由鈣鈦礦制成的太陽(yáng)能電池是一種能夠收集陽(yáng)光并將其轉(zhuǎn)化為電能的材料，作為硅太陽(yáng)能電池的替代品具有巨大的潛力。

盡管鈣鈦礦太陽(yáng)能電池具有卓越的性能、效率和制造成本，但尚未為消費(fèi)市場(chǎng)進(jìn)行商業(yè)制造。

鈣鈦礦在與水分和氧氣反應(yīng)或暴露在光、熱或長(zhǎng)時(shí)間使用時(shí)會(huì)分解，導(dǎo)致人們擔(dān)心鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中存在的少量鉛(一種有毒重金屬)會(huì)在太陽(yáng)能電池?fù)p壞或丟棄時(shí)污染環(huán)境。

鉛來(lái)自鈣鈦礦材料和用于制造鈣鈦礦太陽(yáng)能電池組件的化合物，稱為封頂層。

現(xiàn)在，新加坡南洋理工大學(xué)(NTU Singapore)和新加坡科技與研究局(A * STAR)材料研究與工程研究所(IMRE)的科學(xué)家的研究提供了基于無(wú)毒金屬的封蓋材料的可能性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。

他們的研究于2023年<>月發(fā)表在《自然能源》上，由南洋理工大學(xué)高等研究院所長(zhǎng)兼南洋理工大學(xué)理學(xué)院副院長(zhǎng)(研究)Sum Tze Chien教授和南洋理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院院長(zhǎng)Lam Yeng Ming教授領(lǐng)導(dǎo)，可以使鈣鈦礦太陽(yáng)能電池更接近市場(chǎng)。

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池由幾層材料制成，包括收集光的鈣鈦礦層和封蓋層。封蓋層涂覆在鈣鈦礦層上，以保護(hù)太陽(yáng)能電池免受熱和濕氣等環(huán)境壓力的影響，并提高電池的性能。

為了確保封端層與底層鈣鈦礦層兼容，研究人員通常使用一種稱為半前驅(qū)體(HP)方法的方法制造封端層。其中一種前體化學(xué)物質(zhì)首先沉積在鈣鈦礦層的頂部，鈣鈦礦層提供另一種前體。通過(guò)稱為陽(yáng)離子交換反應(yīng)的過(guò)程，沉積的前體然后與下方鈣鈦礦層中存在的鉛離子反應(yīng)，形成構(gòu)成封端層的鉛基化合物。

由于采用HP方法，鉛也存在于保護(hù)封蓋層中。一種能夠在封蓋層中使用無(wú)毒金屬的方法將改變鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的游戲規(guī)則。

為了使鈣鈦礦太陽(yáng)能電池更加環(huán)保，NTU科學(xué)家設(shè)計(jì)了一種稱為全前驅(qū)體(FP)溶液方法的方法，以合成不含鉛的封蓋層。

使用FP方法，科學(xué)家們用含有金屬鹵化物鹽的溶液涂覆鈣鈦礦 - 由金屬和包括氯，氟和碘在內(nèi)的元素制成的化合物 - 以及通常用于鈣鈦礦的苯乙基碘化銨(PEAI)，以提高鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的性能。PEAI含有銨，銨是一種帶正電荷的離子，含有氮和氫，對(duì)化學(xué)反應(yīng)至關(guān)重要。

鋅基化合物引領(lǐng)潮流

研究人員發(fā)現(xiàn)，一種鋅基化合物PEA2鋅4使用該方法合成的封蓋材料是測(cè)試的其他材料中最有效的封蓋材料。

與HP方法不同，當(dāng)使用FP方法時(shí)，無(wú)需從下面的鈣鈦礦層中吸取鉛離子來(lái)形成這種保護(hù)性封端層。這為在封蓋層中使用無(wú)毒金屬鋪平了道路。

據(jù)研究人員稱，F(xiàn)P工藝在制造封端層方面也比HP方法更有效，因?yàn)槿芤褐械幕瘜W(xué)物質(zhì)能夠直接在鈣鈦礦表面相互反應(yīng)。

制造用PEA封蓋的太陽(yáng)能電池2鋅4研究人員首先將鹵化鋅鹽和PEAI溶解在一種稱為乙腈的溶劑中，該溶劑通常用于工業(yè)應(yīng)用。然后，他們將溶液沉積到附著在導(dǎo)電玻璃基板上的快速旋轉(zhuǎn)的鈣鈦礦層上，以形成薄而均勻的層 - 這一過(guò)程稱為旋涂。

將涂層鈣鈦礦在100攝氏度下加熱10分鐘，將封蓋層結(jié)合到鈣鈦礦表面。然后，研究人員使用了一種稱為真空蒸發(fā)的過(guò)程，其中材料在真空室中加熱以產(chǎn)生沉積在涂層鈣鈦礦上的蒸汽，以合成鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的其他層。

使用FP方法，科學(xué)家們創(chuàng)建了一個(gè)1英寸乘1英寸的原型太陽(yáng)能電池，上面覆蓋著鋅基化合物。

科學(xué)家們使用電子顯微鏡和光譜學(xué)檢查了鋅基封端層，發(fā)現(xiàn)它不會(huì)影響底層鈣鈦礦層的電性能。封蓋層還有助于覆蓋鈣鈦礦層表面的缺陷，并提高其光捕獲能力。

研究人員說(shuō)，他們的方法有助于使鈣鈦礦太陽(yáng)能電池更加環(huán)保。例如，該方法可以與目前正在探索的無(wú)鉛鈣鈦礦材料一起使用，用于開(kāi)發(fā)廢棄時(shí)不會(huì)釋放有毒金屬的太陽(yáng)能電池。

該方法還開(kāi)辟了工程封蓋層組成以增強(qiáng)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池性能的可能性。

“使用鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的最大缺點(diǎn)之一是它們對(duì)環(huán)境的影響。通過(guò)使鋅和其他無(wú)毒金屬用于封蓋層，我們的創(chuàng)新可能解決阻礙鈣鈦礦太陽(yáng)能電池廣泛使用的主要障礙，“NTU物理與數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院研究員Ye Senyun博士說(shuō)。

共同主要作者，NTU材料科學(xué)與工程學(xué)院研究員Rao Haixia博士說(shuō)：“由于我們的方法不需要從鈣鈦礦中提取鉛離子，這使得使用多種材料來(lái)提高鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性和效率成為可能。

研究人員發(fā)現(xiàn)，制造的太陽(yáng)能電池在將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為能量方面與傳統(tǒng)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池一樣有效。在模擬太陽(yáng)光的光實(shí)驗(yàn)中，太陽(yáng)能電池可以將24.1%的捕獲光轉(zhuǎn)化為電能，接近鈣鈦礦太陽(yáng)能電池迄今為止實(shí)現(xiàn)的最高效率。相比之下，硅太陽(yáng)能電池的最高認(rèn)證光轉(zhuǎn)換效率為25.2%。

“封蓋層是鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的重要組成部分。這種塑造封蓋層的新方法是設(shè)計(jì)具有增強(qiáng)性能的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的一個(gè)重要里程碑，“瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院光子學(xué)和界面實(shí)驗(yàn)室主任Michael Grätzel教授說(shuō)，他沒(méi)有參與這項(xiàng)研究。

該原型還顯示出良好的重現(xiàn)性，在測(cè)試的23個(gè)細(xì)胞中，平均光轉(zhuǎn)化率接近103%。它的使用壽命很長(zhǎng)，在滿負(fù)荷運(yùn)行超過(guò)90小時(shí)的情況下，保持了1%以上的將光轉(zhuǎn)化為電能的能力。

與沒(méi)有封蓋層的設(shè)備相比，該器件在高溫下的性能也更穩(wěn)定。

“通過(guò)擴(kuò)大可以使用的材料庫(kù)，我們的發(fā)現(xiàn)為開(kāi)發(fā)用于封頂層的優(yōu)質(zhì)材料，更高效和穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池提供了新的機(jī)會(huì)，”岑教授說(shuō)。“這種無(wú)鉛保護(hù)封蓋方法也可以擴(kuò)展到其他應(yīng)用，如鈣鈦礦發(fā)光器件、激光器和探測(cè)器。

林教授補(bǔ)充：「隨著化石燃料迅速枯竭，我們需要更好地利用太陽(yáng)能等可再生能源。環(huán)保和穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池可能是答案，這種創(chuàng)新可能會(huì)推動(dòng)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在太陽(yáng)能收集中的更廣泛采用。

科學(xué)家們正在努力擴(kuò)大制造全尺寸太陽(yáng)能電池的方法。他們還正在向NTU新加坡的創(chuàng)新和企業(yè)公司NTUitive申請(qǐng)專利。