普林斯顿工程学院(Princeton Engineering)的研究人员开发出了首个具有商业可行性寿命的钙钛矿太阳能电池，这是新兴可再生能源技术的一个重要里程碑。
自1954年问世以来，硅基电池一直占据着市场的主导地位。普林斯顿大学的研究团队预计，他们的设备可以在30年左右的时间里超过行业标准，远远超过太阳能电池使用20年的门槛。
钙钛矿是一种具有特殊晶体结构的半导体，使其非常适合用于太阳能电池技术。它们可以在室温下制造，比硅耗能少得多，因此生产成本更低，更可持续。硅坚硬而不透明，而钙钛矿可以被制造得灵活而透明，使太阳能的能量远远超出了遍布美国山坡和屋顶的标志性电池板。
但与硅不同，钙钛矿是出了名的脆弱。早期的钙钛矿太阳能电池(PSC)是在2009年到2012年间制造的，只持续了几分钟。新设备的预期寿命比2017年PSC的低效率记录增加了5倍。(那个装置在室温下连续照明一年。新设备将在类似的实验室条件下运行五年。)
普林斯顿大学的团队，由西奥多拉·D·林恩·卢(Lynn Loo)领导。78年的威廉·沃尔顿三世和74年的工程学教授，在6月16日的《科学》杂志上发表了他们的新设备和测试这种设备的新方法。
在加速老化过程中观察高度稳定的钙钛矿太阳能电池，有助于研究人员预测先进设计的延长寿命。
Loo说，这一创纪录的设计突出了PSCs的持久潜力，特别是作为推动太阳能电池技术超越硅的限制的一种方式。但她也指出，她的团队的新加速老化技术是这项工作的更深层意义。
“我们今天可能会创造记录，”她说，“但明天会有人创造更好的记录。”真正令人兴奋的是，我们现在有了测试这些设备的方法，并知道它们的长期性能如何。”
由于钙钛矿众所周知的脆弱，直到现在，长期的测试还没有太大的担忧。但随着这些设备变得越来越好，使用寿命越来越长，在不同的设计之间进行测试将成为推出耐用、消费者友好型技术的关键。
国家可再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory)专门研究太阳能电池物理学的高级研究员约瑟夫·贝里(Joseph Berry)说，“这篇论文很可能会成为任何想要分析效率和稳定性交汇处性能的人的一个原型。”贝里没有参与这项研究。“通过生产一个研究稳定性的原型，并展示(通过加速测试)可以推断出什么，在我们开始大规模现场测试之前，它做了每个人希望看到的工作。它能让你以一种令人印象深刻的方式进行投射。”
Berry说，虽然在过去的十年中，这些设备的效率以惊人的速度加快，但其稳定性的提高却慢得多。为了让它们在行业中得到广泛推广和推广，测试将需要变得更加复杂。这就是Loo加速衰老过程的原因。
“这类测试将变得越来越重要，”Loo说。“你可以制造效率最高的太阳能电池，但如果它们不稳定，那也无关紧要。”
它们是如何来到这里的
2020年初，Loo的团队正在研究各种设备架构，它们将保持相对强大的效率——将足够的阳光转化为电能，使它们有价值——并在太阳能电池寿命期间经受住热、光和湿度的冲击。
一组钙钛矿太阳能电池设计在明亮的光线下，在高温下加速老化和测试过程中，由普林斯顿工程学院的研究人员开发。新的测试方法标志着先进太阳能电池向商业化迈出了重要一步。
赵晓明是卢在安德林格能源与环境中心实验室的博士后研究员，他和同事们一直在研究一些设计。为了优化光的吸收，同时保护最脆弱的区域不暴露在阳光下，这些努力使不同的材料分层。他们开发了一种超薄的覆盖层，覆盖在两个关键组成部分之间:吸收钙钛矿层和由铜盐和其他物质制成的电荷携带层。他们的目标是防止钙钛矿半导体在几周或几个月内烧光，这在当时是常态。
很难理解这个覆盖层有多薄。科学家们用“二维”这个词来描述它，意思是二维，即完全没有厚度的东西。实际上，它只有几个原子那么厚——比人眼所能看到的最小物体还要小一百多万倍。虽然2D封盖层的想法并不新鲜，但它仍然被认为是一种有前途的新兴技术。NREL的科学家已经证明，二维层可以极大地提高长途运输性能，但还没有人开发出一种设备，可以将钙钛矿推向20年寿命的商业门槛。
赵和他的同事们对这些设计进行了数十种排列，改变了几何上的细微细节，改变了层数，并尝试了几十种材料组合。每一种设计都放在灯箱里，在那里，他们可以在无情的强光下照射敏感的设备，并测量它们的性能随着时间的推移而下降。
那年秋天，随着第一波流感大流行的消退，研究人员回到实验室，在精心协调的轮班中进行实验，赵注意到数据中有些奇怪的东西。其中一组设备的工作效率似乎仍接近峰值。
在博士后研究员赵晓明(中)的带领下，Lynn Loo教授的实验室的工程师们尝试了几十种材料的排列和设计组合，试图提高他们的设备的寿命。Rudolph Holley, III(左)，一个研究生，和Quinn Burlingame(右)，一个博士后研究员，投稿。
他说:“在近半年之后，基本上没有下降。”
这时他意识到，他需要一种方法，以比实时实验所允许的更快的速度对他的设备进行压力测试。
“我们想要的寿命是30年左右，但你不能用30年来测试你的设备，”赵说。“所以我们需要某种方法在合理的时间框架内预测它的寿命。这就是加速衰老非常重要的原因。”
这种新的测试方法通过在加热的同时照亮设备来加速老化过程。这一过程会加快多年定期接触的自然过程。研究人员选择了四种老化温度，并在这四种不同的数据流中测量了结果，从典型夏日的基线温度到230华氏度(高于水的沸点)的极端温度。
然后，他们根据综合数据进行推断，并预测该设备在室温下数万小时连续光照下的性能。结果显示，这种设备在平均温度95华氏度的连续照明下至少5年，其效率将达到峰值的80%以上。卢说，使用标准的转换指标，这相当于在新泽西州普林斯顿这样的地区进行30年的户外操作。
NREL的Berry表示赞同。“这非常可信，”他说。“有些人仍然希望看到它的结局。但这是比许多其他预测尝试更可信的科学。”
太阳能电池界的迈克尔·乔丹
钙钛矿太阳能电池在2006年被首创，随后在2009年发布了第一个设备。一些最早的设备只能持续几秒钟。其他的分钟。在2010年代，设备的寿命增长到几天、几周，最后是几个月。然后在2017年，一个来自瑞士的小组发表了一篇关于持续照明一整年的PSC的开创性论文。
与此同时，这些设备的效率在同一时期急剧上升。虽然第一代PSC显示的能量转换效率不到4%，但研究人员在这么多年里将这一指标提高了近10倍。这是迄今为止科学家们在所有可再生能源技术中所见过的最快的进步。
Perovskite-based device built out of layers
研究人员用执行不同任务的层构建了他们的基于钙钛矿的设备，包括一个创新的超薄层，以保护最敏感的元素。然后，他们将该设备置于强光下，并对其进行高温照射，以了解它在数万小时的暴露下会如何表现。其结果是一个创纪录的设备和开创性的老化和测试方法。
那么，为什么要推动钙钛矿呢?Berry说，最近的一些进步使它们变得独一无二:新的高效率，非凡的“可调谐性”，使科学家能够做出高度具体的应用，能够在低能量输入的情况下就地制造，以及现在延长寿命的可靠预测，加上复杂的老化过程，以测试广泛的设计。
卢说，并不是说PSCs将大量取代硅设备，新技术将补充旧技术，使太阳能电池板比现在更便宜，更高效，更耐用，并将太阳能扩展到现代生活中无数的新领域。例如，她的团队最近展示了一种完全透明的钙钛矿薄膜(具有不同的化学性质)，它可以在不改变窗户外观的情况下将其转变为能量产生设备。其他研究小组已经找到了利用钙钛矿打印光伏油墨的方法，这使得科学家们现在还只是在做梦。
Berry和Loo都表示，从长远来看，钙钛矿的主要优势在于:钙钛矿可以在室温下制造，而硅则需要在华氏3000度左右锻造。这些能源必须来自某个地方，目前这意味着燃烧大量的化石燃料。
Berry补充说:因为科学家可以轻松广泛地调整钙钛矿的性质，它们允许不同的平台平稳地工作在一起。这可能是将硅与薄膜和有机光伏等新兴平台相结合的关键，这些平台近年来也取得了很大进展。
“这有点像迈克尔·乔丹在篮球场上的表现，”他说。“这本身就很好，但它也让所有其他玩家变得更好。”
论文《加速老化的全无机，界面稳定的钙钛矿太阳能电池》在国家科学基金会的支持下发表;美国能源部，通过布鲁克海文国家实验室;瑞典政府功能材料战略研究领域;以及普林斯顿成像分析中心。除了Loo和Zhao，作者还包括来自Linköping大学的刘天军和高峰;以及来自普林斯顿大学的刘天然、Quinn C. Burlingame、Rudolph Holley III、程光明和姚楠。