來自沖繩科學(xué)技術(shù)大學(xué)院大學(xué)（OIST）的研究人員通過使用一種新制造技術(shù)，創(chuàng)造了穩(wěn)定性和效率都更高的鈣鈦礦太陽(yáng)能組件。他們的研究結(jié)果已于本月25日發(fā)表在了《先進(jìn)能源材料》（Advanced Energy Materials）雜志上。

“鈣鈦礦材料很脆弱，容易分解，這意味著太陽(yáng)能電池在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)難以保持高效率，”該研究第一作者Tong Guoqing博士說，“盡管小型鈣鈦礦太陽(yáng)能電池效率很高，性能幾乎和硅電池一樣好，但一旦擴(kuò)大到更大的太陽(yáng)能組件，效率就會(huì)下降?！?

具體而言，在一個(gè)功能太陽(yáng)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(yáng)光時(shí)，它產(chǎn)生電荷載流子，然后通過傳輸層流向電極并產(chǎn)生電流。

然而，鈣鈦礦層中的針孔和單個(gè)鈣鈦礦顆粒之間邊界處的缺陷會(huì)干擾載流子從鈣鈦礦層到輸運(yùn)層的流動(dòng)，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，從而縮短器件的壽命。

研究人員進(jìn)一步解釋稱，“擴(kuò)大規(guī)模是具有挑戰(zhàn)性的，因?yàn)殡S著模塊尺寸的增加，很難產(chǎn)生均勻的鈣鈦礦層，這些缺陷也會(huì)變得更加明顯。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，大多數(shù)太陽(yáng)能電池都僅有一層厚度為500納米的鈣鈦礦薄膜。盡管理論上，該薄膜越薄，其效率就會(huì)越高，因?yàn)檩d流子到達(dá)上下傳輸層的距離更短。但當(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，他們選擇制作了5×5和10×10平方厘米的太陽(yáng)能電池組件，其中含有兩倍厚度的鈣鈦礦薄膜。不過挑戰(zhàn)也隨之而來：鈣鈦礦是一類通常由許多化合物作為溶液反應(yīng)，然后讓它們結(jié)晶而形成的材料。但在實(shí)際操作中，研究人員發(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，研究人員加入了氯化銨來增加鉛碘的溶解度（碘鉛是用來形成鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的前體材料之一）。這也允許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，具有更大的顆粒和更少的缺陷。隨后，再將氨從鈣鈦礦溶液中去除，降低了鈣鈦礦膜內(nèi)的雜質(zhì)水平。

總體而言，尺寸為5 × 5平方厘米的太陽(yáng)能組件的效率為14.55%，高于不使用氯化銨的組件的13.06%，并且可以在兩個(gè)月內(nèi)工作1600小時(shí)，效率超過80%。較大的10 x 10平方厘米模塊的效率為10.25%，并可以在超過1100小時(shí)（約46天）的時(shí)間內(nèi)保持高效率。

這項(xiàng)工作得到了OIST技術(shù)開發(fā)和創(chuàng)新中心的概念驗(yàn)證項(xiàng)目的支持。這一進(jìn)步為鈣鈦礦光伏組件提高效率和穩(wěn)定性、達(dá)到商業(yè)規(guī)模，以及趕上其“硅前輩”都奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。在下一步的研究中，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(yáng)能組件，而不是使用溶液，目前正試圖擴(kuò)大到15 x 15平方厘米的組件。