萊斯大學的工程師表示，他們已經(jīng)解決了一個長期存在的難題，即用鹵化物鈣鈦礦制造穩(wěn)定、高效的太陽能電池板。需要找到合適的溶劑設(shè)計來應用所需成分和厚度的2D頂層，而不會破壞3D底層(反之亦然)。這樣的電池將比單獨的任何一層將更多的陽光轉(zhuǎn)化為電能，具有更好的穩(wěn)定性。

萊斯大學喬治·R·布朗工程學院的化學和生物分子工程師AdityaMohite和他的實驗室在《科學》雜志上報道了他們成功地制造出可提供24.5%功率轉(zhuǎn)換效率的薄3D/2D太陽能電池。

Mohite說，這與大多數(shù)市售太陽能電池一樣有效。

他說：“這對于光線從兩側(cè)進入的柔性雙面電池以及背面接觸的電池非常有用。”“2D鈣鈦礦吸收藍色和可見光子，3D面吸收近紅外。”

鈣鈦礦是具有立方體晶格的晶體，已知是高效的光收集器，但這些材料往往會受到光、濕氣和熱的影響。Mohite和許多其他人多年來一直致力于使鈣鈦礦太陽能電池實用化。

他說，新的進展在很大程度上消除了商業(yè)生產(chǎn)的最后一個主要障礙。

“這在多個層面都很重要，”Mohite說。“一個是當兩層是相同的材料時，制造溶液處理的雙層從根本上具有挑戰(zhàn)性。問題是它們都溶解在相同的溶劑中。

“當你將2D層放在3D層上時，溶劑會破壞下面的層，”他說。“但我們的新方法解決了這個問題。”

Mohite說，二維鈣鈦礦電池很穩(wěn)定，但在轉(zhuǎn)換陽光方面效率較低。3D鈣鈦礦效率更高，但穩(wěn)定性較差。將它們結(jié)合起來結(jié)合了兩者的最佳功能。

“這導致了非常高的效率，因為現(xiàn)在，在該領(lǐng)域，我們第一次能夠創(chuàng)建具有巨大控制力的層，”他說。“它使我們不僅可以控制太陽能電池，還可以控制光電設(shè)備和LED的電荷和能量流動。”

他說，在相當于100%日光的實驗室中暴露2000多個小時的測試電池的效率“甚至不會降低1%”。不計算玻璃基板，電池大約為1微米厚。

溶液處理在工業(yè)中得到廣泛應用，并結(jié)合了一系列技術(shù)——旋涂、浸涂、刮涂、槽模涂布等——將材料沉積在液體的表面上。當液體蒸發(fā)時，純涂層仍然存在。

關(guān)鍵是溶劑本身的兩個特性之間的平衡：它的介電常數(shù)和古特曼供體數(shù)。介電常數(shù)是材料的電導率與其自由空間的比值。這決定了溶劑溶解離子化合物的能力。供體數(shù)是溶劑分子供電子能力的量度。

“如果你發(fā)現(xiàn)它們之間的相關(guān)性，你會發(fā)現(xiàn)大約有四種溶劑可以讓你溶解鈣鈦礦并在不破壞3D層的情況下對其進行旋涂，”Mohite說。

他說，他們的發(fā)現(xiàn)應該與通常每分鐘生產(chǎn)30米太陽能電池的卷對卷制造兼容。

“這一突破首次導致鈣鈦礦器件異質(zhì)結(jié)構(gòu)包含多個活性層，”合著者、法國雷恩國家科學技術(shù)研究所物理學教授杰基·埃文說。“用鈣鈦礦設(shè)計復雜半導體架構(gòu)的夢想即將實現(xiàn)。新的應用和新物理現(xiàn)象的探索將是下一步。”

“這不僅對太陽能有影響，而且對綠色氫也有影響，因為電池可以產(chǎn)生能量并將其轉(zhuǎn)化為氫，”Mohite說。“它還可以為汽車、無人機、建筑集成光伏甚至農(nóng)業(yè)提供非電網(wǎng)太陽能。”

萊斯大學的研究生SirajSidhik是該論文的主要作者。

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