用于发电窗的太阳能电池寿命为30年

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密歇根大学领导的研究表明,一种新的透明友好太阳能电池设计可以将高效率与30年的估计寿命结合起来。它可能为也提供太阳能的窗户铺平道路。“太阳能是自工业革命以来人类生产的最便宜的能源形式,”领导这项研究的彼得A.弗兰肯杰出大学电气工程教授斯蒂芬福雷斯特说。“在窗户上使用这些设备后,您的建筑物就变成了发电厂。”

虽然硅仍然是太阳能电池板效率的王者,但它并不透明。对于窗户友好的太阳能电池板,研究人员一直在探索有机或碳基材料。Forrest团队面临的挑战是如何防止非常高效的有机光转换材料在使用过程中快速降解。

这些材料的优点和缺点在于将光生电子传输到电极的分子,即使用或存储太阳能的电路的入口点。这些材料通常被称为“非富勒烯受体”,以将它们与由纳米级碳网制成的更坚固但效率较低的“富勒烯受体”区分开来。由掺入硫的非富勒烯受体制成的太阳能电池可以实现18%的与硅相当的效率,但它们的使用寿命不长。

该团队,包括北卡罗来纳州立大学、天津大学和浙江大学的研究人员,开始改变这种状况。在他们的实验中,他们表明,在不保护太阳光转换材料的情况下,在相当于1个太阳光照射下的12周内,效率下降到其初始值的40%以下。

“非富勒烯受体具有非常高的效率,但包含在高能光子下容易解离的弱键,尤其是阳光中常见的紫外线[紫外线]光子,”密歇根大学电气工程和计算机科学助理研究科学家李永熙说。NatureCommunications论文的作者。

通过研究那些未受保护的太阳能电池退化的性质,该团队认识到他们只需要在少数地方进行支撑。首先,他们需要阻挡紫外线。为此,他们在玻璃面向太阳的一面添加了一层氧化锌——一种常见的防晒成分。

靠近光吸收区的较薄氧化锌层有助于将太阳能产生的电子传导至电极。不幸的是,它还破坏了脆弱的光吸收器,因此该团队添加了一层称为IC-SAM的碳基材料作为缓冲。

此外,将带正电的“空穴”(本质上是由电子腾出的空间)吸引到电路中的电极也可以与光吸收剂发生反应。为了保护那一侧,他们增加了另一个缓冲层,这是一个形状像足球的富勒烯。

然后,该团队在不同强度的模拟阳光下测试了他们的新防御,从典型的1个太阳到27个太阳的光,以及高达150华氏度的温度。通过研究在这些条件下性能如何下降,该团队推断太阳能电池在30年后仍能以80%的效率运行。

Forrest看到了这些设备的未来“来到你附近的窗口”。他的团队已经将模块的透明度提高到40%。他们相信他们可以接近60%的透明度。

他们还致力于将效率从报告的半透明模块中实现的10%提高到接近被认为在高透明度下可能达到的15%。由于材料可以制成液体,因此预计制造成本相对较低。

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