新的研究表明，破裂的鈣鈦礦薄膜（左）可以在輕微加熱和壓縮的情況下完全愈合（右）。這一發(fā)現(xiàn)預(yù)示著下一代太陽能電池中鈣鈦礦薄膜的長期可靠性。圖片來源：Padture Lab /布朗大學(xué)

一項(xiàng)新研究揭示了在下一代太陽能電池中使用鈣鈦礦材料的可能性的好消息。

這項(xiàng)發(fā)表在《Acta Materialia》雜志上的研究發(fā)現(xiàn)，盡管鈣鈦礦薄膜易于破裂，但這些裂縫在壓縮和一點(diǎn)點(diǎn)熱量的情況下很容易愈合。研究人員說，這預(yù)示著在太陽能電池技術(shù)中可以使用廉價(jià)的鈣鈦礦來替代或補(bǔ)充價(jià)格昂貴的硅，這是一個(gè)好兆頭。

布朗工程學(xué)院的奧蒂斯·蘭德爾（Otis E. Randall）教授、布朗分子與納米級(jí)創(chuàng)新研究所所長尼丁·帕德特（Nitin Padture）表示：“鈣鈦礦太陽能電池的效率正在非常快地增長，現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室電池以及可以與硅太陽能電池匹敵。每個(gè)人都追求高效率，這很重要，但是如果我們要將這種太陽能電池技術(shù)推向市場(chǎng)，我們還需要考慮長期耐用性和機(jī)械可靠性。這就是這項(xiàng)研究的目的。”

鈣鈦礦是一種廣泛的晶體材料，于2009年被首次引入太陽能電池。那些最早的鈣鈦礦太陽能電池的功率轉(zhuǎn)換效率約為4％，但如今已超過25％，與傳統(tǒng)硅基本相同。鈣鈦礦型太陽能電池的優(yōu)勢(shì)在于，其制造成本僅為硅成本的一小部分，從而有可能削減太陽能發(fā)電設(shè)備的成本。鈣鈦礦還可以制成半透明且具有柔性的薄膜，從而有可能為產(chǎn)生能量的窗戶或帳篷或背包中的輕質(zhì)，柔性太陽能電池掃清道路。

但是，鈣鈦礦型太陽能電池的低成本和易制造性伴隨著其他代價(jià)。

負(fù)責(zé)這項(xiàng)研究的帕德特說：“在材料科學(xué)中，容易制造的東西也往往容易被破壞。鈣鈦礦非常脆，這是事實(shí)。但是在這里，我們證明了它們也很容易修復(fù)-可以通過壓縮鈣鈦礦膜或適度加熱來治愈鈣鈦礦膜中的裂紋。”

在這項(xiàng)研究中，該論文的第一作者、帕德特實(shí)驗(yàn)室的博士生斯里尼瓦斯·亞達(dá)瓦利（Srinivas Yadavalli）和將鈣鈦礦薄膜沉積在了塑料基材上。然后，他彎曲基板，以在鈣鈦礦膜上施加拉伸應(yīng)力，同時(shí)使用掃描電子顯微鏡（SEM）檢測(cè)裂紋。一旦薄膜破裂，研究人員便將基材向相反方向彎曲，以查看壓應(yīng)力是否能治愈這些裂縫。

果然，SEM圖像顯示裂紋已消失。為了確保裂縫被完全治愈而不僅是被隱藏，研究人員使用了一種稱為X射線衍射的技術(shù)。通過測(cè)量材料原子晶格的大小，該技術(shù)可以揭示以前破裂的區(qū)域現(xiàn)在是否能夠承受機(jī)械載荷 - 裂縫已被治愈的確定跡象。這些測(cè)試表明裂紋已完全愈合。

研究人員發(fā)現(xiàn)，熱量在愈合裂紋方面同樣有效。大約100攝氏度 - 由材料科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)這是相當(dāng)溫和的加熱溫度 - 就足以完全愈合鈣鈦礦薄膜上的裂紋。

帕德特表示，該研究旨在更好地了解鈣鈦礦材料的基本特性，需要做更多的工作來開發(fā)在商業(yè)環(huán)境中應(yīng)用該信息的方法。隨著這些類型的太陽能電池走向商業(yè)化，知道鈣鈦礦薄膜易于修復(fù)可能會(huì)很有用。

“這是個(gè)好消息，” 帕德特說。“這表明相當(dāng)簡單的修復(fù)方法可能有助于維持這類太陽能電池的性能。”