科学家研发超薄半透!!明钙钛矿太阳能电池，厚度仅头发丝{万}分之一
IT之家 5 月 20 日消息，新加坡南洋理工大学（NTU）的科学家团队开发出一种新型超薄半透明钙钛矿太阳能电池，其厚度仅为一根头发丝直径的万分之一，大约是传统钙钛矿太阳能电池的 50 分之一。尽管厚度极薄，但其光电转换效率仍处于同类超薄器件领先水平。
相关成果已发表于《ACS Energy Letters》。由于该新型太阳能电池具有半透明的特点，未来有望嵌入玻璃窗、车窗，甚至能用在智能眼镜上，使“玻璃变电池”成为现实。
该研究由南洋理工大学物理与数学科学学院及材料科学与工程学院的 Annalisa Bruno 副教授领导。Bruno 副教授表示，建筑环境约占全球能源消耗的 40%，能够将建筑物表面无缝转化为发电资产的技术正变得越来越紧迫。她指出，钙钛矿太阳能电池可在相对较低的温度下通过简单的工艺制造，并且可以调节以吸收特定波长的光同时保持透明，还有望在大面积上实现规模化，从而降低碳足迹。
与传统的硅基太阳能电池不同，这些钙钛矿器件即使在间接阳光和漫射光条件下也能发电，特别适合城市环境 —— 垂直建筑表面和频繁的云层覆盖往往会限制直射阳光的获取。例如，若该技术能在保持类似性能的前提下实现规模化，大型玻璃幕墙可转变为太阳能发电的活性表面。初步估算表明，在 Raffles Place 或 Marina Bay 区域的主要玻璃幕墙办公楼部署该技术，理论上每年可发电数百兆瓦时。根据可用的玻璃面积和建筑朝向，这一发电量大约相当于 100 套四房式组屋（HDB）的年用电量。
制造方法方面，NTU 团队采用了与工业兼容的热蒸发法。该工艺在真空腔室中加热源材料直至蒸发，蒸气随后沉积在表面形成薄膜。该方法可在大面积上沉积非常薄且均匀的钙钛矿层，同时避免使用有毒溶剂，并有助于减少太阳能电池中的缺陷，提高光电转换能力。研究人员认为，这是首次完全使用真空工艺制造超薄钙钛矿太阳能电池，该技术可能更适合未来的大规模工业化生产。
利用该技术，研究人员制备了厚度低至 10 纳米的超薄钙钛矿吸收层，同时保留了可用的太阳能电池性能。在不透明器件中，厚度为 10、30 和 60 纳米的钙钛矿层分别实现了约 7%、11% 和 12% 的光电转换效率。而一款 60 纳米厚半透明钙钛矿层的电池允许约 41% 的可见光透过，同时实现了 7.6% 的光电转换效率。研究人员称，这是采用类似材料制备的半透明钙钛矿太阳能电池中性能最高的数据之一。论文第一作者、曾为 NTU 能源研究所博士后的 Luke White 博士表示，通过精确控制热蒸发，他们能够调节太阳能电池的透明度，这为可持续建筑（例如可发电的有色窗户）开辟了新可能。
英国剑桥大学化学工程与生物技术系能源材料与光电子学教授 Sam Stranks 评论称，该方法对薄膜厚度和均匀性提供了高水平的控制，这对于半透明太阳能电池迈向大面积应用是必需的。他补充说，半透明钙钛矿太阳能电池是一条令人兴奋的路线，可以从传统硅面板难以使用的表面（如窗户、外墙和轻型电子产品）收集能量，该研究结果展示了极薄器件在透明度和发电之间的有希望的平衡，而下一步的关键测试将是长期稳定性、耐久性以及更大面积上的性能。
据官方介绍，Bruno 副教授是钙钛矿太阳能电池领域的先驱，她早期关于热蒸发钙钛矿太阳能电池的工作已被规模化。其创新成果得到了 NTU 创新创业计划的支持。通过大学创新与企业公司 NTUitive，已为超薄钙钛矿薄膜新结构的技术提交了专利申请。研究人员目前正在与多家公司洽谈，以验证和标准化本研究使用的热蒸发工艺，并将在商业部署前继续提高钙钛矿太阳能电池的长期稳定性、耐久性和大面积性能。
IT之家附论文地址：
https://doi.org/10.1021/acsenergylett.5c04261