近200年前发现的水晶结构可能会彻底改变太阳能电池

Perovskite水晶结构

Perovskite结构。信誉:俄勒冈州立大学John Labram

俄勒冈州立大学的太阳能研究人员正在用晶体结构发现近两世纪前的材料的科学聚光灯。

并非所有带有结构的材料,称为Perovskites,是半导体。但基于金属和卤素的钙钛矿是,它们作为光伏电池保持巨大潜力,这可能比20世纪50年代成立以来拥有市场的硅基电池更便宜。

研究人员说,足够的潜力,或许是有一天刻录化化石燃料的能源部门的份额。

Osu工程学院的John Labram是佩洛夫斯稳定的两篇论文的相应作者,通信物理学物理化学字母杂志yabovip2021,并为2020年7月3日发布的一份文件做出了贡献科学

研究科学,由研究人员领导牛津大学揭示了一种基于有机化合物哌啶的分子添加剂 - 盐 - 大大提高了钙钛矿太阳能电池的寿命。

在所有三篇论文中概述的调查结果深化了对俄罗斯矿物学家的长期发现的有前途半导体的理解。在1839年的乌拉尔山脉中,Gustav升起在钙和钛的氧化物上,具有迷人的晶体结构,以纪念俄罗斯贵族Lev Perovski命名为它。

太阳能电池晶体结构检测装置

用于测试的设备。信誉:俄勒冈州立大学John Labram

Perovskite现在是指与原始晶格共享的一系列材料。对他们的兴趣开始于2009年在日本科学家Tsutomu Miyasaka之后加速,发现一些佩洛斯基特是有效的光吸收剂。

拉布拉姆说:“由于它们的低成本,佩洛克特太阳能电池占据了化石燃料的潜力并彻底改变了能源市场。”然而,这类新材料的一个不太理解的方面是它们在恒定照明下的稳定性,这是一个代表商业化障碍的问题。“

在过去的两年里,拉布拉姆在电气工程学院的研究小组建立了独特的实验装置,以研究太阳能材料的电导变化随着时间的推移。

“与牛津大学合作,我们展示了光诱导的不稳定发生在很多时候,即使在没有电接触的情况下,”他说。“发现有助于澄清太阳能电池中观察到的类似结果,并保持了提高佩洛夫斯太阳能电池的稳定性和商业活力的关键。”

太阳能电池效率由来自阳光击中电池的电力百分比定义,该电池被转换为可用的电力。

七十年前,贝尔实验室开发出第一家实用太阳能电池。通过今天的标准,它具有谦虚,效率为6%,昂贵,但它发现了一个利基在空间赛中发布期间推出的卫星推出。

随着时间的推移,制造成本减少,效率攀升,即使大多数细胞没有变化 - 它们仍然包括两层近纯硅掺杂有添加剂。吸收光,它们使用能量从中造成电流跨越它们之间的连接。

2012年,拉布拉姆的合作者之一,牛津的亨利斯斯泰斯突破了发现,佩洛斯基特可以用作太阳能电池的主要成分,而不是作为敏化剂。这导致了一场研究活动的风暴,每年都会对该主题出版的数千篇科学论文。八年的研究后,钙钛矿电池现在可以以25%的效率运行 - 至少在实验室与商业硅电池相提并论。

钙钛矿细胞可以廉价地由常用的工业化学品和金属制成,并且可以印在柔性塑料薄膜上。相反,硅电池是刚性的,并且在昂贵的高温过程中由几乎纯硅的薄片晶片制成。

佩洛夫斯的一个问题是它们在温度上升时有点不稳定的倾向,另一个是对水分的脆弱性 - 一种可以使细胞分解的组合。这对需要在露天持续两年或三十年的产品的一个问题。

“一般来说,能够在美国和欧洲出售太阳能电池板需要25年的保修,”拉布兰说。“现实中的意思是太阳能电池应在25年后显示出原始性能的不低于80%。目前的技术硅,对此非常好。但是硅必须在大于2,000度的温度下进行高度生产科尔斯群岛在受控条件下,形成完美,无缺陷的晶体,因此它们正常运作。“

拉布拉姆说,另一方面,另一方面的佩洛夫斯基斯是高度缺陷的。

“它们可以溶解在溶剂中,然后在接近室温下印刷,”他说。“这意味着它们最终可以以硅成本的一小部分生产,因此底切化石燃料。但是,为了实现,他们需要与25年保修进行认可。这要求我们了解和提高这些材料的稳定性。“

市场上的一条路径是由硅和佩洛夫的串联电池制成,可以将更多的阳光频谱变为能量。拉布拉姆说,串联电池的实验室测试产生了28%的效率,30年代中期效率似乎逼真。

“串联电池可能允许太阳能电池板制片人提供超出任何硅的表现可能会实现,”他说。“双重方法可以帮助删除佩罗夫斯基斯进入市场的屏障,在进入市场的途中最终充当独立细胞。”

半透明,钙钛矿薄膜也可以在Windows或温室中使用一天,或者在温室中,将部分进入的阳光转换为电力,同时让休息通过。

“谈到能源生成时,成本是最重要的因素,”拉布兰说。“硅和Perovskites现在显示出大致相同的效率。然而,从长远来看,Perovskite太阳能电池具有硅太阳能电池成本的一小部分。虽然历史向我们展示了对气候变化的政治行动很大程度上是无效的,但如果您可以以低于化石燃料的成本从可再生来源发电,您所要做的就是制作产品,那么市场将会照顾其余的部分。”

Reference: “A piperidinium salt stabilizes efficient metal-halide perovskite solar cells” by Yen-Hung Lin, Nobuya Sakai, Peimei Da, Jiaying Wu, Harry C. Sansom, Alexandra J. Ramadan, Suhas Mahesh, Junliang Liu, Robert D. J. Oliver, Jongchul Lim, Lee Aspitarte, Kshama Sharma, P. K. Madhu, Anna B. Morales-Vilches, Pabitra K. Nayak, Sai Bai, Feng Gao, Chris R. M. Grovenor, Michael B. Johnston, John G. Labram, James R. Durrant, James M. Ball, Bernard Wenger, Bernd Stannowski and Henry J. Snaith, 3 July 2020,科学
DOI:10.1126 / science.aba1628

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