莱斯大学新开发的稳定、高质量钙钛矿太阳能电池合成方法有望通过更便宜、更灵活的面板来革新太阳能技术。
太阳能是我们这个时代最具变革性的能源技术之一。它不仅是近代史上增长最快的能源技术，还是最便宜的能源之一，并且在减少温室气体排放方面影响最大。
现在，莱斯大学的研究人员已经开发了一种方法，可以将甲脒碘化铅（FAPbI3）——目前用于制造最高效率钙钛矿太阳能电池的材料——合成为超稳定、高质量的光伏薄膜。这种FAPbI3太阳能电池在85摄氏度（185华氏度）的温度下运行超过1000小时后，总体效率下降不到3%。这项开创性的方法在《科学》杂志封面的一篇论文中得到了描述。
莱斯大学实验室开发出新的化学方法，以实现钙钛矿太阳能电池在商业应用中的稳定性和性能。图片来源：布兰登·马丁/莱斯大学
“目前，我们认为这是稳定性方面的最新技术，”莱斯大学的工程师阿迪提亚·莫希特说，他的实验室在过去几年中在钙钛矿的耐用性和性能方面取得了逐步改进。“钙钛矿太阳能电池有可能彻底改变能源生产，但实现长期稳定性一直是一个重大挑战。”
提高钙钛矿太阳能电池的稳定性
凭借这一最新的突破，Mohite和他的合作者们在使钙钛矿光伏技术面向市场方面达到了一个关键的里程碑。关键是在FAPbI3前驱体溶液中“加入”了特别设计的二维（2D）钙钛矿。这些物质作为模板引导了体相/三维钙钛矿的生长，为晶体结构提供了额外的压缩性和稳定性。
“钙钛矿晶体以两种方式断裂：化学方式——破坏组成晶体的分子——和结构方式——重新排列分子以形成不同的晶体，”莱斯大学材料科学和纳米工程研究生、该研究的第一作者艾萨克·梅特卡夫说。“在我们用于太阳能电池的各种晶体中，化学稳定性最高的晶体在结构上也最不稳定，反之亦然。FAPbI3在光谱的结构不稳定端。”
提高效率和使用寿命
尽管二维钙钛矿在化学和结构上比FAPbI3更稳定，但它们通常不擅长收集光，因此不是太阳能电池材料的理想选择。然而，研究人员假设，用作生长FAPbI3薄膜模板的二维钙钛矿可能会将其稳定性赋予后者。为了验证这一想法，他们开发了四种不同类型的二维钙钛矿——其中两种的表面结构与FAPbI3几乎无法区分，另外两种则匹配度较低——并用它们来制作不同的FAPbI3薄膜配方。
“加入相匹配的二维晶体后，FAPbI3晶体的形成变得更加容易，而不相匹配的二维晶体实际上使其更难形成，这验证了我们的假设，”梅特卡夫说。“用二维晶体模板化的FAPbI3薄膜质量更高，内部紊乱更少，并且对光照的响应更强，从而转化为更高的效率。”
二维晶体模板不仅提高了FAPbI3太阳能电池的效率，还提高了其耐用性。虽然没有任何二维晶体的太阳能电池在两天内从空气中的阳光发电后显著退化，但具有二维模板的太阳能电池即使在20天后也没有开始退化。通过在二维模板太阳能电池上添加封装层，其稳定性进一步提高，达到了接近商业应用的时间尺度。
这些发现可能会对光收集或光伏技术产生变革性影响，进一步降低制造成本，并且可以建造出比基于硅的太阳能电池板更轻、更灵活的简化结构的太阳能电池板。
钙钛矿太阳能电池板的潜力
“钙钛矿可溶于溶液，因此您可以取钙钛矿前体的墨水并将其涂在玻璃上，然后加热，这样您就可以获得太阳能电池的吸收层，”梅特卡夫说。“因为您不需要非常高的温度——钙钛矿薄膜可以在低于150摄氏度（302华氏度）的温度下进行处理——理论上这也意味着钙钛矿太阳能电池板可以在塑料或甚至柔性基板上制造，这可能会进一步降低成本。”
虽然硅是光伏电池中使用最广泛的半导体，但其制造工艺比新兴替代品更加耗费资源。在这些替代品中，卤化物钙钛矿因其飙升的效率而脱颖而出，其效率已从2009年的3.9%上升到目前的26%以上。
梅特卡夫说：“与生产高质量的硅太阳能电池板相比，生产高质量的钙钛矿太阳能电池板应该更便宜，耗能也更少，因为加工过程要简单得多。”
展望可持续的未来
“我们需要紧急将全球能源系统转变为无排放的替代能源，”梅特卡夫补充道，并指出联合国政府间气候变化专门委员会的估算结果“充分证明太阳能可作为化石燃料的替代品。”
莫希特强调，太阳能技术和基础设施的进步对于实现2030年温室气体排放目标和防止全球气温上升1.5摄氏度至关重要，“这将使我们走上正轨，在2050年实现净零碳排放。”
“如果太阳能电力不能实现，那么其他所有依赖于电网绿色电子的过程，如用于化学制造的热化学或电化学过程，也都无法实现，”莫希特说。“光伏绝对是至关重要的。”
莫希特是莱斯大学的威廉·M·莱斯信托教授，化学与生物分子工程教授，莱斯工程学院能源转型与可持续发展计划主任。除了梅特卡夫之外，莱斯大学的博士校友西拉吉·西迪克也是这篇论文的主要作者。
莫海特表示，“我想把很多功劳归功于西拉杰，他根据雷恩大学杰基·埃文教授的一个理论想法启动了这个项目。我也想感谢我们在国立实验室和美国以及国外几所大学的合作伙伴，他们的帮助对这项工作至关重要。”
参考：“由Siraj Sidhik，Isaac Metcalf，Wenbin Li，Tim Kodalle，Connor J. Dolan，Mohammad Khalili，Jin Hou，Faiz Mandani，Andrew Torma，Hao Zhang，Rabindranath Garai，Jessica Persaud，Amanda Marciel，Itzel Alejandra Muro Puente，G. N. Manjunatha Reddy，Adam Balvanz，Muhammad A. Alam，Claudine Katan，Esther Tsai，David Ginger，David P. Fenning，Mercouri G. Kanatzidis，Carolin M. Sutter-Fella，Jacky Even和Aditya D. Mohite撰写的《用于耐用、高效甲脒钙钛矿太阳能电池的二维钙钛矿模板》”，2024年6月13日，《科学》杂志。DOI: 10.1126/science.abq6993
该研究得到了美国能源部、赫兹基金会、美国国家科学基金会、空军研究实验室、海军研究办公室、陆军研究办公室、中国国家留学基金委（202107990007）、法国大学研究院和德国科学基金会的支持。本新闻稿中的内容仅由作者负责，并不一定代表资助方的官方观点。
