5 月 20 日消息，新加坡南洋理工大學(xué)（NTU）的科學(xué)家團隊開發(fā)出一種新型超薄半透明鈣鈦礦太陽能電池，其厚度僅為一根頭發(fā)絲直徑的萬分之一，大約是傳統(tǒng)鈣鈦礦太陽能電池的 50 分之一。盡管厚度極薄，但其光電轉(zhuǎn)換效率仍處于同類超薄器件領(lǐng)先水平。
相關(guān)成果已發(fā)表于《ACS Energy Letters》。由于該新型太陽能電池具有半透明的特點，未來有望嵌入玻璃窗、車窗，甚至能用在智能眼鏡上，使“玻璃變電池”成為現(xiàn)實。
該研究由南洋理工大學(xué)物理與數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院及材料科學(xué)與工程學(xué)院的 Annalisa Bruno 副教授領(lǐng)導(dǎo)。Bruno 副教授表示，建筑環(huán)境約占全球能源消耗的 40%，能夠?qū)⒔ㄖ锉砻鏌o縫轉(zhuǎn)化為發(fā)電資產(chǎn)的技術(shù)正變得越來越緊迫。她指出，鈣鈦礦太陽能電池可在相對較低的溫度下通過簡單的工藝制造，并且可以調(diào)節(jié)以吸收特定波長的光同時保持透明，還有望在大面積上實現(xiàn)規(guī)?；?，從而降低碳足跡。
與傳統(tǒng)的硅基太陽能電池不同，這些鈣鈦礦器件即使在間接陽光和漫射光條件下也能發(fā)電，特別適合城市環(huán)境 —— 垂直建筑表面和頻繁的云層覆蓋往往會限制直射陽光的獲取。例如，若該技術(shù)能在保持類似性能的前提下實現(xiàn)規(guī)模化，大型玻璃幕墻可轉(zhuǎn)變?yōu)樘柲馨l(fā)電的活性表面。初步估算表明，在 Raffles Place 或 Marina Bay 區(qū)域的主要玻璃幕墻辦公樓部署該技術(shù)，理論上每年可發(fā)電數(shù)百兆瓦時。根據(jù)可用的玻璃面積和建筑朝向，這一發(fā)電量大約相當于 100 套四房式組屋（HDB）的年用電量。
制造方法方面，NTU 團隊采用了與工業(yè)兼容的熱蒸發(fā)法。該工藝在真空腔室中加熱源材料直至蒸發(fā)，蒸氣隨后沉積在表面形成薄膜。該方法可在大面積上沉積非常薄且均勻的鈣鈦礦層，同時避免使用有毒溶劑，并有助于減少太陽能電池中的缺陷，提高光電轉(zhuǎn)換能力。研究人員認為，這是首次完全使用真空工藝制造超薄鈣鈦礦太陽能電池，該技術(shù)可能更適合未來的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
利用該技術(shù)，研究人員制備了厚度低至 10 納米的超薄鈣鈦礦吸收層，同時保留了可用的太陽能電池性能。在不透明器件中，厚度為 10、30 和 60 納米的鈣鈦礦層分別實現(xiàn)了約 7%、11% 和 12% 的光電轉(zhuǎn)換效率。而一款 60 納米厚半透明鈣鈦礦層的電池允許約 41% 的可見光透過，同時實現(xiàn)了 7.6% 的光電轉(zhuǎn)換效率。研究人員稱，這是采用類似材料制備的半透明鈣鈦礦太陽能電池中性能最高的數(shù)據(jù)之一。論文第一作者、曾為 NTU 能源研究所博士后的 Luke White 博士表示，通過精確控制熱蒸發(fā)，他們能夠調(diào)節(jié)太陽能電池的透明度，這為可持續(xù)建筑（例如可發(fā)電的有色窗戶）開辟了新可能。
英國劍橋大學(xué)化學(xué)工程與生物技術(shù)系能源材料與光電子學(xué)教授 Sam Stranks 評論稱，該方法對薄膜厚度和均勻性提供了高水平的控制，這對于半透明太陽能電池邁向大面積應(yīng)用是必需的。他補充說，半透明鈣鈦礦太陽能電池是一條令人興奮的路線，可以從傳統(tǒng)硅面板難以使用的表面（如窗戶、外墻和輕型電子產(chǎn)品）收集能量，該研究結(jié)果展示了極薄器件在透明度和發(fā)電之間的有希望的平衡，而下一步的關(guān)鍵測試將是長期穩(wěn)定性、耐久性以及更大面積上的性能。
據(jù)官方介紹，Bruno 副教授是鈣鈦礦太陽能電池領(lǐng)域的先驅(qū)，她早期關(guān)于熱蒸發(fā)鈣鈦礦太陽能電池的工作已被規(guī)模化。其創(chuàng)新成果得到了 NTU 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃的支持。通過大學(xué)創(chuàng)新與企業(yè)公司 NTUitive，已為超薄鈣鈦礦薄膜新結(jié)構(gòu)的技術(shù)提交了專利申請。研究人員目前正在與多家公司洽談，以驗證和標準化本研究使用的熱蒸發(fā)工藝，并將在商業(yè)部署前繼續(xù)提高鈣鈦礦太陽能電池的長期穩(wěn)定性、耐久性和大面積性能。
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