高效、快速、大規模製造鈣鈦礦太陽能電池的新方法

2020-12-03 科技報告與資訊

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目前，大多數太陽能電池都是用精製矽製成的，它能將太陽光轉化為清潔電力。不過，精煉矽的過程並不是清潔的，需要大量能源。為了尋找更環保的矽的替代品，研究人員將重點放在了薄膜鈣鈦礦上，這種低成本、柔性的太陽能電池可以用最少的能源生產，幾乎沒有二氧化碳排放。

雖然鈣鈦礦太陽能電池很有前途，但在其普及之前還需要解決一些問題，其中最重要的是它的不穩定性，這使得它們難以大規模製造。

史丹福大學博士後Nick Rolston在11月25日出版的《Joule》雜誌上發表了一項新研究，提出了一種生產穩定鈣鈦礦電池的超快方法，並將它們組裝成太陽能模塊，可以為設備、建築物甚至電網供電。

"這項工作為鈣鈦礦製造提供了一個新的裡程碑，"研究高級作者Reinhold Dauskardt說，他是史丹福大學工程學院的Ruth G. and William K. Bowes教授。"它解決了多年來阻礙大規模製造的最大障礙。"

鈣鈦礦太陽能電池是由廉價、豐富的碘、碳和鉛等化學物質合成的薄膜。薄膜電池重量輕、可彎曲，可以在露天實驗室中以接近水沸點的溫度生長，與提煉工業矽所需的3000華氏度(1650攝氏度)的熔爐大不相同。

科學家們已經開發出了能將25%的陽光轉化為電能的鈣鈦礦電池，轉化效率與矽相當。但這些實驗電池不太可能很快推廣使用。目前製作的鈣鈦礦電池的尺寸都很小，通常只有指甲大小，無法使用，如果將尺寸放大，則會產生缺陷，降低電池效率。另外與剛性矽電池不同的是，剛性矽電池可以持續20到30年，而薄膜鈣鈦礦在暴露於熱和溼氣中時最終會退化降解。

為了應對大規模生產的挑戰，Dauskardt團隊使用了他們最近發明的一項專利技術，稱為快速噴淋等離子體加工。這項技術使用一個帶有兩個噴嘴的機器人來快速生產鈣鈦礦薄膜。一個噴嘴將鈣鈦礦化學前體的液態溶液噴塗到玻璃板上，而另一個噴嘴則釋放出一陣被稱為等離子體的高活性電離氣體。

"傳統的處理方法需要你將鈣鈦礦溶液烘烤半小時左右，"Rolston說。"我們的創新是使用等離子體高能源，在一個步驟中快速將液態鈣鈦礦轉化為薄膜太陽能電池。"

使用快速噴霧處理，史丹福大學團隊能夠每分鐘生產40英尺（12米）的鈣鈦礦薄膜，比製造矽電池的速度快四倍。除了創紀錄的生產速度，新鈣鈦礦電池還實現了18%的轉換效率。

史丹福大學團隊估計，他們的鈣鈦礦模塊可以以每平方英尺約25美分的價格生產，遠低於生產矽模塊所需的每平方英尺2.5美元左右的價格。

"如果我們能夠製造一個持續30年的鈣鈦礦模塊，我們可以將電力成本降到每千瓦時2美分以下，"Rolston說。"在這個價格下，我們可以將鈣鈦礦用於公用事業規模的能源生產。例如，一個100兆瓦的太陽能工廠。"

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