科研團隊取得太陽能電池材料新突破:便宜100倍,可快速製備

2020-12-04 學術頭條

當前，大多數常用的太陽能電池都是以矽材料為基礎製成的，因為矽這種材料可以將太陽能轉化為清潔的電能。但是，製造矽的過程卻並不清潔，需要大量來自電廠的能量，而這些電廠又產生了大量二氧化碳排放。

為了使用更環保的材料替代矽，研究人員將重點放在了鈣鈦礦薄膜上。鈣鈦礦薄膜是一種低成本的柔性太陽能電池，不僅可以用最少的能量生產，而且幾乎沒有二氧化碳排放。

儘管鈣鈦礦太陽能電池的應用前景十分廣闊，但在得到大規模應用之前，仍面臨著一些重大挑戰。特別是它們本身的不穩定性，使得它們難以大規模量產。

圖 | 鈣鈦礦太陽能電池（來源：Medium）

近日，來自史丹福大學（Stanford University）、美國國家可再生能源實驗室（National Renewable Energy Laboratory）研究人員組成的科研團隊，在鈣鈦礦太陽能電池量產方面取得了突破性研究。

在這項工作中，研究人員展示了一種可以快速、穩定生產鈣鈦礦電池的新方法，並將所製造的鈣鈦礦電池組裝成太陽能模塊，為設備、建築物甚至電網供電。這項工作以「Rapid Open-Air Fabrication of Perovskite Solar Modules」為題，在線發表在 Cell Press 旗下科學期刊Joule上。

（來源：Joule）

對此，論文作者之一、史丹福大學博士後 Nick Rolston 表示：「鈣鈦礦太陽能技術正處於可商業化與崩盤之間的岔路口，數百萬美元已經投向許多鈣鈦礦初創企業中，但在未來三年中，如果沒有在延長電池壽命方面實現突破，這些錢就會慢慢燒完了。」

「這就是為什麼他們團隊開發的新型鈣鈦礦製造工藝如此令人興奮的原因。」 Rolston 補充道。

快速製備方法問世

鈣鈦礦太陽能電池是由廉價、存量充足的化學物質（如碘，碳和鉛）製成的合成晶體薄膜。

這種薄膜電池重量輕、可彎曲，並且可以在露天實驗室中以接近水沸點的溫度下生長，而這與精煉工業矽通常所需的 3000 華氏度（1650 攝氏度）相差甚遠。

科學家目前開發出的鈣鈦礦電池，可以將 25％ 的太陽能轉化為電能，儘管這種轉換效率可以與矽材料相媲美，但這些實驗電池並不能很快被應用到屋頂上。

Rolston 表示：「大多數有關鈣鈦礦的研究工作都只是涉及到體積很小的可用太陽能電池，如小拇指指甲蓋大小一般。」

在嘗試製造更大的電池時會產生缺陷和針孔，從而大大降低電池效率。與持續 20-30 年的剛性矽電池不同，薄膜鈣鈦礦在受熱和受潮時會降解。

圖 | 指甲大小的鈣鈦礦材料（來源：Printed Electronics World）

Dauskardt 表示：「人們可以在實驗室中製造一個小型演示設備，但傳統的鈣鈦礦加工還無法快速、高效地進行生產。」

為了應對大規模量產這一挑戰，研究人員採用了他們最新發明的一項專利技術，即快速噴射等離子體處理技術（rapid-spray plasma processing）。

這項技術使用帶有兩個噴嘴的自動化設備來快速生產鈣鈦礦薄膜。其中，一個噴嘴將鈣鈦礦化學前體所需的液體溶液噴塗到一塊玻璃板上，另一個噴嘴釋放一種等離子體高活性電離氣體。

圖 | 鈣鈦礦薄膜製造過程（來源：Nick Rolston）

Rolston 表示：「採用傳統工藝製備方法，需要將鈣鈦礦溶液烘烤大約半小時，我們的創新之處在於使用等離子體高能源（plasma high-energy source），在一個步驟中快速將液體鈣鈦礦轉化為薄膜太陽能電池。」

通過快速噴塗工藝，史丹福大學的研究團隊可以每分鐘生產 40 英尺（12 餘米）厚的鈣鈦礦薄膜，大約比製造矽電池的速度快 4 倍。「我們實現了所有太陽能生產技術中的最快產出速度，人們可以想像將大塊玻璃板放在輥子（roller）上，並以前所未有的速度生產鈣鈦礦薄膜。」 Rolston 說。

除了突破創紀錄的生產率，新製造的鈣鈦礦電池還實現了 18％ 的能量轉換效率。

對此，Rolston 表示：「我們希望使這個製造過程被最大化地應用。儘管等離子體處理系統聽起來可能很新穎，但它確實能以非常合理的價格買到。」

研究人員估計，他們的鈣鈦礦薄膜的製造成本約為 25 美分/平方英尺，這遠遠低於生產典型矽模塊所需的成本（2.5 美元/平方英尺），可以說便宜 100 倍。

全新的太陽能組件

矽太陽能電池通常在封裝模塊中互相連接，以提高其轉換效率以及承受惡劣天氣條件的能力。同樣地，為實現商業化，鈣鈦礦太陽能電池的製造商最終也不得不構建穩定、高效的封裝模塊。

為此，研究人員成功製造了鈣鈦礦封裝模塊。即使被擱置 5 個月之久，這種封裝模塊也能以 15.5％ 的太陽能轉換效率運行。

圖 | 鈣鈦礦太陽能電池組件（來源：Nick Rolston）

傳統的矽太陽能電池發電成本約為 5 美分/千瓦時。為了與矽電池競爭，鈣鈦礦模塊必須封裝在防潮層中，並且至少要能防潮 10 年。研究團隊現在正在探索新的封裝技術和其他方法來提高鈣鈦礦太陽能電池的耐用性。

「如果我們能製造出一個能持續 30 年的鈣鈦礦組件，那麼我們就可以將電力成本降低到 2 美分/千瓦時以下。當成本達到這個數字時，我們就可以使用鈣鈦礦進行實用規模的能源生產，比如建設一個 100 兆瓦的太陽能發電場。」 Rolston 說。

未來，隨著技術的不斷發展與突破，新型太陽能電池也將會實現大規模的落地應用，人類將最終受益於這種更高效、更環保的能源轉換方式。

參考資料：

https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(20)30509-2

https://news.stanford.edu/press/view/37286

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