下一代太陽(yáng)能電池可能很快就會(huì)為無(wú)電池設(shè)備收集室內(nèi)光線

由倫敦大學(xué)學(xué)院研究人員領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)國(guó)際團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了耐用的新型太陽(yáng)能電池，能夠有效地從室內(nèi)光線中收集能量，這意味著鍵盤、遙控器、警報(bào)器和傳感器等設(shè)備很快就會(huì)無(wú)電池。

該團(tuán)隊(duì)使用了一種叫做鈣鈦礦的材料，這種材料越來(lái)越多地用于室外太陽(yáng)能電池板，與傳統(tǒng)的硅基太陽(yáng)能電池板不同，它有可能在室內(nèi)使用，并且可以調(diào)整其成分以更好地吸收室內(nèi)光的特定波長(zhǎng)。

然而，鈣鈦礦的一個(gè)主要缺點(diǎn)是它的晶體結(jié)構(gòu)中存在微小的缺陷（稱為陷阱），可能導(dǎo)致電子在利用其能量之前被卡住。這些缺陷不僅會(huì)中斷電流，還會(huì)導(dǎo)致材料隨著時(shí)間的推移而降解。

在發(fā)表在《先進(jìn)功能材料》雜志上的一項(xiàng)研究中，該團(tuán)隊(duì)描述了他們?nèi)绾问褂没瘜W(xué)品組合來(lái)減少這些缺陷，從而有可能使鈣鈦礦室內(nèi)太陽(yáng)能電池板變得可行。

該團(tuán)隊(duì)表示，他們?cè)O(shè)計(jì)的鈣鈦礦光伏發(fā)電的效率大約是最好的商用室內(nèi)太陽(yáng)能電池的六倍。它們比其他鈣鈦礦器件更耐用，預(yù)計(jì)可以使用五年或更長(zhǎng)時(shí)間，而不僅僅是幾周或幾個(gè)月。

資深作者、倫敦大學(xué)學(xué)院材料發(fā)現(xiàn)研究所副教授 Mojtaba Abdi Jalebi 博士表示：“數(shù)十億需要少量能源的設(shè)備依賴于電池更換——這是一種不可持續(xù)的做法。隨著物聯(lián)網(wǎng)的擴(kuò)展，這個(gè)數(shù)字還會(huì)增長(zhǎng)。

“目前，從室內(nèi)光中捕獲能量的太陽(yáng)能電池既昂貴又低效。我們專門設(shè)計(jì)的鈣鈦礦室內(nèi)太陽(yáng)能電池可以比商業(yè)電池收集更多的能量，并且比其他原型更耐用。它為由我們生活中已經(jīng)存在的環(huán)境光供電的電子產(chǎn)品鋪平了道路。

“我們目前正在與行業(yè)合作伙伴討論擴(kuò)大戰(zhàn)略和商業(yè)部署。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的優(yōu)勢(shì)在于成本低——它們使用地球上豐富的材料，只需要簡(jiǎn)單的加工。它們可以像報(bào)紙一樣印刷。

早期鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的一個(gè)問(wèn)題是材料及其與電荷收集層界面中的高陷阱密度，這擾亂了電荷流動(dòng)并導(dǎo)致能量以熱量形式損失。

研究小組引入了一種化學(xué)物質(zhì)氯化銣，它以最小的應(yīng)變促進(jìn)鈣鈦礦晶體更均勻的生長(zhǎng)，從而降低了這些陷阱的密度。

添加了另外兩種化學(xué)物質(zhì)來(lái)穩(wěn)定兩種類型的離子（碘離子和溴化物離子），防止它們遷移并聚集成不同的相，隨著時(shí)間的推移，這會(huì)降低太陽(yáng)能電池的性能，再次通過(guò)破壞電荷流通過(guò)材料。

主要作者、倫敦大學(xué)學(xué)院材料發(fā)現(xiàn)研究所博士生黃思明說(shuō)：“具有這些微小缺陷的太陽(yáng)能電池就像切成碎片的蛋糕。通過(guò)多種策略的組合，我們把這個(gè)蛋糕重新拼在一起，讓電荷更容易通過(guò)它。我們添加的三種成分具有協(xié)同效應(yīng)，產(chǎn)生的綜合效果大于各部分的總和。

該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，他們的太陽(yáng)能電池將 37.6% 的室內(nèi)光（1,000 勒克斯——相當(dāng)于光線充足的辦公室）轉(zhuǎn)化為電能，這是此類針對(duì)室內(nèi)光優(yōu)化的太陽(yáng)能電池的世界紀(jì)錄，即帶隙為 1.75 eV（電子伏特）。

研究人員還測(cè)試了太陽(yáng)能電池，看看它們隨著時(shí)間的推移抵抗退化的能力。

100 多天后，新設(shè)計(jì)的電池保留了 92% 的性能，而對(duì)照設(shè)備（缺陷未減少的鈣鈦礦）僅保留了其初始性能的 76%。

在 55°C 下連續(xù)強(qiáng)光 300 小時(shí)的嚴(yán)酷測(cè)試中，新型太陽(yáng)能電池保留了 76% 的性能，而控制設(shè)備則下降到 47%。