2021-04-30
 
研究人员提高了下一代太阳能电池材料的效率
2021年04月30日   阅读量:1284

钙钛矿是最终替代硅作为太阳能电池板首选材料的领先候选人。


它们为低成本,低温制造超薄,轻便的柔性电池提供了潜力,但到目前为止,它们在将太阳光转化为电能方面的效率已经落后于硅和其他一些替代品。


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现在,一种新的钙钛矿电池设计方法已经推动该材料达到或超过当今典型硅电池的效率,后者通常在20%到22%的范围内,为进一步改进奠定了基础中国玻璃网meesm.com


通过在钙钛矿材料上添加经过特殊处理的二氧化锡导电层,为电池中的电荷载流子提供了一条改善的途径,并且通过修改钙钛矿的配方,研究人员将其作为太阳能电池的整体效率提高了25.2%,这种材料的近记录,使许多现有的太阳能电池板的效率黯然失色。(与硅相比,钙钛矿的寿命仍显着落后,但是,世界各地的团队都在努力应对这一挑战。)


麻省理工学院最近的研究生Jason Yoo博士在《自然》杂志上的一篇论文中描述了这一发现。20岁时,化学教授,莱斯特·沃尔夫教授Moungi Bawendi教授,电机工程和计算机科学教授,新兴技术弗拉基米尔·布洛维奇(FladimirBulovi)的Fariborz Maseeh教授,以及麻省理工学院,韩国和乔治亚州的其他11位。


钙钛矿是一类广泛的材料,因为它们具有与天然矿物钙钛矿类似的特定种类的分子排列或晶格这一事实。


可以产生钙钛矿的化学组合物种类繁多,Yoo解释说,这些材料引起了全世界的关注,因为“至少在纸上,它们的制造价格可能比硅或砷化镓便宜得多”,这是其他主要竞争者之一。 


部分原因是因为加工和制造过程更加简单,对于砷化硅或砷化镓,需要持续超过1000摄氏度的热量。相反,钙钛矿可以在低于200℃的温度下以溶液或气相沉积的方式进行处理。


钙钛矿相对于硅或许多其他候选替代品的另一个主要优点是,它形成了非常薄的层,同时仍然有效地捕获了太阳能。Bawendi说:“与硅相比,钙钛矿电池具有重量轻的潜力。”

 

钙钛矿的带隙比硅高,这意味着它们吸收光谱的不同部分,因此可以补充硅电池,从而提供更高的综合效率。


但Yoo表示,即使只使用钙钛矿,“我们要证明的是,即使只有一个有源层,我们也可以提高威胁硅的效率,并希望在砷化镓的冲压距离之内。而这两种技术都已经存在了。比钙钛矿长得多。”


Bawendi解释说,团队提高材料效率的关键之一是对构成钙钛矿型太阳能电池的三明治结构的一层-电子传输层-进行精确的工程设计。钙钛矿本身上铺有一层透明导电层,该透明??导电层用于将电流从电池传输到可以使用的位置。


但是,如果导电层直接附着在钙钛矿本身上,则电子及其对应物(称为空穴)会在点处简单地复合,并且没有电流流动。在研究人员的设计中,钙钛矿和导电层被一种改进类型的中间层隔开,该中间层可以使电子通过,同时防止复合。


中间电子传输层,尤其是与它每一侧的层连接的界面,往往是效率低下的地方。通过研究这些机理并设计出一层由氧化锡组成的层,使其与相邻层更完美地吻合,研究人员能够大大降低损耗。


他们使用的方法称为化学浴沉积。Bawendi说:“这就像在Crock-Pot锅中慢煮一样。” 在90摄氏度的水浴中,前体化学物质会缓慢分解,形成适当的二氧化锡层。“研究小组意识到,如果我们了解了这些前体的分解机理,那么我们将对这些膜的形成有更好的了解。我们能够找到合适的窗口,在其中可以合成具有理想性能的电子传输层。 ”


经过一系列受控实验后,他们发现根据前体溶液的酸度,会形成不同的中间体化合物混合物。他们还确定了前体组合物的最佳位置,该组合物可以使反应产生更有效的膜。


研究人员将这些步骤与钙钛矿层本身的优化相结合。他们在钙钛矿配方中使用了一组添加剂来改善其稳定性,该稳定性已在之前进行过尝试,但对材料的带隙影响不佳,从而使其吸收剂的效率降低。研究小组发现,通过添加更少量的这些添加剂(少于1%),它们仍然可以在不改变带隙的情况下获得有益的效果。


Yoo说,由此带来的效率提高已经使这种材料的理论效率达到了该材料所能达到的理论最大效率的80%以上。


尽管这些高效率在小型实验室规模的设备中得到了证明,但Bawendi说:“我们在本文中提供的洞察力以及我们提供的一些技巧,有可能会被应用到人们现在正在为大型应用开发的方法上。规模,可制造的钙钛矿电池,因此提高了这些效率。”


他说,在进一步进行研究时,有两个重要途径:继续提高效率的极限,并专注于提高材料的长期稳定性,与硅电池的几十年相比,目前以数月为单位。但是,Bawendi指出,出于某些目的,长寿不一定那么重要。无论如何,许多电子设备(例如手机)无论如何都倾向于在几年内被更换,因此即使对于寿命相对较短的太阳能电池,也可能会有一些有用的应用。


他说:“我认为我们还没有这些电池,即使对于这类短期应用也是如此。” “但是人们之间的距离越来越近,因此将我们在本文中提出的想法与其他人在提高稳定性方面所拥有的想法相结合,可能会带来真正有趣的事情。”


伦敦帝国学院材料讲师罗伯特·霍伊(Robert Hoye)并非研究对象,他说:“这是国际团队的出色工作。” 他补充说:“这可能会带来更高的可重复性,并在实验室中转化为商业化模块可实现出色的设备效率。


就科学的里程碑而言,它们不仅达到了钙钛矿型太阳能电池在大多数情况下的认证记录,而且效率很高。一年中,它们还达到了高达辐射极限的97%的开路电压。这对于从溶液中生长的太阳能电池来说是一个了不起的成就。”


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