當(dāng)今大多數(shù)太陽能電池均由精制硅制成，可將陽光轉(zhuǎn)化為清潔電能。不幸的是，提煉硅的過程遠(yuǎn)非清潔，需要來自碳排放發(fā)電廠的大量能量。作為一種更環(huán)保的硅替代品，研究人員將重點(diǎn)放在了鈣鈦礦薄膜上，這是一種低成本，柔性的太陽能電池，可以以最少的能量生產(chǎn)并且?guī)缀鯖]有CO 2排放。

盡管鈣鈦礦太陽能電池前景廣闊，但在變得普遍之前，還需要解決重大挑戰(zhàn)，其中不僅包括其固有的不穩(wěn)定性，這使其難以大規(guī)模生產(chǎn)。

斯坦福大學(xué)博士后學(xué)者尼克·羅爾斯頓說：“鈣鈦礦太陽能技術(shù)正處于商業(yè)化與火焰燃燒之間的十字路口。” “數(shù)百萬美元投入到了初創(chuàng)企業(yè)中。但是我堅(jiān)信，在未來三年中，如果沒有能夠延長(zhǎng)電池壽命的突破，錢將開始枯竭。”

Rolston說，這就是為什么在斯坦福大學(xué)開發(fā)的新型鈣鈦礦制造工藝如此令人興奮的原因。在11月25日發(fā)表在《焦耳》雜志上的一項(xiàng)新研究中，他和他的同事展示了一種超快的方法來生產(chǎn)穩(wěn)定的鈣鈦礦電池并將其組裝成可為設(shè)備，建筑物甚至電網(wǎng)供電的太陽能模塊。

研究資深作者Reinhold Dauskardt，Ruth G.和William K. Bowes斯坦福大學(xué)工程學(xué)院教授說：“這項(xiàng)工作為鈣鈦礦制造提供了新的里程碑。” “它解決了社區(qū)多年來一直在應(yīng)對(duì)的模塊規(guī)模制造的一些最嚴(yán)峻的障礙。”

指甲大小的樣本

鈣鈦礦太陽能電池是由廉價(jià)，豐富的化學(xué)物質(zhì)(如碘，碳和鉛)制成的合成晶體薄膜。

薄膜電池重量輕，可彎曲，可以在露天實(shí)驗(yàn)室中在接近水沸點(diǎn)的溫度下生長(zhǎng)，與精煉工業(yè)硅所需的3,000華氏度(1,650攝氏度)熔爐相去甚遠(yuǎn)。

科學(xué)家開發(fā)出鈣鈦礦電池，可將25%的陽光轉(zhuǎn)化為電能，其轉(zhuǎn)換效率與硅相當(dāng)。但是這些實(shí)驗(yàn)電池不太可能很快安裝在屋頂上。

Rolston說：“鈣鈦礦上所做的大多數(shù)工作實(shí)際上只涉及很小的活躍的可用太陽能電池區(qū)域。它們通常僅占您粉紅色指甲的大小的一小部分。” Rolston與前斯坦福大學(xué)博士后學(xué)者William Scheideler共同領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究現(xiàn)在是達(dá)特茅斯學(xué)院的助理教授。

嘗試制造更大的電池會(huì)產(chǎn)生缺陷和針孔，從而大大降低電池效率。與持續(xù)20到30年的剛性硅電池不同，薄膜鈣鈦礦在受熱和受潮時(shí)最終會(huì)降解。

道斯卡德說：“您可以在實(shí)驗(yàn)室中制造一個(gè)小型演示設(shè)備。” “但是傳統(tǒng)的鈣鈦礦加工無法快速，高效地進(jìn)行生產(chǎn)。”

記錄設(shè)置處理器

為了應(yīng)對(duì)大規(guī)模生產(chǎn)的挑戰(zhàn)，Dauskardt團(tuán)隊(duì)采用了他們最近發(fā)明的一項(xiàng)專利技術(shù)，即快速噴涂等離子體處理。

該技術(shù)使用具有兩個(gè)噴嘴的機(jī)器人設(shè)備來快速生產(chǎn)鈣鈦礦薄膜。一個(gè)噴嘴將鈣鈦礦化學(xué)前體的液體溶液噴涂到玻璃板上，而另一個(gè)噴嘴釋放一束高反應(yīng)性離子化氣體，稱為等離子體。

Rolston說：“常規(guī)加工需要將鈣鈦礦溶液烘烤大約半小時(shí)。” “我們的創(chuàng)新在于使用等離子體高能源，一步將液態(tài)鈣鈦礦快速轉(zhuǎn)化為薄膜太陽能電池。”

通過快速噴涂工藝，斯坦福大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)能夠每分鐘生產(chǎn)40英尺(12米)鈣鈦礦薄膜，比制造硅電池快約四倍。

“我們實(shí)現(xiàn)了所有太陽能技術(shù)中最高的吞吐量，” Rolston說。“您可以想象將大塊玻璃板放在輥?zhàn)由?，并以前所未有的速度連續(xù)生產(chǎn)鈣鈦礦層。”

除了創(chuàng)紀(jì)錄的生產(chǎn)率，新鑄造的鈣鈦礦電池還實(shí)現(xiàn)了18%的功率轉(zhuǎn)換效率。

羅爾斯頓說：“我們希望使這一過程適用并盡可能廣泛地有用。” “等離子體處理系統(tǒng)聽起來可能不錯(cuò)，但是您可以以非常合理的成本在商業(yè)上購買它。”

斯坦福大學(xué)的研究小組估計(jì)，他們的鈣鈦礦模塊的制造成本為每平方英尺約25美分，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于生產(chǎn)典型硅模塊所需的每平方英尺約2.50美元。

太陽能組件

硅太陽能電池通常在封裝模塊中連接在一起，以提高其功率輸出并承受惡劣的天氣條件。鈣鈦礦制造商最終將必須構(gòu)建穩(wěn)定，高效的模塊才能在商業(yè)上可行。

為此，斯坦福團(tuán)隊(duì)成功地制造了鈣鈦礦模塊，即使擱置了五個(gè)月，它們?nèi)钥梢?5.5%的效率運(yùn)行。

常規(guī)的硅模塊發(fā)電的成本約為每千瓦時(shí)5美分。為了與硅競(jìng)爭(zhēng)，鈣鈦礦模塊必須封裝在防潮層中，該防潮層至少要防潮十年。研究團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在正在探索新的封裝技術(shù)和其他方法來顯著提高耐用性。

羅爾斯頓說：“如果我們能制造出一種能持續(xù)30年的鈣鈦礦組件，那么我們就可以將電力成本降低到每千瓦時(shí)2美分以下。” “以此價(jià)格，我們可以將鈣鈦礦用于公用事業(yè)規(guī)模的能源生產(chǎn)。例如，一個(gè)100兆瓦的太陽能發(fā)電場(chǎng)。”

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