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癒合（右）。這一發現預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
一項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。
這項發表在《Acta Materialia》雜誌上的研究發現，儘管鈣鈦礦薄膜易於破裂，但這些裂縫在壓縮和一點點熱量的情況下很容易癒合。研究人員說，這預示著在太陽能電池技術中可以使用廉價的鈣鈦礦來替代或補充價格昂貴的硅，這是一個好兆頭。
布朗工程學院的奧蒂斯·蘭德爾（Otis E. Randall）教授、布朗分子與納米級創新研究所所長尼丁·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，現在實驗室電池以及可以與硅太陽能電池匹敵。每個人都追求高效率，這很重要，但是如果我們要將這種太陽能電池技術推向市場，我們還需要考慮長期耐用性和機械可靠性。這就是這項研究的目的。”
鈣鈦礦是一種廣泛的晶體材料，於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換效率約為4％，但如今已超過25％，與傳統硅基本相同。鈣鈦礦型太陽能電池的優勢在於，其製造成本僅為硅成本的一小部分，從而有可能削減太陽能發電設備的成本。鈣鈦礦還可以製成半透明且具有柔性的薄膜，從而有可能為產生能量的窗戶或帳篷或揹包中的輕質，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製造性伴隨著其他代價。
負責這項研究的帕德特說：“在材料科學中，容易製造的東西也往往容易被破壞。鈣鈦礦非常脆，這是事實。但是在這裡，我們證明了它們也很容易修復-可以通過壓縮鈣鈦礦膜或適度加熱來治癒鈣鈦礦膜中的裂紋。”
在這項研究中，該論文的第一作者、帕德特實驗室的博士生斯里尼瓦斯·亞達瓦利（Srinivas Yadavalli）和將鈣鈦礦薄膜沉積在了塑料基材上。然後，他彎曲基板，以在鈣鈦礦膜上施加拉伸應力，同時使用掃描電子顯微鏡（SEM）檢測裂紋。一旦薄膜破裂，研究人員便將基材向相反方向彎曲，以查看壓應力是否能治癒這些裂縫。
果然，SEM圖像顯示裂紋已消失。為了確保裂縫被完全治癒而不僅是被隱藏，研究人員使用了一種稱為X射線衍射的技術。通過測量材料原子晶格的大小，該技術可以揭示以前破裂的區域現在是否能夠承受機械載荷 - 裂縫已被治癒的確定跡象。這些測試表明裂紋已完全癒合。
研究人員發現，熱量在癒合裂紋方面同樣有效。大約100攝氏度 - 由材料科學標準這是相當溫和的加熱溫度 - 就足以完全癒合鈣鈦礦薄膜上的裂紋。
帕德特表示，該研究旨在更好地瞭解鈣鈦礦材料的基本特性，需要做更多的工作來開發在商業環境中應用該信息的方法。隨著這些類型的太陽能電池走向商業化，知道鈣鈦礦薄膜易於修復可能會很有用。
“這是個好消息，” 帕德特說。“這表明相當簡單的修復方法可能有助於維持這類太陽能電池的性能。”
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