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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(dāng)今的光伏領(lǐng)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(yōu)勢，當(dāng)之無愧地被視為新概念太陽能電池，備受各界的高度關(guān)注。然而，一個長期困擾的難題始終橫亙在前，那就是其穩(wěn)定性問題，這宛如一道難以跨越的鴻溝，嚴(yán)重制約了其進(jìn)一步邁向商業(yè)化普及的步伐。但就在近日，美國萊斯大學(xué)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(jù)在《科學(xué)》雜志上發(fā)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(wěn)定且品質(zhì)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(wěn)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(fā)現(xiàn)，鈣鈦礦太陽能電池的不穩(wěn)定性主要歸因于其材料自身的多種內(nèi)在因素。其一，鈣鈦礦材料對濕度表現(xiàn)出高度的敏感性。在特定的濕度條件下，周圍環(huán)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(jié)晶，還能減少薄膜中現(xiàn)存的缺陷，進(jìn)而提升薄膜的結(jié)晶質(zhì)量和載流子壽命。然而，一旦鈣鈦礦薄膜置身于高濕環(huán)境，水分與氧氣便會聯(lián)合起來，加速鈣鈦礦薄膜的分解進(jìn)程，對其穩(wěn)定性造成嚴(yán)重沖擊。

另一方面，鈣鈦礦薄膜在高溫狀態(tài)下，其脆弱性便暴露無遺，容易發(fā)生分解，導(dǎo)致其原有的表面形貌發(fā)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(jìn)而對鈣鈦礦層進(jìn)行催化分解，穩(wěn)定性因此大受影響。而現(xiàn)實情況是，它的工作環(huán)境恰恰是那種表面溫度能夠輕而易舉達(dá)到 60 攝氏度以上，且伴隨著強烈紫外光照的惡劣環(huán)境。

在這兩方面因素的協(xié)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(xiàn)持續(xù)且大幅度的下降，嚴(yán)重影響其實際應(yīng)用和推廣。而萊斯大學(xué)的研究團隊此次的成果恰好直擊這兩大關(guān)鍵問題。

該研究團隊巧妙地在前驅(qū)體溶液中添加了二維（2D）鈣鈦礦，使得這些鈣鈦礦能夠充當(dāng)模板的關(guān)鍵角色，引領(lǐng)塊狀或 3D 鈣鈦礦的生長，為晶格結(jié)構(gòu)提供了額外的壓縮力和穩(wěn)定性。同時，二維鈣鈦礦在化學(xué)和結(jié)構(gòu)方面都展現(xiàn)出比 FAPbI3 更為出色的穩(wěn)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(jié)果也的確令人欣喜。當(dāng)處于 85℃的高溫環(huán)境下，歷經(jīng) 1000 多個小時的持續(xù)運行，F(xiàn)APbI3 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(yuǎn)不止于此，它還具備降低制造成本、簡化結(jié)構(gòu)、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(shù)而言，無疑將產(chǎn)生變革性的深遠(yuǎn)影響，其意義不可估量。

從能源產(chǎn)業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展視角來看，萊斯大學(xué)的這項研究成果無疑為鈣鈦礦太陽能電池的商業(yè)化進(jìn)程注入了強大的新動力。在當(dāng)下可再生能源需求持續(xù)增長的時代背景下，這無疑具有建設(shè)性的重大意義。我們完全有理由憧憬，在并不遙遠(yuǎn)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(fā)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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