新的研究表明，破裂的鈣鈦礦薄膜（左）可以在輕微加熱和壓縮的情況下完全愈合（右）。這一發(fā)現(xiàn)預(yù)示著下一代太陽(yáng)能電池中鈣鈦礦薄膜的長(zhǎng)期可靠性。圖片來(lái)源：Padture Lab /布朗大學(xué)

一項(xiàng)新研究揭示了在下一代太陽(yáng)能電池中使用鈣鈦礦材料的可能性的好消息。

這項(xiàng)發(fā)表在《Acta Materialia》雜志上的研究發(fā)現(xiàn)，盡管鈣鈦礦薄膜易于破裂，但這些裂縫在壓縮和一點(diǎn)點(diǎn)熱量的情況下很容易愈合。研究人員說(shuō)，這預(yù)示著在太陽(yáng)能電池技術(shù)中可以使用廉價(jià)的鈣鈦礦來(lái)替代或補(bǔ)充價(jià)格昂貴的硅，這是一個(gè)好兆頭。

布朗工程學(xué)院的奧蒂斯·蘭德?tīng)枺∣tis E. Randall）教授、布朗分子與納米級(jí)創(chuàng)新研究所所長(zhǎng)尼丁·帕德特（Nitin Padture）表示：“鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的效率正在非?？斓卦鲩L(zhǎng)，現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室電池以及可以與硅太陽(yáng)能電池匹敵。每個(gè)人都追求高效率，這很重要，但是如果我們要將這種太陽(yáng)能電池技術(shù)推向市場(chǎng)，我們還需要考慮長(zhǎng)期耐用性和機(jī)械可靠性。這就是這項(xiàng)研究的目的。”

鈣鈦礦是一種廣泛的晶體材料，于2009年被首次引入太陽(yáng)能電池。那些最早的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的功率轉(zhuǎn)換效率約為4％，但如今已超過(guò)25％，與傳統(tǒng)硅基本相同。鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池的優(yōu)勢(shì)在于，其制造成本僅為硅成本的一小部分，從而有可能削減太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備的成本。鈣鈦礦還可以制成半透明且具有柔性的薄膜，從而有可能為產(chǎn)生能量的窗戶或帳篷或背包中的輕質(zhì)，柔性太陽(yáng)能電池掃清道路。

但是，鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池的低成本和易制造性伴隨著其他代價(jià)。

負(fù)責(zé)這項(xiàng)研究的帕德特說(shuō)：“在材料科學(xué)中，容易制造的東西也往往容易被破壞。鈣鈦礦非常脆，這是事實(shí)。但是在這里，我們證明了它們也很容易修復(fù)-可以通過(guò)壓縮鈣鈦礦膜或適度加熱來(lái)治愈鈣鈦礦膜中的裂紋。”

在這項(xiàng)研究中，該論文的第一作者、帕德特實(shí)驗(yàn)室的博士生斯里尼瓦斯·亞達(dá)瓦利（Srinivas Yadavalli）和將鈣鈦礦薄膜沉積在了塑料基材上。然后，他彎曲基板，以在鈣鈦礦膜上施加拉伸應(yīng)力，同時(shí)使用掃描電子顯微鏡（SEM）檢測(cè)裂紋。一旦薄膜破裂，研究人員便將基材向相反方向彎曲，以查看壓應(yīng)力是否能治愈這些裂縫。

果然，SEM圖像顯示裂紋已消失。為了確保裂縫被完全治愈而不僅是被隱藏，研究人員使用了一種稱為X射線衍射的技術(shù)。通過(guò)測(cè)量材料原子晶格的大小，該技術(shù)可以揭示以前破裂的區(qū)域現(xiàn)在是否能夠承受機(jī)械載荷 - 裂縫已被治愈的確定跡象。這些測(cè)試表明裂紋已完全愈合。

研究人員發(fā)現(xiàn)，熱量在愈合裂紋方面同樣有效。大約100攝氏度 - 由材料科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)這是相當(dāng)溫和的加熱溫度 - 就足以完全愈合鈣鈦礦薄膜上的裂紋。

帕德特表示，該研究旨在更好地了解鈣鈦礦材料的基本特性，需要做更多的工作來(lái)開(kāi)發(fā)在商業(yè)環(huán)境中應(yīng)用該信息的方法。隨著這些類型的太陽(yáng)能電池走向商業(yè)化，知道鈣鈦礦薄膜易于修復(fù)可能會(huì)很有用。

“這是個(gè)好消息，” 帕德特說(shuō)。“這表明相當(dāng)簡(jiǎn)單的修復(fù)方法可能有助于維持這類太陽(yáng)能電池的性能。”