沖繩科學技術研究所（OIST）的研究人員利用一種減少缺陷的新制造技術，制造出穩定性和效率都有所提高的鈣鈦礦型太陽能組件。他們的發現發表在1月25日的《先進能源材料》雜志上。

鈣鈦礦是下一代太陽能技術中最有前途的材料之一，其效率在10多年內從3.8%飆升至25.5%。鈣鈦礦型太陽能電池生產成本低廉，并且具有靈活性的潛力，增加了其多功能性。但仍有兩個障礙阻礙了商業化的道路：缺乏長期穩定性和難以擴大規模。

“鈣鈦礦材料易碎，容易分解，這意味著太陽能電池在很長一段時間內難以保持高效率。”第一作者湯國慶博士說，他是由齊亞兵教授領導的OIST能源材料和表面科學組的博士后學者。湯博士認為盡管小型鈣鈦礦太陽能電池的效率很高，性能幾乎與硅電池相當，但一旦擴大到更大的太陽能組件，效率就會下降。

在功能太陽能器件中，鈣鈦礦層位于中心，夾在兩個傳輸層和兩個電極之間。當活性鈣鈦礦層吸收陽光時，它產生電荷載流子，然后通過傳輸層流到電極并產生電流。

通過添加氯化銨，得到的鈣鈦礦薄膜具有更小的晶粒和更大的尺寸，減少了晶界的數量。

然而，鈣鈦礦層中的針孔和單個鈣鈦礦晶粒之間邊界處的缺陷會破壞從鈣鈦礦層到傳輸層的載流子流，降低效率。濕度和氧氣也會開始降解這些缺陷處的鈣鈦礦層，縮短器件的壽命。

擴大規模是一個挑戰，因為隨著模塊尺寸的增加，很難產生一個均勻的鈣鈦礦層，這些缺陷變得更加明顯，湯博士解釋說，我們想找到一種制造大型模塊的方法來解決這些問題。

目前生產的大多數太陽能電池都有一層厚度只有500納米的鈣鈦礦薄膜。理論上，由于電荷載流子到達上下傳輸層的距離較短，鈣鈦礦層較薄可提高效率。但是當制造更大的模塊時，研究人員發現薄膜通常會產生更多的缺陷和針孔。

因此，研究人員選擇制作5×5cm2和10×10cm2的太陽能電池組件，其中含有兩倍厚度的鈣鈦礦薄膜。

來自OIST能源材料和表面科學部門的科學家們展示了鈣鈦礦型太陽能組件，為風扇和玩具車提供動力。

然而，制備更厚的鈣鈦礦薄膜也有自己的挑戰。鈣鈦礦是一類材料，通常由許多化合物在溶液中反應形成，然后使它們結晶。

然而，科學家們努力溶解足夠高濃度的碘鉛，碘鉛是用來形成鈣鈦礦結構的前體材料之一，而鈣鈦礦結構正是較厚薄膜所需要的。他們還發現結晶步驟很快且不可控，因此厚膜中含有許多小晶粒，晶界較多。

因此，研究人員添加氯化銨以增加鉛碘的溶解度。這也使得鉛碘更均勻地溶解在有機溶劑中，從而形成更均勻的鈣鈦礦薄膜，具有更大的晶粒和更少的缺陷。氨后來從鈣鈦礦溶液中去除，降低了鈣鈦礦薄膜中雜質的含量。

總的來說，尺寸為5x5cm2的太陽能組件的效率為14.55%，高于不含氯化銨的組件的13.06%，并且能夠在兩個月內工作1600小時，效率超過80%。

研究人員制造了5x5cm2和10x10cm2的太陽能組件，比傳統實驗室制造的1.5x1.5cm2的組件大得多，但比商用太陽能電池板小。

較大的10x10cm2模塊的效率為10.25%，并在1100多小時或近46天內保持在較高的效率水平。

湯博士說：“這是首次報道這種尺寸的鈣鈦礦型太陽能組件的壽命測量，這真是令人興奮。”

這項工作得到了OIST技術開發和創新中心概念驗證計劃的支持。這些結果是一個有希望的一步，在尋求生產商業規模的太陽能組件的效率和穩定性，以匹配他們的硅同行。

在下一階段的研究中，該團隊計劃進一步優化他們的技術，使用蒸汽基方法制造鈣鈦礦型太陽能組件，而不是使用溶液，目前正試圖擴大到15x15cm2的組件。

從實驗室大小的太陽能電池到5×5平方厘米的太陽能組件是很困難的。跳到10×10平方厘米的太陽能組件上就更難了。而使用15×15平方厘米的太陽能組件將更加困難，但整個研究團隊非常期待這種挑戰。