“像篮球场上的迈克尔·乔丹”:研究称钙钛矿太阳能电池的寿命可达30年

2022年06月24日 11:31 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

普林斯顿工程学院的科学家们已经开发出了第一个具有商业上可行的寿命的钙钛矿太阳能电池,标志着一个新兴的可再生能源技术类别的一个重要里程碑。该研究小组预计他们的设备可以在30年左右的时间里表现出高于工业标准的性能,远远超过用作太阳能电池可行性阈值的20 年。

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该设备不仅高度耐用,而且还符合普通的效率标准。事实上,它是第一个能与硅基电池的性能相媲美的产品,硅基电池自 1954 年问世以来一直占据市场主导地位。

钙钛矿是具有特殊晶体结构的半导体,这使它们很适合用于太阳能电池技术。它们可以在室温下制造,使用的能量比硅少得多,使它们的生产成本更低,更具可持续性。而且,硅是僵硬和不透明的,而钙钛矿可以被制成灵活和透明的,使太阳能远远超出了美国各地山坡和屋顶上的标志性矩形面板。

但与硅不同,钙钛矿是出了名的脆弱。早期的钙钛矿太阳能电池(PSC),在2009年至2012年间创建,只持续了几分钟。新设备的预计寿命比之前的记录增加了五倍,该记录是由2017年的低效率PSC创造的。(该装置在室温下连续照明运行了一年。新设备将在类似的实验室条件下运行5年)。

由Theodora D和William H. Walton III 工程系教授Lynn Loo领导的普林斯顿团队,在2022年6月16日发表在《科学》杂志上的一篇论文中披露了他们的新装置和测试此类装置的新方法。

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Loo说,创纪录的设计突出了PSC的持久潜力,特别是作为一种推动太阳能电池技术超越硅极限的方式。但她也指出,她的团队的新加速老化技术超越了头条结果,是这项工作的更深层意义。

“我们今天可能有了新记录,”她说,“但别人明天会有更好的记录出现。真正令人兴奋的是,我们现在有办法测试这些设备,并知道它们的长期表现。”

由于钙钛矿众所周知的脆弱性,直到现在,长期测试还不是一个很重要的问题。但是,随着设备变得更好,持续时间更长,在推出耐用的、对消费者友好的技术时,对一种设计与另一种设计进行测试将变得至关重要。

美国国家可再生能源实验室的高级研究员 Joseph Berry说:“这篇论文可能会成为任何希望在效率和稳定性的交叉点上分析性能的人的原型,”他专门研究太阳能电池的物理学,没有参与这项研究。“通过生产一个原型来研究稳定性,并显示出(通过加速测试)可以推断出什么,它正在做每个人都希望在我们开始大规模的现场测试之前看到的工作。它允许你以一种真正令人印象深刻的方式进行预测。”

Berry说,虽然效率在过去十年中以显著的速度加快,但这些设备的稳定性提高得更慢。为了让它们在工业界得到普及和推广,测试将需要变得更加复杂。这就是Loo的加速老化过程的意义所在。

"这些类型的测试将越来越重要,"Loo说。"你可以制造最有效的太阳能电池,但如果它们不稳定,那就无所谓了。"

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2020年初,Loo的团队正在研究各种设备架构,以保持相对较高的效率--将足够的太阳光转换为电力,使其具有价值--并在太阳能电池使用期间遭受热、光和湿度的冲击时仍能生存。

Loo实验室的博士后研究员赵晓明一直在与同事们进行一些设计。他们努力将不同的材料分层,以优化光的吸收,同时保护最脆弱的区域不受影响。他们在两个关键部件之间开发了一个超薄的封盖层:吸收性过氧化物层和由铜盐和其他物质制成的电荷携带层。目标是使钙钛矿半导体在几周或几个月内不被烧毁,这在当时是很正常的。

很难理解这个封盖层有多薄。科学家们用2D这个词来描述它,意思是两个维度,就像没有厚度的东西一样。在现实中,它仅仅是几个原子的厚度--比人眼能看到的最小的东西小一百万倍以上。虽然二维封盖层的想法并不新鲜,但它仍然被认为是一种有前途的新兴技术。NREL的科学家们已经表明,二维层可以大大改善长距离的性能,但没有人开发出一种装置,将钙钛矿推向接近20年寿命的商业门槛。

赵晓明和他的同事们经历了这些设计的几十种排列组合,改变了几何形状中的微小细节,改变了层数,并尝试了几十种材料组合。每种设计都被放入灯箱中,在那里他们可以用无情的强光照射敏感的设备,并测量其性能随时间的下降。

那年秋天,随着第一波大流行病的消退,研究人员回到他们的实验室,在精心协调的轮班中照顾他们的实验,赵晓明注意到数据中的一些奇怪之处。一组设备似乎仍在接近其峰值效率的状态下运行。

他说:“在近半年之后,基本上没有下降。”这时他意识到他需要一种方法来对他的设备进行压力测试,其速度比他的实时实验所允许的要快。

“我们想要的寿命大约是30年,但你不能用30年时间来测试你的设备,”赵晓明说。“所以我们需要一些方法在合理的时间范围内预测这个寿命。这就是为什么这种加速老化非常重要。”

新的测试方法通过对设备进行照明,同时对其进行加热来加速老化过程。这个过程加速了多年来定期暴露的自然发生的情况。研究人员选择了四个老化温度,并测量了这四个不同数据流的结果,从典型夏日的基线温度到华氏230度的极端温度,高于水的沸点。

然后他们从综合数据中进行推断,预测该设备在室温下连续照明数万小时后的性能。结果显示,在平均温度为95华氏度的情况下,该设备在连续照明下的性能将超过其峰值效率的80%,至少可持续5年。使用标准的转换指标,Loo说这相当于在新泽西州普林斯顿这样的地区进行30年的户外操作。

NREL的Berry表示赞同。“这是非常可信的,”他说。“有些人仍然希望看到它的效果。但这是比其他很多预测的尝试更可信的科学。”

太阳能电池界的“迈克尔·乔丹”

钙钛矿太阳能电池在2006年被首创,第一批公布的设备在2009年出现。最早的一些设备只持续了几秒钟。其他的是几分钟。在2010年代,设备的寿命增长到几天和几周,最后是几个月。然后在2017年,来自瑞士的一个小组发表了一篇关于PSC的突破性论文,该装置持续了一整年的连续照明。

与此同时,这些设备的效率也在同一时期内急剧上升。虽然第一个PSC显示出不到4%的功率转换效率,但研究人员在几年内将该指标提高了近10倍。这是迄今为止科学家们在任何一类可再生能源技术中看到的最快改进。

那么为什么要推动钙钛矿的发展呢?Berry说,最近的一系列进展使它们成为独一无二的理想选择:新的高效率,允许科学家进行高度具体应用的非凡的"可调性",以低能源投入在本地制造它们的能力,以及现在对延长寿命的可靠预测,加上复杂的老化过程,以测试各种设计。

Loo说,并不是说PSC将取代硅设备,而是新技术将补充旧技术,使太阳能电池板比现在更便宜、更高效、更耐用,并将太阳能扩展到现代生活中难以计数的新领域。例如,她的小组最近展示了一种完全透明的钙钛矿薄膜(具有不同的化学性质),可以将窗户变成能源生产设备,而不改变其外观。其他小组已经找到了利用钙钛矿印刷光伏油墨的方法,允许科学家们现在才梦想的形式因素。

但据Berry和Loo两人说,从长远来看,主要的优势是:钙钛矿可以在室温下制造,而硅是在华氏3000度左右锻造的。这种能量必须来自某处,而目前这意味着燃烧大量的化石燃料。

Berry补充说,因为科学家们可以轻松而广泛地调整钙钛矿的特性,它们允许不同的平台顺利地一起工作。这可能是硅与薄膜和有机光伏等新兴平台结合的关键,这些平台在最近几年也取得了巨大进展。

“这有点像篮球场上的迈克尔·乔丹,”他说。“他本身很好,但他也使所有其他球员变得更好。”

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