科学家开发出制造新一代太阳能电池的新方法

下一代太阳能材料为传统的硅太阳能电池提供了一种更经济、更环保的替代品，但要使这些设备足够耐用，能够经受现实世界条件的考验，仍然存在挑战。国际科学家团队开发的一项新技术可以简化高效、稳定的过氧化物太阳能电池的开发过程，这种电池因其独特的晶体结构而得名，擅长吸收可见光。 0
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包括宾夕法尼亚州立大学教师 Nelson Dzade 在内的科学家们在《自然·能源》杂志上报告了他们的新方法，该方法可制造出更耐用的过氧化物太阳能电池，并仍能实现 21.59% 的高效率将太阳光转化为电能。 4;2< ^[M  
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约翰和威利-莱昂家族能源与矿产工程系能源与矿产工程助理教授、本研究的合著者德扎德说，透辉石是一种很有前途的太阳能技术，因为与传统的硅材料相比，这种电池可以在室温下用更少的能量制造，使其生产成本更低，更具可持续性。科学家们说，但用于制造这些设备的主要候选材料--有机-无机混合金属卤化物，含有易受潮、氧和热影响的有机成分，暴露在真实世界的条件下会导致性能迅速下降。 -jMJAYjV  
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一种解决方案是转而使用碘化铯铅等全无机包晶材料，这种材料具有良好的电气性能和对环境因素的超强耐受性。不过，这种材料是多晶体的，也就是说，它有多个具有不同晶体结构的相。科学家们说，其中两种光活性相对于太阳能电池来说是好的，但它们在室温下很容易转化为不良的非光活性相，从而引入缺陷，降低太阳能电池的效率。 =JJL[}a|  
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突破性的相异质结技术 (\SA*.)  
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科学家们将碘化铯铅的两种光活性多晶体结合起来，形成了一种相异质结--它可以抑制向不良相的转变。异质结是通过堆叠具有不同光电特性的不同半导体材料形成的，就像太阳能电池中的层一样。太阳能设备中的这些结可以进行定制，以帮助从太阳中吸收更多能量，并更高效地将其转化为电能。 lT(oL|{#P  
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Dzade说："这项工作的美妙之处在于，它表明利用同一种材料的两种多晶体来制造相异质结太阳能电池是一种可行的方法。它提高了材料的稳定性，防止了两相之间的相互转换。两相之间形成的相干界面可使电子轻松流过设备，从而提高功率转换效率。这就是我们在这项工作中所展示的。" qi_Jywd:w  
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研究人员制造出的器件实现了 21.59% 的功率转换效率，属于此类方法中的最高水平，而且稳定性极佳。不仅如此，该装置在环境条件下储存 200 小时后，仍能保持 90% 以上的初始效率。 I'|$}/\`  
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Dzade 说："当从实验室扩展到实际太阳能模块时，我们的设计在太阳能电池面积超过 7 平方英寸（18.08 平方厘米）的情况下，功率转换效率达到了 18.43%。这些初步结果凸显了我们的方法在开发超大型过氧化物太阳能电池模块和可靠评估其稳定性方面的潜力。" U"
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研究人员对在原子尺度上对异质结的结构和电子特性进行了建模，并发现将两种光活性相结合在一起可以形成稳定而连贯的界面结构，从而促进高效的电荷分离和转移--这是实现高效太阳能设备的理想特性。 Lq
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Dzade 在韩国全南大学的同事开发出了制造该设备的独特双沉积方法--一种相用热风技术沉积，另一种相用三源热蒸发技术沉积。韩国全南大学研究教授、论文第一作者 Sawanta S. Mali 说，在沉积过程中添加少量分子和有机添加剂，进一步提高了器件的电性能、效率和稳定性。 8QM
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约翰和威利-莱昂家族能源与矿物工程系能源与矿物工程助理教授、该研究的共同作者尼尔森-德扎德（Nelson Dzade）说："我们相信，我们在这项工作中开发的双沉积技术将对制造高效、稳定的过氧化物太阳能电池产生重要影响。" ^k]XEW{PG  
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研究人员说，这种双重沉积技术可以为开发更多基于全无机包晶或其他卤化物包晶成分的太阳能电池铺平道路。研究人员说，除了将该技术扩展到不同的成分外，未来的工作还包括使目前的相位异质结电池在实际条件下更加耐用，并将其扩展到传统太阳能电池板的尺寸。 {7)st
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Dzade说："有了这种方法，我们相信在不久的将来，这种材料的效率应该可以超过25%。一旦我们做到了这一点，商业化就指日可待了。"