當前，大多數(shù)常用的太陽能電池都是以硅材料為基礎(chǔ)制成的，因為硅這種材料可以將太陽能轉(zhuǎn)化為清潔的電能。

當前，大多數(shù)常用的太陽能電池都是以硅材料為基礎(chǔ)制成的，因為硅這種材料可以將太陽能轉(zhuǎn)化為清潔的電能。但是，制造硅的過程卻并不清潔，需要大量來自電廠的能量，而這些電廠又產(chǎn)生了大量二氧化碳排放。

為了使用更環(huán)保的材料替代硅，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(chǎn)，而且?guī)缀鯖]有二氧化碳排放。

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

近日，來自斯坦福大學(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(chǎn)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(wěn)定生產(chǎn)鈣鈦礦電池的新方法，并將所制造的鈣鈦礦電池組裝成太陽能模塊，為設(shè)備、建筑物甚至電網(wǎng)供電。這項工作以“Rapid Open-Air Fabrication of Perovskite Solar Modules”為題，在線發(fā)表在 Cell Press 旗下科學期刊 Joule上。

 (來源：Joule)

對此，論文作者之一、斯坦福大學博士后 Nick Rolston 表示：“鈣鈦礦太陽能技術(shù)正處于可商業(yè)化與崩盤之間的岔路口，數(shù)百萬美元已經(jīng)投向許多鈣鈦礦初創(chuàng)企業(yè)中，但在未來三年中，如果沒有在延長電池壽命方面實現(xiàn)突破，這些錢就會慢慢燒完了。”

“這就是為什么他們團隊開發(fā)的新型鈣鈦礦制造工藝如此令人興奮的原因。” Rolston 補充道。

快速制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(zhì)(如碘，碳和鉛)制成的合成晶體薄膜。

這種薄膜電池重量輕、可彎曲，并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(yè)硅通常所需的 3000 華氏度(1650 攝氏度)相差甚遠。

科學家目前開發(fā)出的鈣鈦礦電池，可以將 25% 的太陽能轉(zhuǎn)化為電能，盡管這種轉(zhuǎn)換效率可以與硅材料相媲美，但這些實驗電池并不能很快被應(yīng)用到屋頂上。

Rolston 表示：“大多數(shù)有關(guān)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。”

在嘗試制造更大的電池時會產(chǎn)生缺陷和針孔，從而大大降低電池效率。與持續(xù) 20-30 年的剛性硅電池不同，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制造一個小型演示設(shè)備，但傳統(tǒng)的鈣鈦礦加工還無法快速、高效地進行生產(chǎn)。”

為了應(yīng)對大規(guī)模量產(chǎn)這一挑戰(zhàn)，研究人員采用了他們最新發(fā)明的一項專利技術(shù)，即快速噴射等離子體處理技術(shù)(rapid-spray plasma processing)。

這項技術(shù)使用帶有兩個噴嘴的自動化設(shè)備來快速生產(chǎn)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涂到一塊玻璃板上，另一個噴嘴釋放一種等離子體高活性電離氣體。

 圖 | 鈣鈦礦薄膜制造過程(來源：Nick Rolston)

Rolston 表示：“采用傳統(tǒng)工藝制備方法，需要將鈣鈦礦溶液烘烤大約半小時，我們的創(chuàng)新之處在于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(zhuǎn)化為薄膜太陽能電池。”

通過快速噴涂工藝，斯坦福大學的研究團隊可以每分鐘生產(chǎn) 40 英尺(12 余米)厚的鈣鈦礦薄膜，大約比制造硅電池的速度快 4 倍。“我們實現(xiàn)了所有太陽能生產(chǎn)技術(shù)中的最快產(chǎn)出速度，人們可以想象將大塊玻璃板放在輥子(roller)上，并以前所未有的速度生產(chǎn)鈣鈦礦薄膜。” Rolston 說。

除了突破創(chuàng)紀錄的生產(chǎn)率，新制造的鈣鈦礦電池還實現(xiàn)了 18% 的能量轉(zhuǎn)換效率。

對此，Rolston 表示：“我們希望使這個制造過程被最大化地應(yīng)用。盡管等離子體處理系統(tǒng)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制造成本約為 25 美分/平方英尺，這遠遠低于生產(chǎn)典型硅模塊所需的成本(2.5 美元/平方英尺)，可以說便宜 100 倍。

全新的太陽能組件硅太陽能電池通常在封裝模塊中互相連接，以提高其轉(zhuǎn)換效率以及承受惡劣天氣條件的能力。同樣地，為實現(xiàn)商業(yè)化，鈣鈦礦太陽能電池的制造商最終也不得不構(gòu)建穩(wěn)定、高效的封裝模塊。

為此，研究人員成功制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(zhuǎn)換效率運行。

 圖 | 鈣鈦礦太陽能電池組件(來源：Nick Rolston)

傳統(tǒng)的硅太陽能電池發(fā)電成本約為 5 美分/千瓦時。為了與硅電池競爭，鈣鈦礦模塊必須封裝在防潮層中，并且至少要能防潮 10 年。研究團隊現(xiàn)在正在探索新的封裝技術(shù)和其他方法來提高鈣鈦礦太陽能電池的耐用性。

“如果我們能制造出一個能持續(xù) 30 年的鈣鈦礦組件，那么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(shù)字時，我們就可以使用鈣鈦礦進行實用規(guī)模的能源生產(chǎn)，比如建設(shè)一個 100 兆瓦的太陽能發(fā)電場。” Rolston 說。

未來，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展與突破，新型太陽能電池也將會實現(xiàn)大規(guī)模的落地應(yīng)用，人類將最終受益于這種更高效、更環(huán)保的能源轉(zhuǎn)換方式。

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