科學》雜志上發表的一項極具分量的研究成果,該研究團隊成功地將甲脒碘基鈣鈦礦(FAPbI3)合成為了超穩定且品質卓越的光伏薄膜。這一重大突破無疑為長久以來困擾太陽能電池的穩定性問題提供了極具潛力的新解決方案,仿佛在黑暗中點亮了一盞希望之燈。


深入探究便會發現,鈣鈦礦太陽能電池的不穩定性主要歸因于其材料自身的多種內在因素。其一,鈣鈦礦材料對濕度表現出高度的敏感性。在特定的濕度條件下,周圍環境中的水分竟能起到積極作用,有利于鈣鈦礦薄膜的生長結晶,還能減少薄膜中現存的缺陷,進而提升薄膜的結晶質量和載流子壽命。然而,一旦鈣鈦礦薄膜置身于高濕環境,水分與氧氣便會聯合起來,加速鈣鈦礦薄膜的分解進程,對其穩定性造成嚴重沖擊。


另一方面,鈣鈦礦薄膜在高溫狀態下,其脆弱性便暴露無遺,容易發生分解,導致其原有的表面形貌發生改變。更為棘手的是,在紫外光的無情“攻擊”下,容易催生出光生空穴,進而對鈣鈦礦層進行催化分解,穩定性因此大受影響。而現實情況是,它的工作環境恰恰是那種表面溫度能夠輕而易舉達到 60 攝氏度以上,且伴隨著強烈紫外光照的惡劣環境。


在這兩方面因素的協同“作惡”下,實際工作中鈣鈦礦太陽能電池的整體效率便會出現持續且大幅度的下降,嚴重影響其實際應用和推廣。而萊斯大學的研究團隊此次的成果恰好直擊這兩大關鍵問題。


該研究團隊巧妙地在前驅體溶液中添加了二維(2D)鈣鈦礦,使得這些鈣鈦礦能夠充當模板的關鍵角色,引領塊狀或 3D 鈣鈦礦的生長,為晶格結構提供了額外的壓縮力和穩定性。同時,二維鈣鈦礦在化學和結構方面都展現出比 FAPbI3 更為出色的穩定性,如此一來,便能有效遏制電池效率的下降趨勢。


實際的實驗結果也的確令人欣喜。當處于 85℃的高溫環境下,歷經 1000 多個小時的持續運行,FAPbI3 太陽能電池的整體效率下降幅度竟然不到 3%。二維鈣鈦礦模板不僅顯著提升了 FAPbI3 太陽能電池的效率,還極大地增強了電池的耐用性。此外,該研究成果所蘊含的意義還遠不止于此,它還具備降低制造成本、簡化結構、減輕太陽能電池板重量以及增加靈活性等諸多潛力。這對于光收集或光伏技術而言,無疑將產生變革性的深遠影響,其意義不可估量。


從能源產業的長遠發展視角來看,萊斯大學的這項研究成果無疑為鈣鈦礦太陽能電池的商業化進程注入了強大的新動力。在當下可再生能源需求持續增長的時代背景下,這無疑具有建設性的重大意義。我們完全有理由憧憬,在并不遙遠的未來,鈣鈦礦太陽能電池必將成為推動全球可再生能源蓬勃發展的核心力量,為人類的能源未來書寫嶄新的輝煌篇章。


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