研究发现,下一代太阳能电池的钙钛矿薄膜中的裂缝很容易修复

2020-02-14 10:29  来源:孜然实验室  浏览:  

新的研究表明,破裂的钙钛矿薄膜可以在轻微加热和压缩的情况下完全愈合。这一发现预示着下一代太阳能电池中钙钛矿薄膜的长期可靠性。

一项新研究揭示了在下一代太阳能电池中使用钙钛矿材料的可能性的好消息。

这项发表在《Acta Materialia》杂志上的研究发现,尽管钙钛矿薄膜易于破裂,但这些裂缝在压缩和一点点热量的情况下很容易愈合。研究人员说,这预示着在太阳能电池技术中可以使用廉价的钙钛矿来替代或补充价格昂贵的硅,这是一个好兆头。

布朗工程学院的奥蒂斯·兰德尔(Otis E. Randall)教授、布朗分子与纳米级创新研究所所长尼丁·帕德特(Nitin Padture)表示:“钙钛矿太阳能电池的效率正在非常快地增长,现在实验室电池以及可以与硅太阳能电池匹敌。每个人都追求高效率,这很重要,但是如果我们要将这种太阳能电池技术推向市场,我们还需要考虑长期耐用性和机械可靠性。这就是这项研究的目的。”

钙钛矿是一种广泛的晶体材料,于2009年被首次引入太阳能电池。那些最早的钙钛矿太阳能电池的功率转换效率约为4%,但如今已超过25%,与传统硅基本相同。钙钛矿型太阳能电池的优势在于,其制造成本仅为硅成本的一小部分,从而有可能削减太阳能发电设备的成本。钙钛矿还可以制成半透明且具有柔性的薄膜,从而有可能为产生能量的窗户或帐篷或背包中的轻质,柔性太阳能电池扫清道路。

但是,钙钛矿型太阳能电池的低成本和易制造性伴随着其他代价。

负责这项研究的帕德特说:“在材料科学中,容易制造的东西也往往容易被破坏。钙钛矿非常脆,这是事实。但是在这里,我们证明了它们也很容易修复-可以通过压缩钙钛矿膜或适度加热来治愈钙钛矿膜中的裂纹。”

在这项研究中,该论文的第一作者、帕德特实验室的博士生斯里尼瓦斯·亚达瓦利(Srinivas Yadavalli)和将钙钛矿薄膜沉积在了塑料基材上。然后,他弯曲基板,以在钙钛矿膜上施加拉伸应力,同时使用扫描电子显微镜(SEM)检测裂纹。一旦薄膜破裂,研究人员便将基材向相反方向弯曲,以查看压应力是否能治愈这些裂缝。

果然,SEM图像显示裂纹已消失。为了确保裂缝被完全治愈而不仅是被隐藏,研究人员使用了一种称为X射线衍射的技术。通过测量材料原子晶格的大小,该技术可以揭示以前破裂的区域现在是否能够承受机械载荷 - 裂缝已被治愈的确定迹象。这些测试表明裂纹已完全愈合。

研究人员发现,热量在愈合裂纹方面同样有效。大约100摄氏度 - 由材料科学标准这是相当温和的加热温度 - 就足以完全愈合钙钛矿薄膜上的裂纹。

帕德特表示,该研究旨在更好地了解钙钛矿材料的基本特性,需要做更多的工作来开发在商业环境中应用该信息的方法。随着这些类型的太阳能电池走向商业化,知道钙钛矿薄膜易于修复可能会很有用。

“这是个好消息,” 帕德特说。“这表明相当简单的修复方法可能有助于维持这类太阳能电池的性能。”

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