科学家提高了低成本大面积太阳能组件的稳定性

冲绳理工大学（Oist）的科学家们已经解决了一种被称为钙钛矿太阳能电池（PSC）的太阳能技术的根本弱点。他们的创新似乎一下子就提高了设备的稳定性和可扩展性，并且可能是将PSC推向市场的关键。

第三代太阳能电池能有效地将阳光转化为可用电能，制造成本比老式硅电池低。特别是PSC以其低成本、高效率而备受科技界的关注。尽管它们的性能在实验室测试中很有希望，但这些设备仍然具有低稳定性，在它们建成后才能投入商业生产。

“我们需要能够持续至少5到10年的太阳能组件。目前，PSC的寿命要短得多，”论文的第一作者、由齐亚兵教授领导的OIST能源材料和表面科学研究所的博士后邱龙斌博士说。

该研究于2018年12月13日在线发表在《高级功能材料》上，支持先前的证据，即PSC中常用的一种材料，称为二氧化钛，会降解设备并限制其使用寿命。研究人员用二氧化锡替代了这种材料，二氧化锡是一种强度更高的导体，没有这些降解性能。他们优化了使用二氧化锡生产稳定、高效和可扩展PSC的方法。

在实验中，研究人员发现以二氧化锡为基础的设备的寿命是使用二氧化钛的PSC设备的三倍以上。邱说：“二氧化锡可以给用户提供他们需要的设备性能。”

改进的设计

PSC由具有特定功能的分层材料组成。由钙钛矿材料制成的“活性层”，以光子的形式吸收入射的阳光。当光子撞击太阳能电池时，它会在活动层中产生带负电荷的电子和带正电荷的空穴。科学家们通过将有源层夹在两种“传输材料”之间来控制这些电子和空穴的流动，从而形成一个内置的电场。

为了帮助引导电子进入正确的方向，许多PSC包括一个“电子传输层”。大多数PSC使用二氧化钛作为其电子传输层，但当暴露在阳光下时，材料与钙钛矿反应，最终使器件降解。二氧化锡是一种可行的二氧化钛替代品，但在这项研究之前，它还没有被成功地应用到大型设备中。

研究人员利用工业上一种叫做溅射沉积的常用技术，学会了如何从二氧化锡中制备一种有效的电子输运层。溅射沉积通过轰击目标材料，这里是二氧化锡，带有带电粒子，使其向上喷洒到等待表面。通过精确控制溅射功率和沉积速度，研究人员在大面积上形成了厚度均匀的光滑层。

*他们的新太阳能电池效率超过20%。为了证明这一新方法的可扩展性，研究人员随后制作了5×5厘米的太阳能电池板，指定面积为22.8平方厘米，结果发现所得到的设备效率超过12%。这项研究得到了OIST技术开发和创新中心的概念验证计划的支持，是实现PSC效率当前行业标准的关键一步。

邱龙斌博士举起一块由柔性材料制成的太阳能电池板。能源材料和表面科学部的目标是开发这些设备来制作太阳能窗帘和太阳能技术，这些技术可以很容易地融入到人们的家中。

转向市场

研究人员计划继续优化他们的PSC设计，目的是以提高效率生产大型太阳能组件。该研究单元使用灵活、透明的太阳能设备进行实验，旨在将其优化的PSC设计应用于太阳能窗、窗帘、背包和可展开式充电单元。

齐教授说：“我们希望将这些设备扩大到更大的规模，尽管它们的效率已经很合理，但我们希望进一步推动它。”“我们乐观地认为，在未来几年，这项技术将能够商业化。”