一款由澳大利亞科學(xué)家開發(fā)的、全世界首屈一指的鈣鈦礦太陽能電池通過了一系列高溫和濕度測試，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)?？茖W(xué)家們正是利用簡單、低成本的聚合物-玻璃氈抑制鈣鈦礦太陽能電池分解來做到這一點的。

由新南威爾士大學(xué)（UNSW）主導(dǎo)且與悉尼大學(xué)（University of Sydney）合作組建的一個科學(xué)家小組聲稱，在開發(fā)耐久型鈣鈦礦太陽能電池（常稱為“下一代”太陽能光伏技術(shù)）的全球競賽中，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嚴(yán)格的國際電工委員會（IEC）高溫和濕度測試標(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能電池，在短短10年時間里取得了前所未有的進展，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年的時間才使得硅電池的轉(zhuǎn)換率達到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，且太陽能轉(zhuǎn)換率較高。”

但是，無保護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。為了走出實驗室，鈣鈦礦需要承受因潮濕、高溫和光照所產(chǎn)生的長期環(huán)境脅迫。Ho-Baillie教授說道：“鈣鈦礦電池需要達到現(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，我們可以大大提高它們的熱穩(wěn)定性。”

簡單的玻璃和聚合物解決方案

這項研究——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）來識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-無機鈣鈦礦太陽能電池封裝具有優(yōu)異的耐久性，超出了IEC61215:2016濕熱濕凍測試的要求。

研究人員能夠證實，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)致其分解的過程）。采用這種封裝方案，含有多陽離子多鹵化物鈣鈦礦的CH3NH3（MA）太陽能電池經(jīng)受了1800多個小時的濕熱測試和75個循環(huán)的30次濕冷凍測試，首次超過了IEC61215:2016標(biāo)準(zhǔn)的要求，也遠遠超出了團隊的預(yù)期。

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

這些測試可幫助確定太陽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%的相對濕度下。”這些結(jié)果尤為重要，因為這項研究中使用的鈣鈦礦太陽能電池含有已知具有較低熱穩(wěn)定性的MA陽離子。研究論文總結(jié)道：“盡管如此，這些電池仍然通過了施加最嚴(yán)苛的濕熱應(yīng)力的濕冷凍測試。”