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浴日光能鈣鈦礦
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[交流]
MXene基鈣鈦礦太陽(yáng)能電池效率達(dá)25.13%
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中國(guó)電子科技大學(xué)（UESTC）的研究人員最近開(kāi)發(fā)了一種鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，其認(rèn)證功率轉(zhuǎn)換效率為25.13%。這是通過(guò)將二維碳化鈦（稱為 MXene）作為多功能添加劑摻入鈣鈦礦吸光層中來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 新的電池結(jié)構(gòu)具有玻璃和氧化銦錫 （ITO） 的襯底、由二氧化錫（SnO₂）制成的電子傳輸層、MXene 改性的鈣鈦礦吸收層、使用 Spiro-OMeTAD 的空穴傳輸層和金金屬電極。 MXenes 以其卓越的金屬電導(dǎo)率、高電荷載流子遷移率和可調(diào)表面特性而聞名。當(dāng) Ti₃C₂TₓMXene 納米片嵌入鈣鈦礦層時(shí)，它們作為一種多功能組件，同時(shí)增強(qiáng)散熱和光電性能。 “太陽(yáng)能研究界一直在尋找一種可以同時(shí)優(yōu)化電荷提取、增強(qiáng)穩(wěn)定性并易于加工的材料。MXene 的多功能優(yōu)勢(shì)凸顯了其在構(gòu)建鈣鈦礦太陽(yáng)能電池方面的巨大潛力，不僅具有高功率轉(zhuǎn)換效率，而且具有出色的熱穩(wěn)定性，“研究團(tuán)隊(duì)表示。 MXene 添加劑最關(guān)鍵的功能之一是它在熱管理中的作用。在持續(xù)的陽(yáng)光照射下，太陽(yáng)能電池內(nèi)部的熱量積聚是性能下降的主要原因。研究小組證明，Ti₃C₂Tₓ納米片的摻入在鈣鈦礦薄膜內(nèi)創(chuàng)造了有效的熱傳導(dǎo)途徑。這使該層的導(dǎo)熱系數(shù)從 0.236 W·m⁻¹·K⁻¹ 至 0.413 W·m⁻¹·K⁻¹。因此，太陽(yáng)能電池在標(biāo)準(zhǔn)照明條件下的工作溫度降低了約3°C，從42.96°C降低到39.97°C，顯著減輕了熱引起的退化。 除了熱管理之外，MXene 納米片還具有多種其他優(yōu)勢(shì)。它們?cè)阝}鈦礦晶體的晶界處充當(dāng)有效的缺陷鈍化劑，減少了電荷復(fù)合損耗。這導(dǎo)致了更均勻、更光滑的鈣鈦礦薄膜，晶粒尺寸更大，薄膜粗糙度從 24.9 nm 降低到 15.2 nm 就證實(shí)了這一點(diǎn)。此外，改性鈣鈦礦薄膜在可見(jiàn)光區(qū)域表現(xiàn)出更強(qiáng)的光吸收能力。 這些改進(jìn)的綜合效果導(dǎo)致了令人印象深刻的性能。冠軍器件實(shí)現(xiàn)了25.13%的功率轉(zhuǎn)換效率，較不帶MXene的參考電池的23.70%效率大幅提升。它還表現(xiàn)出優(yōu)越的電氣特性，開(kāi)路電壓為1.177 V，短路電流密度為25.29 mA/cm²，填充系數(shù)為84.4%。也許與效率躍升一樣重要的是設(shè)備穩(wěn)定性的顯著增強(qiáng)。基于MXene的電池在暴露于85°C的高溫條件和30-35%左右的相對(duì)濕度500小時(shí)后，仍保持了約80%的初始效率。在氮?dú)鈿夥障逻M(jìn)行的具有最大功率點(diǎn)跟蹤的穩(wěn)定性測(cè)試中，該設(shè)備在 500 小時(shí)后仍保持其初始效率的 70%，大大優(yōu)于控制電池，后者下降到其原始性能的 20%。這種強(qiáng)大的穩(wěn)定性是該技術(shù)長(zhǎng)期運(yùn)行潛力的關(guān)鍵指標(biāo)。 盡管取得了可喜的結(jié)果，但研究小組承認(rèn)，商業(yè)化道路上仍然存在挑戰(zhàn)，主要與合成 Ti₃C₂Tₓ 材料的高成本和復(fù)雜性有關(guān)。未來(lái)的研究將側(cè)重于優(yōu)化合成路線，以降低成本并提高可重復(fù)性。探索替代MXene材料，如Ti₂CTₓ，也是未來(lái)工作的關(guān)鍵方向。 |
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