研究人員通過引入定制設(shè)計的"離子液體"，提出了一種穩(wěn)定鹵化物鈣鈦礦的方法。

未來，太陽能電池板的使用壽命將遠超短短數(shù)年。美國普渡大學(xué)和埃默里大學(xué)的研究人員開發(fā)出一種方法，能大幅提升下一代太陽能電池的耐久性。

長期以來，能源工程師一直將鈣鈦礦太陽能電池視為比標(biāo)準(zhǔn)硅太陽能電池更便宜、更高效的替代品。這類晶體材料（如鹵化物鈣鈦礦）是極佳的光吸收體，能以令人印象深刻的效率將陽光轉(zhuǎn)化為電能。

然而，一個主要障礙始終存在：極端的不穩(wěn)定性。與硅電池長達數(shù)十年的壽命相比，鈣鈦礦材料的快速降解使其在商業(yè)上不可行。

在這項新工作中，研究團隊提出了一種方法，通過引入定制設(shè)計的"離子液體"來穩(wěn)定鹵化物鈣鈦礦。這些離子液體是一種即使在低溫下也能保持液態(tài)的鹽，并能與其他材料發(fā)生強力相互作用。

新型離子液體提升效率

鈣鈦礦太陽能電池的結(jié)構(gòu)類似于三明治，具有光活性的吸收層被夾在兩個界面層之間。雖然大多數(shù)研究人員專注于修復(fù)頂表面的缺陷，但這項新工作則針對整個結(jié)構(gòu)。該方法同時清除了材料主體內(nèi)部的缺陷以及常被忽視的底部"被掩埋的"界面，確保電池從上到下都保持穩(wěn)定。

具體而言，該團隊開發(fā)了一種名為MEM-MIM-Cl的高科技化學(xué)"膠水"。

"我們設(shè)計了一種帶有乙二醇醚側(cè)鏈的離子液體——甲氧乙氧甲基-1-甲基咪唑氯化物，它通過協(xié)同作用調(diào)節(jié)鈣鈦礦的生長并穩(wěn)定被掩埋的界面，"研究論文中解釋道。

這種定制液體如同脆弱鈣鈦礦晶體的"分子保鏢"。它與帶正電的鉛離子結(jié)合，填補離子缺失的微小空隙，并保護太陽能電池結(jié)構(gòu)內(nèi)常被忽視的掩埋界面。

當(dāng)這種液體混入原始的鈣鈦礦材料時，它能促進晶體更緩慢、更完美地生長，從而形成更大、質(zhì)量更高、內(nèi)部缺陷更少的晶粒。

此外，該液體會自然地遷移到底部界面，形成一層保護性密封層，防止在層界面處形成缺陷。

測試結(jié)果展現(xiàn)前景

當(dāng)然，真正的考驗在于性能表現(xiàn)。

為此，增強后的太陽能電池被置于極限條件下測試：在高達90°C（194°F）的炙熱溫度下，接受持續(xù)、強烈的陽光照射。這遠比典型的測試條件嚴苛。

然而，這些電池表現(xiàn)強勁，在超過1500小時后，仍保持了其初始性能的90%，令人驚嘆。

"摻入MEM-MIM-Cl的太陽能電池實現(xiàn)了25.9%的光電轉(zhuǎn)換效率，并在連續(xù)1個太陽光照和90°C熱應(yīng)力下1500小時后，仍保持了初始性能的90%——這超越了此前在更溫和老化條件下的基準(zhǔn)水平，"研究論文詳細說明。

有趣的是，該技術(shù)與工業(yè)生產(chǎn)工藝（如能高效大規(guī)模生產(chǎn)太陽能板的"刮刀涂層法"）兼容。

據(jù)報道，該團隊還在完善其分子設(shè)計，并使用先進的成像技術(shù)，以更好地理解離子液體與鈣鈦礦之間的化學(xué)相互作用。通過申請專利和建立戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，他們的目標(biāo)是將這些實驗室的成功轉(zhuǎn)化為適用于全球能源市場的可擴展解決方案。

該研究結(jié)果發(fā)表在《自然·能源》雜志上。

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