新觀點帶來更好的下一代太陽能電池

主要要點

• 稱為鈣鈦礦的材料顯示出降低太陽能成本的巨大前景，但其耐用性尚不足以實現商業化。

• 科學家們開發了一種簡化的工藝，以製造具有更高耐用性和效率的鈣鈦礦太陽能電池材料。

• 伯克利實驗室的研究人員使用了同時表徵技術來了解該工藝為何如此有效，從而提供了將鈣鈦礦推向商業化的關鍵見解。

對 Michael Saliba 和 Mahdi Malekshahi 來說，這是科學中一個美好的時刻，良好的實驗結果引發了更多問題。斯圖加特大學的研究人員最近開發了一種新的工藝，用於製造使用鈣鈦礦的太陽能電池——這是一種具有革新太陽能技術潛力的先進晶體材料。他們的電池效率很高且穩定，但有一個問題：他們並不完全了解為什麼這個過程如此有效。

Saliba 和 Malekshahi 聯繫了位於勞倫斯伯克利國家實驗室 (Berkeley Lab) 的美國能源部科學辦公室用戶設施分子鑄造廠的研究人員。幾個月後，伯克利實驗室團隊應用了一套技術，在使用 Saliba 的工藝製造鈣鈦礦太陽能電池材料時，实时揭示了其晶體結構的變化。發表在最近的《先進材料》論文上的結果，為研究人員提供了更深入的了解，說明如何製造更好的鈣鈦礦太陽能電池。

「材料製造通常是一個黑盒子。」分子鑄造廠的科學家、論文的共同通訊作者之一 Carolin Sutter-Fella 說。「你無法看到材料從最初的構建塊轉變到最終狀態時發生了什麼。我們建立了幾種能力，使我們能夠詳細觀察鈣鈦礦和其他可印刷太陽能電池材料的形成過程。這項工作的見解可以幫助研究人員解決將這項有前景的技術商業化的關鍵障礙。」

「通過在沉積材料的同時持續進行測量，我們可以直觀地跟踪其功能特性是如何演變的。」伯克利實驗室分子鑄造廠的博士後研究員、本研究的第一作者 Tim Kodalle 說。「這就像看影片一樣。」

這項工作也在伯克利實驗室的先進光源進行，先進光源是美國能源部科學辦公室位於伯克利實驗室的用戶設施。

太陽能的潛在改變者

與目前主導太陽能產業的傳統矽基太陽能電池板相比，鈣鈦礦具有許多優勢。首先，它們吸收光線的效率要高得多。因此，它們可以做得薄 100 倍，甚至可以印刷在表面上。由於它們所需的材料較少，並且加工溫度較低，因此其生產成本也可能更低。與矽或其他半導體電池板不同，鈣鈦礦對材料雜質的耐受性良好。

鈣鈦礦的元素組成很容易改變，因此它們可以吸收太陽光譜的不同部分，這為將薄鈣鈦礦薄膜應用於矽電池板開闢了令人興奮的機會。由此產生的「串聯」電池板可能比今天的電池板效率高得多，有可能節省成本，從而加速清潔能源轉型。

儘管具有這些優勢，但鈣鈦礦太陽能電池板目前還無法商業化。主要障礙是缺乏穩定性和耐用性。太陽能電池板必須能夠在各種天氣條件下持續使用 20 到 30 年。鈣鈦礦會吸水，在潮濕條件下會迅速降解，限制了它們在現場的長期耐用性。由於它們對環境條件敏感，因此也很難製造出品質一致的鈣鈦礦電池。

「兩個不同的實驗室可能會使用相同的工藝來製造品質顯著不同的鈣鈦礦。」Sutter-Fella 說。「這使得研究人員難以複製實驗、比較結果，並找出為什麼有些太陽能電池的性能比其他太陽能電池更好的原因。」

一種防止水分進入的保護屏障

提高耐用性的一種方法包括製造鈣鈦礦太陽能電池，然後在其表面沉積一種稱為氯化苯乙基銨或 PEACl 的有機分子。研究這種兩步法過程的研究人員發現，PEACl 會形成一層薄薄的保護屏障，能有效防止水分進入。

斯圖加特大學 Saliba 的團隊通過將鈣鈦礦電池製造和 PEACl 沉積整合到單一步驟中改進了這一過程。「這種簡化的過程可以使研究人員製造出品質更一致的電池。」Kodalle 說。「從長遠來看，該工藝有可能降低鈣鈦礦電池製造的成本和能源消耗。」

Saliba 的實驗室發現，使用其工藝製造的電池比沒有使用 PEACl 製造的電池更耐用且效率更高。與伯克利實驗室的合作為這一觀察結果提供了更詳細的解釋，描述了在製造鈣鈦礦材料時其結構是如何演變的。

使用 X 射線、雷射束和白光探測鈣鈦礦

伯克利實驗室團隊採用了多模式成像方法，在製造過程中使用了三種技術來探測鈣鈦礦太陽能電池材料，觀察了它們在形成過程中的特性演變。評估了兩種材料——一種使用 Saliba 實驗室的工藝用 PEACl 處理，另一種沒有使用 PEACl。結果揭示了這兩個樣本演變的關鍵差異。

第一種技術，稱為掠入射廣角 X 射線散射，是在先進光源進行的，先進光源是一個產生明亮 X 射線束的環形粒子加速器。該技術包括以淺角度用 X 射線束照射樣本，並測量 X 射線在從樣本中的原子散射時的結果圖案。這些信息揭示了在鈣鈦礦層形成過程中晶體結構的變化。

第二種技術，稱為光致發光光譜，測量了樣本在用雷射照射時發出的光。樣本發出的光能量的變化提供了它們晶體品質的見解。在分子鑄造廠進行的第三種技術，包括將白光照射到樣本上，並確定樣本吸收的光的比例。該技術揭示了與光致發光光譜和 X 射線散射圖案互補的信息，提供了對樣本晶體結構的額外見解。然後，研究人員將來自這三種技術的數據流相關聯，以詳細了解樣本晶體結構的時間演變。

這些技術揭示了經 PEACl 處理的樣本中的晶體生長速度較慢，品質較高，並且在其表面形成了一層富含 PEACl 的保護層。研究團隊認為，這些發現解釋了電池的效率提高以及一個多月穩定運作的原因。

Sutter-Fella 預見了幾個可能的下一步研究方向。「我們可以用其他分子處理鈣鈦礦，看看它們如何影響耐用性和效率。」她說。「我們還需要在更長的運行時間和更現實的環境條件下監測電池的穩定性。這樣做的目的是了解哪些材料組合可以提高電池的穩定性，從而延長其壽命。」

這項研究得到了美國能源部科學辦公室、基礎能源科學辦公室；德國研究基金會；歐洲研究理事會；以及亥姆霍茲協會/尤利希研究中心亥姆霍茲青年研究員組 FRONTRUNNER 的支持。

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洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）致力於通過清潔能源、健康地球和發現科學的研究來為人類提供解決方案。該實驗室成立於1931年，基於團隊能最佳解決重大問題的信念，伯克利實驗室及其科學家已獲得16項諾貝爾獎。來自全球的研究人員依賴該實驗室的世界一流科學設施進行他們的開創性研究。伯克利實驗室是一個多計畫國家實驗室，由加利福尼亞大學管理，隸屬於美國能源部的科學辦公室。

美國能源部的科學辦公室是美國物理科學基礎研究的最大單一支持者，並致力於應對我們時代的一些最緊迫的挑戰。部分資料參考自美國能源部與美國NSO團隊。