沖繩科學(xué)技術(shù)研究所（OIST）的研究人員利用一種減少缺陷的新制造技術(shù)，制造出穩(wěn)定性和效率都有所提高的鈣鈦礦型太陽能組件。他們的發(fā)現(xiàn)發(fā)表在1月25日的《先進(jìn)能源材料》雜志上。

鈣鈦礦是下一代太陽能技術(shù)中最有前途的材料之一，其效率在10多年內(nèi)從3.8%飆升至25.5%。鈣鈦礦型太陽能電池生產(chǎn)成本低廉，并且具有靈活性的潛力，增加了其多功能性。但仍有兩個(gè)障礙阻礙了商業(yè)化的道路：缺乏長(zhǎng)期穩(wěn)定性和難以擴(kuò)大規(guī)模。

“鈣鈦礦材料易碎，容易分解，這意味著太陽能電池在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)難以保持高效率。”第一作者湯國(guó)慶博士說，他是由齊亞兵教授領(lǐng)導(dǎo)的OIST能源材料和表面科學(xué)組的博士后學(xué)者。湯博士認(rèn)為盡管小型鈣鈦礦太陽能電池的效率很高，性能幾乎與硅電池相當(dāng)，但一旦擴(kuò)大到更大的太陽能組件，效率就會(huì)下降。

在功能太陽能器件中，鈣鈦礦層位于中心，夾在兩個(gè)傳輸層和兩個(gè)電極之間。當(dāng)活性鈣鈦礦層吸收陽光時(shí)，它產(chǎn)生電荷載流子，然后通過傳輸層流到電極并產(chǎn)生電流。

通過添加氯化銨，得到的鈣鈦礦薄膜具有更小的晶粒和更大的尺寸，減少了晶界的數(shù)量。

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然而，鈣鈦礦層中的針孔和單個(gè)鈣鈦礦晶粒之間邊界處的缺陷會(huì)破壞從鈣鈦礦層到傳輸層的載流子流，降低效率。濕度和氧氣也會(huì)開始降解這些缺陷處的鈣鈦礦層，縮短器件的壽命。

擴(kuò)大規(guī)模是一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)殡S著模塊尺寸的增加，很難產(chǎn)生一個(gè)均勻的鈣鈦礦層，這些缺陷變得更加明顯，湯博士解釋說，我們想找到一種制造大型模塊的方法來解決這些問題。

目前生產(chǎn)的大多數(shù)太陽能電池都有一層厚度只有500納米的鈣鈦礦薄膜。理論上，由于電荷載流子到達(dá)上下傳輸層的距離較短，鈣鈦礦層較薄可提高效率。但是當(dāng)制造更大的模塊時(shí)，研究人員發(fā)現(xiàn)薄膜通常會(huì)產(chǎn)生更多的缺陷和針孔。

因此，研究人員選擇制作5×5cm2和10×10cm2的太陽能電池組件，其中含有兩倍厚度的鈣鈦礦薄膜。

來自O(shè)IST能源材料和表面科學(xué)部門的科學(xué)家們展示了鈣鈦礦型太陽能組件，為風(fēng)扇和玩具車提供動(dòng)力。

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然而，制備更厚的鈣鈦礦薄膜也有自己的挑戰(zhàn)。鈣鈦礦是一類材料，通常由許多化合物在溶液中反應(yīng)形成，然后使它們結(jié)晶。

然而，科學(xué)家們努力溶解足夠高濃度的碘鉛，碘鉛是用來形成鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的前體材料之一，而鈣鈦礦結(jié)構(gòu)正是較厚薄膜所需要的。他們還發(fā)現(xiàn)結(jié)晶步驟很快且不可控，因此厚膜中含有許多小晶粒，晶界較多。

因此，研究人員添加氯化銨以增加鉛碘的溶解度。這也使得鉛碘更均勻地溶解在有機(jī)溶劑中，從而形成更均勻的鈣鈦礦薄膜，具有更大的晶粒和更少的缺陷。氨后來從鈣鈦礦溶液中去除，降低了鈣鈦礦薄膜中雜質(zhì)的含量。

總的來說，尺寸為5x5cm2的太陽能組件的效率為14.55%，高于不含氯化銨的組件的13.06%，并且能夠在兩個(gè)月內(nèi)工作1600小時(shí)，效率超過80%。

研究人員制造了5x5cm2和10x10cm2的太陽能組件，比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室制造的1.5x1.5cm2的組件大得多，但比商用太陽能電池板小。

較大的10x10cm2模塊的效率為10.25%，并在1100多小時(shí)或近46天內(nèi)保持在較高的效率水平。

湯博士說：“這是首次報(bào)道這種尺寸的鈣鈦礦型太陽能組件的壽命測(cè)量，這真是令人興奮?！?/p>

這項(xiàng)工作得到了OIST技術(shù)開發(fā)和創(chuàng)新中心概念驗(yàn)證計(jì)劃的支持。這些結(jié)果是一個(gè)有希望的一步，在尋求生產(chǎn)商業(yè)規(guī)模的太陽能組件的效率和穩(wěn)定性，以匹配他們的硅同行。

在下一階段的研究中，該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃進(jìn)一步優(yōu)化他們的技術(shù)，使用蒸汽基方法制造鈣鈦礦型太陽能組件，而不是使用溶液，目前正試圖擴(kuò)大到15x15cm2的組件。

從實(shí)驗(yàn)室大小的太陽能電池到5×5平方厘米的太陽能組件是很困難的。跳到10×10平方厘米的太陽能組件上就更難了。而使用15×15平方厘米的太陽能組件將更加困難，但整個(gè)研究團(tuán)隊(duì)非常期待這種挑戰(zhàn)。