“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30年

普林斯頓工程學院的科學家們已經開發出了第一個具有商業上可行的壽命的鈣鈦礦太陽能電池,標誌着一個新興的可再生能源技術類別的一個重要里程碑。該研究小組預計他們的設備可以在30年左右的時間裡表現出高於工業標準的性能,遠遠超過用作太陽能電池可行性閾值的20 年。

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該設備不僅高度耐用,而且還符合普通的效率標準。事實上,它是第一個能與硅基電池的性能相媲美的產品,硅基電池自 1954 年問世以來一直佔據市場主導地位。

鈣鈦礦是具有特殊晶體結構的半導體,這使它們很適合用於太陽能電池技術。它們可以在室溫下製造,使用的能量比硅少得多,使它們的生產成本更低,更具可持續性。而且,硅是僵硬和不透明的,而鈣鈦礦可以被製成靈活和透明的,使太陽能遠遠超出了美國各地山坡和屋頂上的標誌性矩形面板。

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年間創建,只持續了幾分鐘。新設備的預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創造的。(該裝置在室溫下連續照明運行了一年。新設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領導的普林斯頓團隊,在2022年6月16日發表在《科學》雜誌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。

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Loo說,創紀錄的設計突出了PSC的持久潛力,特別是作為一種推動太陽能電池技術超越硅極限的方式。但她也指出,她的團隊的新加速老化技術超越了頭條結果,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。真正令人興奮的是,我們現在有辦法測試這些設備,並知道它們的長期表現。”

由於鈣鈦礦眾所周知的脆弱性,直到現在,長期測試還不是一個很重要的問題。但是,隨着設備變得更好,持續時間更長,在推出耐用的、對消費者友好的技術時,對一種設計與另一種設計進行測試將變得至關重要。

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,沒有參與這項研究。“通過生產一個原型來研究穩定性,並顯示出(通過加速測試)可以推斷出什麼,它正在做每個人都希望在我們開始大規模的現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行預測。”

Berry說,雖然效率在過去十年中以顯著的速度加快,但這些設備的穩定性提高得更慢。為了讓它們在工業界得到普及和推廣,測試將需要變得更加複雜。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。”你可以製造最有效的太陽能電池,但如果它們不穩定,那就無所謂了。”

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2020年初,Loo的團隊正在研究各種設備架構,以保持相對較高的效率–將足夠的太陽光轉換為電力,使其具有價值–並在太陽能電池使用期間遭受熱、光和濕度的衝擊時仍能生存。

Loo實驗室的博士后研究員趙曉明一直在與同事們進行一些設計。他們努力將不同的材料分層,以優化光的吸收,同時保護最脆弱的區域不受影響。他們在兩個關鍵部件之間開發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製成的電荷攜帶層。目標是使鈣鈦礦半導體在幾周或幾個月內不被燒毀,這在當時是很正常的。

很難理解這個封蓋層有多薄。科學家們用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並不新鮮,但它仍然被認為是一種有前途的新興技術。NREL的科學家們已經表明,二維層可以大大改善長距離的性能,但沒有人開發出一種裝置,將鈣鈦礦推向接近20年壽命的商業門檻。

趙曉明和他的同事們經歷了這些設計的幾十種排列組合,改變了幾何形狀中的微小細節,改變了層數,並嘗試了幾十種材料組合。每種設計都被放入燈箱中,在那裡他們可以用無情的強光照射敏感的設備,並測量其性能隨時間的下降。

那年秋天,隨着第一波大流行病的消退,研究人員回到他們的實驗室,在精心協調的輪班中照顧他們的實驗,趙曉明注意到數據中的一些奇怪之處。一組設備似乎仍在接近其峰值效率的狀態下運行。

他說:“在近半年之後,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備進行壓力測試,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備,”趙曉明說。“所以我們需要一些方法在合理的時間範圍內預測這個壽命。這就是為什麼這種加速老化非常重要。”

新的測試方法通過對設備進行照明,同時對其進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生的情況。研究人員選擇了四個老化溫度,並測量了這四個不同數據流的結果,從典型夏日的基線溫度到華氏230度的極端溫度,高於水的沸點。

然後他們從綜合數據中進行推斷,預測該設備在室溫下連續照明數萬小時后的性能。結果顯示,在平均溫度為95華氏度的情況下,該設備在連續照明下的性能將超過其峰值效率的80%,至少可持續5年。使用標準的轉換指標,Loo說這相當於在新澤西州普林斯頓這樣的地區進行30年的戶外操作。

NREL的Berry表示贊同。“這是非常可信的,”他說。“有些人仍然希望看到它的效果。但這是比其他很多預測的嘗試更可信的科學。”

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,第一批公布的設備在2009年出現。最早的一些設備只持續了幾秒鐘。其他的是幾分鐘。在2010年代,設備的壽命增長到幾天和幾周,最後是幾個月。然後在2017年,來自瑞士的一個小組發表了一篇關於PSC的突破性論文,該裝置持續了一整年的連續照明。

與此同時,這些設備的效率也在同一時期內急劇上升。雖然第一個PSC顯示出不到4%的功率轉換效率,但研究人員在幾年內將該指標提高了近10倍。這是迄今為止科學家們在任何一類可再生能源技術中看到的最快改進。

那麼為什麼要推動鈣鈦礦的發展呢?Berry說,最近的一系列進展使它們成為獨一無二的理想選擇:新的高效率,允許科學家進行高度具體應用的非凡的”可調性”,以低能源投入在本地製造它們的能力,以及現在對延長壽命的可靠預測,加上複雜的老化過程,以測試各種設計。

Loo說,並不是說PSC將取代硅設備,而是新技術將補充舊技術,使太陽能電池板比現在更便宜、更高效、更耐用,並將太陽能擴展到現代生活中難以計數的新領域。例如,她的小組最近展示了一種完全透明的鈣鈦礦薄膜(具有不同的化學性質),可以將窗戶變成能源生產設備,而不改變其外觀。其他小組已經找到了利用鈣鈦礦印刷光伏油墨的方法,允許科學家們現在才夢想的形式因素。

但據Berry和Loo兩人說,從長遠來看,主要的優勢是:鈣鈦礦可以在室溫下製造,而硅是在華氏3000度左右鍛造的。這種能量必須來自某處,而目前這意味着燃燒大量的化石燃料。

Berry補充說,因為科學家們可以輕鬆而廣泛地調整鈣鈦礦的特性,它們允許不同的平台順利地一起工作。這可能是硅與薄膜和有機光伏等新興平台結合的關鍵,這些平台在最近幾年也取得了巨大進展。

“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。”