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在一段不長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，鈣鈦礦太陽能電池已經(jīng)成為一個(gè)非常有前途的、未來發(fā)電的候選材料。但首先要克服一些設(shè)計(jì)問題：很大程度上與穩(wěn)定性問題有關(guān)，即在使用過程中電池單元可能會(huì)迅速退化。

不過，美國布朗大學(xué)(Brown University)的科學(xué)家們已經(jīng)提出了一種解決方法，通過使用一種他們稱為“分子膠”的東西來彌補(bǔ)上述弱點(diǎn)。他們的研究成果已于近日被刊登在了《科學(xué)》(Science)期刊雜志上。


在過去十年左右的時(shí)間里，科學(xué)家們看到了鈣鈦礦太陽能電池性能的穩(wěn)步提高，這種替代設(shè)計(jì)現(xiàn)在可以與傳統(tǒng)硅電池的效率相媲美。硅電池還需要昂貴的設(shè)備和高溫來生產(chǎn)，而鈣鈦礦電池可以在室溫下相對(duì)便宜地制造，并且在使用后更容易回收。這些因素加上它們優(yōu)異的吸光潛力使它們成為一個(gè)非常有前途的替代品。

需要注意的是，由于它們是由不同的材料制成的，溫度的變化會(huì)導(dǎo)致這些不同的層以不同的速度膨脹或收縮，從而產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力使它們解耦。布朗大學(xué)的科學(xué)家們就把注意力就集中在最麻煩的“這些層之間”上，在這里吸收光的鈣鈦礦薄膜與電子傳遞層相遇，電子傳遞層管理著通過電池的電流。

該研究的資深作者Nitin Padture說：“一個(gè)鏈條的強(qiáng)度取決于它最薄弱的環(huán)節(jié)，我們認(rèn)為這個(gè)是整個(gè)鏈條中最薄弱的部分，也是最有可能失效的地方。如果我們能加強(qiáng)這一點(diǎn)，那么我們就能開始切實(shí)改善可靠性。”

據(jù)了解，這項(xiàng)研究的基礎(chǔ)始于科學(xué)家們的早期工作，他們開發(fā)了新穎的陶瓷涂層，可用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)等高性能環(huán)境。 在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)開始研究一種叫自組裝單分子層(SAMs)的化合物，如何能幫助他們解決困擾鈣鈦礦型太陽能電池的穩(wěn)定性問題。

Padture說，“這是一類很大的化合物。當(dāng)你把這些物質(zhì)沉積在一個(gè)表面時(shí)，這些分子就會(huì)將自己組裝成一層，并像短發(fā)一樣直立起來。通過使用正確的配方，你可以在這些化合物和各種不同的表面之間形成牢固的鍵。”

這些SAMs可以在室溫下通過浸涂工藝應(yīng)用到電池單元上，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種特別有前途的配方。利用硅原子和碘原子組成的SAM，科學(xué)家們能夠在吸收光的鈣鈦礦薄膜和電子傳遞層之間形成牢固的鍵合。

Padture進(jìn)一步解釋稱，“當(dāng)我們引入SAMs時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)它將斷裂韌性提高了約50%，這意味著任何裂縫都不會(huì)蔓延太遠(yuǎn)。所以實(shí)際上，SAMs成為了一種分子粘合劑，將兩層粘合在一起。”

在測(cè)試中，研究小組發(fā)現(xiàn)，這種方法顯著提高了鈣鈦礦太陽能電池的壽命，在使用約1300小時(shí)后，鈣鈦礦太陽能電池仍保持80%的峰值效率。與之相比，非SAM電池單元只能持續(xù)約700小時(shí)。

研究小組預(yù)計(jì)他們的新設(shè)計(jì)可以在這個(gè)水平上運(yùn)行約4000小時(shí)(大約半年)。不過，硅電池的運(yùn)行壽命一般可持續(xù)25年，所以還有很多工作要做，但跡象顯示前景光明。

該研究的第一作者Zhenghong Dai表示：“我們還做了一件人們通常不會(huì)做的事情，那就是在測(cè)試后將電池掰開。在沒有SAMs的控制單元中，我們看到了各種各樣的損傷，比如空洞和裂縫。但有了SAM，看起來真的很好。這是一個(gè)巨大的進(jìn)步，真的讓我們感到震驚。”

值得注意的是，研究人員還稱，添加SAMs并不會(huì)降低電池的效率，相反，它實(shí)際上通過消除兩層連接在一起時(shí)通常會(huì)形成的小缺陷，在一定程度上提高了電池的效率。他們希望在這項(xiàng)研究的基礎(chǔ)上，將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到鈣鈦礦太陽能電池其他層之間上，從而進(jìn)一步提高穩(wěn)定性。

Padture說，“這是一種需要進(jìn)行的研究，目的是制造廉價(jià)、高效、性能良好的太陽能電池。 

原標(biāo)題：壽命大幅提高！美科學(xué)家研發(fā)“分子膠” 有助于強(qiáng)化鈣鈦礦光伏電池