普林斯頓工程學(xué)院的科學(xué)家們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了第一個(gè)具有商業(yè)上可行的壽命的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，標(biāo)志著一個(gè)新興的可再生能源技術(shù)類別的一個(gè)重要里程碑。該研究小組預(yù)計(jì)他們的設(shè)備可以在30年左右的時(shí)間里表現(xiàn)出高于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的性能，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)用作太陽(yáng)能電池可行性閾值的20 年。
該設(shè)備不僅高度耐用，而且還符合普通的效率標(biāo)準(zhǔn)。事實(shí)上，它是第一個(gè)能與硅基電池的性能相媲美的產(chǎn)品，硅基電池自 1954 年問(wèn)世以來(lái)一直占據(jù)市場(chǎng)主導(dǎo)地位。
鈣鈦礦是具有特殊晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體，這使它們很適合用于太陽(yáng)能電池技術(shù)。它們可以在室溫下制造，使用的能量比硅少得多，使它們的生產(chǎn)成本更低，更具可持續(xù)性。而且，硅是僵硬和不透明的，而鈣鈦礦可以被制成靈活和透明的，使太陽(yáng)能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了美國(guó)各地山坡和屋頂上的標(biāo)志性矩形面板。
但與硅不同，鈣鈦礦是出了名的脆弱。早期的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池(PSC)，在2009年至2012年間創(chuàng)建，只持續(xù)了幾分鐘。新設(shè)備的預(yù)計(jì)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(chuàng)造的。(該裝置在室溫下連續(xù)照明運(yùn)行了一年。新設(shè)備將在類似的實(shí)驗(yàn)室條件下運(yùn)行5年)。
由Theodora D和William H. Walton III 工程系教授Lynn Loo領(lǐng)導(dǎo)的普林斯頓團(tuán)隊(duì)，在2022年6月16日發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的一篇論文中披露了他們的新裝置和測(cè)試此類裝置的新方法。
Loo說(shuō)，創(chuàng)紀(jì)錄的設(shè)計(jì)突出了PSC的持久潛力，特別是作為一種推動(dòng)太陽(yáng)能電池技術(shù)超越硅極限的方式。但她也指出，她的團(tuán)隊(duì)的新加速老化技術(shù)超越了頭條結(jié)果，是這項(xiàng)工作的更深層意義。
“我們今天可能有了新記錄，”她說(shuō)，“但別人明天會(huì)有更好的記錄出現(xiàn)。真正令人興奮的是，我們現(xiàn)在有辦法測(cè)試這些設(shè)備，并知道它們的長(zhǎng)期表現(xiàn)。”
由于鈣鈦礦眾所周知的脆弱性，直到現(xiàn)在，長(zhǎng)期測(cè)試還不是一個(gè)很重要的問(wèn)題。但是，隨著設(shè)備變得更好，持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，在推出耐用的、對(duì)消費(fèi)者友好的技術(shù)時(shí)，對(duì)一種設(shè)計(jì)與另一種設(shè)計(jì)進(jìn)行測(cè)試將變得至關(guān)重要。
美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室的高級(jí)研究員 Joseph Berry說(shuō)：“這篇論文可能會(huì)成為任何希望在效率和穩(wěn)定性的交叉點(diǎn)上分析性能的人的原型，”他專門研究太陽(yáng)能電池的物理學(xué)，沒(méi)有參與這項(xiàng)研究。“通過(guò)生產(chǎn)一個(gè)原型來(lái)研究穩(wěn)定性，并顯示出(通過(guò)加速測(cè)試)可以推斷出什么，它正在做每個(gè)人都希望在我們開(kāi)始大規(guī)模的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(jìn)行預(yù)測(cè)。”
Berry說(shuō)，雖然效率在過(guò)去十年中以顯著的速度加快，但這些設(shè)備的穩(wěn)定性提高得更慢。為了讓它們?cè)诠I(yè)界得到普及和推廣，測(cè)試將需要變得更加復(fù)雜。這就是Loo的加速老化過(guò)程的意義所在。
"這些類型的測(cè)試將越來(lái)越重要，"Loo說(shuō)。"你可以制造最有效的太陽(yáng)能電池，但如果它們不穩(wěn)定，那就無(wú)所謂了。"
2020年初，Loo的團(tuán)隊(duì)正在研究各種設(shè)備架構(gòu)，以保持相對(duì)較高的效率--將足夠的太陽(yáng)光轉(zhuǎn)換為電力，使其具有價(jià)值--并在太陽(yáng)能電池使用期間遭受熱、光和濕度的沖擊時(shí)仍能生存。
Loo實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員趙曉明一直在與同事們進(jìn)行一些設(shè)計(jì)。他們努力將不同的材料分層，以優(yōu)化光的吸收，同時(shí)保護(hù)最脆弱的區(qū)域不受影響。他們?cè)趦蓚€(gè)關(guān)鍵部件之間開(kāi)發(fā)了一個(gè)超薄的封蓋層：吸收性過(guò)氧化物層和由銅鹽和其他物質(zhì)制成的電荷攜帶層。目標(biāo)是使鈣鈦礦半導(dǎo)體在幾周或幾個(gè)月內(nèi)不被燒毀，這在當(dāng)時(shí)是很正常的。
很難理解這個(gè)封蓋層有多薄?？茖W(xué)家們用2D這個(gè)詞來(lái)描述它，意思是兩個(gè)維度，就像沒(méi)有厚度的東西一樣。在現(xiàn)實(shí)中，它僅僅是幾個(gè)原子的厚度--比人眼能看到的最小的東西小一百萬(wàn)倍以上。雖然二維封蓋層的想法并不新鮮，但它仍然被認(rèn)為是一種有前途的新興技術(shù)。NREL的科學(xué)家們已經(jīng)表明，二維層可以大大改善長(zhǎng)距離的性能，但沒(méi)有人開(kāi)發(fā)出一種裝置，將鈣鈦礦推向接近20年壽命的商業(yè)門檻。
趙曉明和他的同事們經(jīng)歷了這些設(shè)計(jì)的幾十種排列組合，改變了幾何形狀中的微小細(xì)節(jié)，改變了層數(shù)，并嘗試了幾十種材料組合。每種設(shè)計(jì)都被放入燈箱中，在那里他們可以用無(wú)情的強(qiáng)光照射敏感的設(shè)備，并測(cè)量其性能隨時(shí)間的下降。
那年秋天，隨著第一波大流行病的消退，研究人員回到他們的實(shí)驗(yàn)室，在精心協(xié)調(diào)的輪班中照顧他們的實(shí)驗(yàn)，趙曉明注意到數(shù)據(jù)中的一些奇怪之處。一組設(shè)備似乎仍在接近其峰值效率的狀態(tài)下運(yùn)行。
他說(shuō)：“在近半年之后，基本上沒(méi)有下降。”這時(shí)他意識(shí)到他需要一種方法來(lái)對(duì)他的設(shè)備進(jìn)行壓力測(cè)試，其速度比他的實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)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(shí)間來(lái)測(cè)試你的設(shè)備，”趙曉明說(shuō)。“所以我們需要一些方法在合理的時(shí)間范圍內(nèi)預(yù)測(cè)這個(gè)壽命。這就是為什么這種加速老化非常重要。”
新的測(cè)試方法通過(guò)對(duì)設(shè)備進(jìn)行照明，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行加熱來(lái)加速老化過(guò)程。這個(gè)過(guò)程加速了多年來(lái)定期暴露的自然發(fā)生的情況。研究人員選擇了四個(gè)老化溫度，并測(cè)量了這四個(gè)不同數(shù)據(jù)流的結(jié)果，從典型夏日的基線溫度到華氏230度的極端溫度，高于水的沸點(diǎn)。
然后他們從綜合數(shù)據(jù)中進(jìn)行推斷，預(yù)測(cè)該設(shè)備在室溫下連續(xù)照明數(shù)萬(wàn)小時(shí)后的性能。結(jié)果顯示，在平均溫度為95華氏度的情況下，該設(shè)備在連續(xù)照明下的性能將超過(guò)其峰值效率的80%，至少可持續(xù)5年。使用標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換指標(biāo)，Loo說(shuō)這相當(dāng)于在新澤西州普林斯頓這樣的地區(qū)進(jìn)行30年的戶外操作。
NREL的Berry表示贊同。“這是非常可信的，”他說(shuō)。“有些人仍然希望看到它的效果。但這是比其他很多預(yù)測(cè)的嘗試更可信的科學(xué)。”
太陽(yáng)能電池界的“邁克爾·喬丹”
鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在2006年被首創(chuàng)，第一批公布的設(shè)備在2009年出現(xiàn)。最早的一些設(shè)備只持續(xù)了幾秒鐘。其他的是幾分鐘。在2010年代，設(shè)備的壽命增長(zhǎng)到幾天和幾周，最后是幾個(gè)月。然后在2017年，來(lái)自瑞士的一個(gè)小組發(fā)表了一篇關(guān)于PSC的突破性論文，該裝置持續(xù)了一整年的連續(xù)照明。
與此同時(shí)，這些設(shè)備的效率也在同一時(shí)期內(nèi)急劇上升。雖然第一個(gè)PSC顯示出不到4%的功率轉(zhuǎn)換效率，但研究人員在幾年內(nèi)將該指標(biāo)提高了近10倍。這是迄今為止科學(xué)家們?cè)谌魏我活惪稍偕茉醇夹g(shù)中看到的最快改進(jìn)。
那么為什么要推動(dòng)鈣鈦礦的發(fā)展呢？Berry說(shuō)，最近的一系列進(jìn)展使它們成為獨(dú)一無(wú)二的理想選擇：新的高效率，允許科學(xué)家進(jìn)行高度具體應(yīng)用的非凡的"可調(diào)性"，以低能源投入在本地制造它們的能力，以及現(xiàn)在對(duì)延長(zhǎng)壽命的可靠預(yù)測(cè)，加上復(fù)雜的老化過(guò)程，以測(cè)試各種設(shè)計(jì)。
Loo說(shuō)，并不是說(shuō)PSC將取代硅設(shè)備，而是新技術(shù)將補(bǔ)充舊技術(shù)，使太陽(yáng)能電池板比現(xiàn)在更便宜、更高效、更耐用，并將太陽(yáng)能擴(kuò)展到現(xiàn)代生活中難以計(jì)數(shù)的新領(lǐng)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(xué)性質(zhì))，可以將窗戶變成能源生產(chǎn)設(shè)備，而不改變其外觀。其他小組已經(jīng)找到了利用鈣鈦礦印刷光伏油墨的方法，允許科學(xué)家們現(xiàn)在才夢(mèng)想的形式因素。
但據(jù)Berry和Loo兩人說(shuō)，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，主要的優(yōu)勢(shì)是：鈣鈦礦可以在室溫下制造，而硅是在華氏3000度左右鍛造的。這種能量必須來(lái)自某處，而目前這意味著燃燒大量的化石燃料。
Berry補(bǔ)充說(shuō)，因?yàn)榭茖W(xué)家們可以輕松而廣泛地調(diào)整鈣鈦礦的特性，它們?cè)试S不同的平臺(tái)順利地一起工作。這可能是硅與薄膜和有機(jī)光伏等新興平臺(tái)結(jié)合的關(guān)鍵，這些平臺(tái)在最近幾年也取得了巨大進(jìn)展。
“這有點(diǎn)像籃球場(chǎng)上的邁克爾·喬丹，”他說(shuō)。“他本身很好，但他也使所有其他球員變得更好。”
原標(biāo)題：“像籃球場(chǎng)上的邁克爾·喬丹”：研究稱鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的壽命可達(dá)30年
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