工程师研究下一代钙钛矿太阳能电池兼具效率和超高稳定性

近年来,有机-无机杂化钙钛矿材料吸引了大批科研学者的研究热情,因为它们具有带隙高度可调,吸收系数高,激子束缚能低和载流子寿命长等诸多优势。更重要的是,这种钙钛矿材料元素储量丰富,价格低廉,且可溶液法加工,非常适合于各种光电器件的制作。钙钛矿太阳能电池(PSCs)是一种极具革命性的新型光伏技术。钙钛矿太阳能电池商业化的一个限制在于,材料在阳光下容易性能衰减。不过钙钛矿由于其晶体结构和良好的光电性能,可能成为制造下一代低成本、高效率、轻质和柔性太阳能电池的活性成分。爱荷华州立大学的工程师们找到了一种利用钙钛矿有用特性同时在高温下稳定电池性能的新方法。

爱荷华州立工程师在实验室中制造出这种概念验证的钙钛矿太阳能电池
爱荷华州立工程师在实验室中制造出这种概念验证的钙钛矿太阳能电池

实验室中最好的硅太阳能电池效率约为26%,而商用电池效率约为15%。这意味着,要生产一定数量的电力,需要更大的系统,而更大的系统意味着更高的成本。

这使得研究人员一直在寻找新的方法来提高效率和降低成本。一个可以将效率提高50%的想法是一种串联结构,将两种类型的电池堆叠在一起,每种电池都使用不同的互补部分来产生能量。

钙钛矿前景和问题

研究人员最近开始研究混合型钙钛矿材料并将其作为硅电池串联材料。钙钛矿效率接近25%,具有互补带隙,可以很薄(只有百万分之一米),并且可以很容易地沉积在硅上。但研究人员了解到,那些混合型钙钛矿太阳能电池在高温下会分解。将太阳能电池阵列放在炎热、干燥的地方,这就是一个问题。

爱荷华州立大学的工程师们找到了一种利用钙钛矿的有用特性同时在高温下稳定电池性能的新方法。该研究是在追求钙钛矿太阳能电池材料商业化和更清洁、更绿色的未来有希望的研究成果。

新太阳能电池技术有两个关键进展:

调整钙钛矿材料组成

工程师们对钙钛矿材料的组成做了一些调整。他们去掉了材料中的有机成分–特别是阳离子、具有额外质子和正电荷的材料–取而代之的是无机材料,如铯。这使得这种材料在较高的温度下更加稳定。

其次,他们开发了一种制造技术,一次制造出一层薄薄的钙钛矿材料,只有几十亿分之一米。这种气相沉积技术是一致的,不会留下任何污染物,并已用于其他行业,因此可以扩大到商业生产。

调整后结果是什么呢?

钙钛矿太阳能电池在超过三天的时间里,即使在200摄氏度(390华氏度)的温度下,也不会出现热衰减现象,其温度远远超过了太阳能电池在现实环境中所能承受的温度。研究人员做了对比发现:这比有机-无机钙钛矿太阳能电池要好得多,后者在这个温度下会完全分解。因此,这是该领域的重大进展。

新型无机钙钛矿太阳电池性能提高

新型无机钙钛矿太阳电池的光转换效率为11.8%。这意味着工程师们还有更多的工作要做。现在工程师正在努力优化这种电池,希望能提高太阳能转化效率。研究人员认为可以通过使用新材料组合来达到目的。例如,工程师们用溴取代了钙钛矿材料中常见的碘。这使得电池对湿气的敏感性大大降低,解决了标准混合钙钛矿的另一个问题。但是,这种替代物改变了电池的特性,降低了电池的效率和与硅电池的协同工作能力。因此,调整和试验还将继续进行。

工程师们相信他们已经走上了一条行之有效的道路。这项研究表明,无机钙钛矿材料和太阳能电池在更高温度和更长时间内的热稳定性比其他地方报道的更为稳定,这些都是钙钛矿太阳能电池材料商业化有希望的研究结果。

延伸阅读:太阳能电池为什么效率很低?

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