一種秘密的章魚分子可以阻止截留的氧氣殺死鈣鈦礦細胞
鈣鈦礦太陽能電池長期以來一直是清潔能源領域最令人興奮的“幾乎存在”技術。在實驗室中，它們已經可以與最好的矽太陽能電池相媲美，將超過 26% 的陽光轉化為電能。它們薄、輕，而且製造成本比矽便宜得多，因為它們可以在低溫下用液體溶液打印。然而，一個缺陷使他們脫離了現實世界。由於細胞內的氧氣慢慢破壞鈣鈦礦晶體，它們分解得太快，使得長期運行變得不可能。現在，一項新的研究提出了一種受海洋生物學啟發的創新解決方案來解決這個問題。通過插入一層牛磺酸（章魚和魷魚中發現的天然抗氧化劑），他們展示了鈣鈦礦太陽能電池如何抵禦氧氣的侵害。鈣鈦礦電池中的超氧化物問題鈣鈦礦太陽能電池中最大的隱藏問題是氧氣，它是其最具破壞性的敵人之一。當陽光照射到鈣鈦礦層時，會產生高能電子。這些電子可以與氧分子反應形成超氧自由基——高活性化學物質，可以分解將晶體固定在一起的有機分子。這種損壞通常始於電池內部的埋入界面，其中鈣鈦礦接觸二氧化錫層，該二氧化錫層有助於將電子作為有用電流拉出。封裝（將設備與空氣隔離）會有所幫助，但它並不能提供完整的保護。這是因為許多鈣鈦礦電池是在正常空氣中製造的，從一開始就將氧氣捕獲在設備內部。更糟糕的是，二氧化錫本身的表面就含有與氧相關的缺陷。因此，在光和熱的作用下，這些氧物質遷移到鈣鈦礦中並引發內部降解。任何外部密封件都無法阻止這一點。為了解決這個問題，大邱慶北科學技術研究所和韓國科學技術研究所的研究人員在這個脆弱的界面上放置了一層超薄的牛磺酸。設計完美的保護牛磺酸是一種含硫氨基酸，以保護活組織免受氧化損傷而聞名。研究人員探索它是否可以在太陽能電池內發揮類似的防禦作用。他們的實驗和計算機模擬揭示了一個巧妙的兩步保護循環。首先，一旦超氧自由基在二氧化錫表面形成，牛磺酸就會捕獲它們。牛磺酸在分子的不同部分攜帶正電荷和負電荷，這種結構稱為兩性離子。這使得它可以靜電捕獲超氧化物。然後，牛磺酸中的氫原子將超氧化物轉化為過氧化氫，而過氧化氫的破壞性要小得多。第二步解決下游問題。過氧化氫可以與鈣鈦礦開始分解時產生的碘發生反應。這種碘通常會形成三碘化物，這種化合物會加速失控循環中的進一步損壞。牛磺酸通過將碘轉化回無害的碘離子來中斷這個循環。此外，化學反應使牛磺酸恢復到原來的狀態，使其能夠一次又一次地中和自由基，而不是被耗盡。顯微鏡分析證實了這一效果。未經處理的器件在光照後在掩埋界面處形成可見的空隙。經過牛磺酸處理的樣品顯示出乾淨、完整的層。化學分析發現，未經處理的薄膜存在嚴重的與氧氣相關的損傷，而經過處理的薄膜則沒有受到影響。在強烈的紫外線和臭氧下，90 分鐘後，牛磺酸保護的薄膜保留了其原始鈣鈦礦結構的約七倍。牛磺酸還以更安靜的方式提高性能。它與位於其間的兩種材料粘合在一起，減少了捕獲電荷的微小缺陷。這將與缺陷相關的電壓閾值從 0.85 伏降低到 0.50 伏，二氧化錫層中的電子遷移率幾乎加倍，載流子的壽命幾乎加倍。最好的器件達到了 24.8% 的功率轉換效率，開路電壓為 1.18 伏，填充因子高達 83.7%。研究作者指出：“牛磺酸埋藏界面能夠提高 PCE，提高開路電壓 (VOC) 和填充因子 (FF)，同時顯著增強 PSC 的光浸泡和運行穩定性。”下一步的工作是將這種方法帶出實驗室。研究表明，僅通過封裝無法解決耐久性問題。埋藏界面處的氧驅動反應必須直接控制，這項工作展示了一種實用的方法。這種控制帶來了明顯的收益。經過牛磺酸處理的器件在空氣中運行 130 小時後仍保持 80% 的初始效率（比未經處理的電池長五倍多），並在 65 °C 下運行 450 小時後保持 97% 的效率，而不會犧牲性能。現在的挑戰是規模和時間。鈣鈦礦模塊必須運行數年，而不是數月，大規模製造將帶來新的壓力。作者認為，更廣泛的策略——自我再生、抗氧化劑啟發的中間層——可以適應其他材料和界面。如果成功推廣，這種方法可以幫助將鈣鈦礦從高效實驗室設備轉變為適合現實世界部署的耐用太陽能技術。該研究發表在《先進能源材料》雜誌上。
已发布: 2026-01-25 10:56:00
