一款由澳大利亞科學(xué)家開(kāi)發(fā)的、全世界首屈一指的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池通過(guò)了一系列高溫和濕度測(cè)試，采用低成本的解決方案克服了一些阻礙該技術(shù)走向商業(yè)化的挑戰(zhàn)。科學(xué)家們正是利用簡(jiǎn)單、低成本的聚合物-玻璃氈抑制鈣鈦礦太陽(yáng)能電池分解來(lái)做到這一點(diǎn)的。

由新南威爾士大學(xué)（UNSW）主導(dǎo)且與悉尼大學(xué)（University of Sydney）合作組建的一個(gè)科學(xué)家小組聲稱，在開(kāi)發(fā)耐久型鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（常稱為“下一代”太陽(yáng)能光伏技術(shù)）的全球競(jìng)賽中，他們走在世界最前列。在走向商業(yè)化的重要一步中，該小組宣布其鈣鈦礦已通過(guò)嚴(yán)格的國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）高溫和濕度測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。

這些科學(xué)家們一直致力于研究金屬鹵化物鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，在短短10年時(shí)間里取得了前所未有的進(jìn)展，將電池的電源轉(zhuǎn)換效率從3.8%提高到25.2%。相比而言，科學(xué)家們花了大約40年的時(shí)間才使得硅電池的轉(zhuǎn)換率達(dá)到26.7%。悉尼大學(xué)納米科學(xué)系首任主席約翰·胡克（John Hooke）說(shuō)道：“它們非常便宜，比硅薄500倍，因此柔性極高且重量超輕。它們還具有巨大的能量使能特性，且太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換率較高。”

但是，無(wú)保護(hù)的鈣鈦礦電池不如硅基電池耐久，因此尚不具備商業(yè)可行性。為了走出實(shí)驗(yàn)室，鈣鈦礦需要承受因潮濕、高溫和光照所產(chǎn)生的長(zhǎng)期環(huán)境脅迫。Ho-Baillie教授說(shuō)道：“鈣鈦礦電池需要達(dá)到現(xiàn)行商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。這正是我們的研究令人振奮的地方。我們已經(jīng)證實(shí)，我們可以大大提高它們的熱穩(wěn)定性。”

簡(jiǎn)單的玻璃和聚合物解決方案

這項(xiàng)研究——由14名科學(xué)家（大多是澳大利亞科學(xué)家）共同撰寫且如今發(fā)表在《科學(xué)》雜志上——詳細(xì)闡述了研究小組提出的低成本解決方案。研究人員采用氣相色譜-質(zhì)譜法（GC-MS）來(lái)識(shí)別高性能電池中常用的熱應(yīng)激雜化鈣鈦礦的特征性揮發(fā)性產(chǎn)物及分解途徑。采用這一方法，他們發(fā)現(xiàn)，采用簡(jiǎn)單、低成本的聚異丁烯（合成橡膠）基或聚烯烴基聚合物-玻璃組合物封裝的有機(jī)-無(wú)機(jī)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池封裝具有優(yōu)異的耐久性，超出了IEC61215:2016濕熱濕凍測(cè)試的要求。

研究人員能夠證實(shí)，低成本的聚合物玻璃層疊結(jié)構(gòu)的氣密性封裝有效地抑制了鈣鈦礦‘滲氣’（即導(dǎo)致其分解的過(guò)程）。采用這種封裝方案，含有多陽(yáng)離子多鹵化物鈣鈦礦的CH3NH3（MA）太陽(yáng)能電池經(jīng)受了1800多個(gè)小時(shí)的濕熱測(cè)試和75個(gè)循環(huán)的30次濕冷凍測(cè)試，首次超過(guò)了IEC61215:2016標(biāo)準(zhǔn)的要求，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了團(tuán)隊(duì)的預(yù)期。

Ho-Baillie教授表示：“我們的研究還有一項(xiàng)令人興奮的結(jié)果，那就是我們能夠在苛刻的國(guó)際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境測(cè)試條件下實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦電池的穩(wěn)定性。這些電池不僅通過(guò)了熱循環(huán)試驗(yàn)，還超出了濕熱濕凍測(cè)試的要求。”

這些測(cè)試可幫助確定太陽(yáng)能電池組件是否能夠經(jīng)受住室外操作條件的影響，方法是將其暴露在-40度到85度之間的多次溫度循環(huán)中及85%的相對(duì)濕度下。”這些結(jié)果尤為重要，因?yàn)檫@項(xiàng)研究中使用的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池含有已知具有較低熱穩(wěn)定性的MA陽(yáng)離子。研究論文總結(jié)道：“盡管如此，這些電池仍然通過(guò)了施加最嚴(yán)苛的濕熱應(yīng)力的濕冷凍測(cè)試。”