突破關鍵！熱應力決定鈣鈦礦太陽能電池的長效穩定

鈣鈦礦太陽能電池以其高效能與低成本的優勢，成為再生能源領域的明日之星。然而，在實際戶外環境中，其長期穩定性仍面臨挑戰。由 Antonio Abate 教授領軍的國際研究團隊，近期在《Nature Reviews Materials》期刊發表了一篇前瞻性論文，深入探討了熱應力對鈣鈦礦太陽能電池的影響，並提出了提升其長期穩定性的策略。

鈣鈦礦材料種類繁多，其中金屬鹵化物鈣鈦礦在太陽能轉換效率上表現尤為突出，目前已達到 27% 的轉換效率。這類薄膜太陽能電池的製造過程所需材料與能源極少，有望大幅降低太陽能發電成本。然而，戶外使用的太陽能模組需在 20 至 30 年內保持穩定的發電效能，而鈣鈦礦材料在這方面仍有很大的進步空間。

研究團隊與中國河南大學的李萌教授團隊，以及來自義大利、西班牙、英國、瑞士和德國的合作伙伴共同發現，熱應力是導致金屬鹵化物鈣鈦礦降解的關鍵因素。Abate 教授指出：「戶外使用的太陽能模組會經歷天氣與季節的變化。」雖然封裝技術能有效保護電池免受濕氣與大氣氧氣的侵害，但電池仍會受到日夜與全年溫差變化的影響。根據地理環境的不同，太陽能電池內部的溫度可能從攝氏零下 40 度到攝氏 100 度（例如在沙漠中）不等。

為了模擬這種極端環境，研究中的鈣鈦礦太陽能電池被暴露在更劇烈的溫度變化中，從攝氏零下 150 度到攝氏 150 度，反覆迴圈。當時在 HZB 擔任博士後研究員、現任中國東南大學教授的李桂香博士，深入研究了鈣鈦礦層的微結構在這些迴圈中的變化，以及相鄰層之間的相互作用如何受到溫度迴圈的影響。

這些因素共同影響了電池的效能。特別是溫度迴圈引起的熱應力，不僅存在於鈣鈦礦薄膜內部，也存在於不同相鄰層之間。Abate 教授解釋道：「在鈣鈦礦太陽能電池中，不同材料的層需要完美接觸；然而，這些材料的熱行為往往差異很大。」例如，塑膠材料在加熱時會收縮，而無機材料則會膨脹。這意味著在每個迴圈中，層與層之間的接觸會逐漸惡化。此外，研究還觀察到區域性相變和元素擴散到相鄰層的現象。

基於這些發現，研究團隊提出了一項提升鈣鈦礦太陽能電池長期穩定性的策略。Abate 教授強調：「熱應力是關鍵。」因此，主要目標是提高鈣鈦礦結構與相鄰層對熱應力的穩定性，例如透過提升結晶品質，或使用合適的緩衝層。此外，科學家們還強調了統一測試協議在評估溫度迴圈下穩定性的重要性，並提出了一種方法，以促進不同研究之間的比較。

這項研究不僅揭示了鈣鈦礦太陽能電池在戶外環境中的挑戰，更為未來的技術改進提供了明確的方向。隨著這些策略的實施，鈣鈦礦太陽能電池有望在未來的能源市場中扮演更重要的角色，為全球的可持續發展貢獻力量。