“分子胶水”提高效率并使钙钛矿太阳能电池随着时间的推移而变得更加可靠

分子胶水钙钛矿太阳能电池

研究人员使用自组装的单层“分子胶”来加强佩洛夫斯太阳能电池的界面,使其更有效,稳定,可靠。信用:抓住实验室/棕色大学

来自布朗大学的一支研究团队迈出了提高佩洛夫斯基特太阳能电池的长期可靠性,这是一种新兴的清洁能源技术。在2021年5月7日星期五出版的一项研究中,在Journal科学,该团队演示了一种“分子胶水”,其在细胞内部免于降解。该治疗随着时间的推移,显着提高细胞的稳定性和可靠性,同时还提高了它们将阳光转化为电力的效率。

“增加了普罗夫斯基特太阳能电池的功率转换效率,”棕色大学和新研究高级作者的工程教授Nitin Parture说,这一直存在很大进展。“但在技术可以广泛使用之前要清除的最终障碍是可靠性 - 使细胞保持随着时间的推移而保持性能。这是我的研究小组一直在努力的事情之一,我们很乐意报告一些重要进展。“

Perovskites是一类具有特定晶体原子结构的材料。在十年前,研究人员表明,佩罗夫斯基特非常擅长吸收光线,这将洪水淹没在佩罗夫斯基特太阳能电池中。这些细胞的效率迅速增加,现在对传统硅细胞的竞争对手。差异是钙钛矿光吸收剂可以在接近室温下进行,而硅需要在接近2,700度的温度下从熔体生长华氏温度。钙钛矿薄膜也比硅片薄400倍左右。相对简单的制造过程和使用更少的材料意味着钙钛矿电池可以以硅电池的一小部分成本生产。

Padture说,虽然钙钛矿的效率已经有了显著的提高,但是让电池更稳定可靠仍然是一个挑战。问题的部分原因与生成一个功能单元所需的分层有关。每个电池包含5个或更多不同的层,每个层在发电过程中执行不同的功能。由于这些层由不同的材料制成,它们对外力的反应也不同。此外,在制造过程和使用过程中发生的温度变化可能会导致某些层比其他层更大程度的膨胀或收缩。这会在层间界面产生机械应力,导致层间解耦。如果接口损坏,将导致单元格性能下降。

这些界面的最弱是用于吸收光和电子传输层的钙钛矿膜之间的一个,这使得电流流过电池。

“链条只是它的最薄弱的环节,我们将这个界面识别为整个堆栈的最薄弱部分,其中最有可能是最有可能的,”帕特·纳米人指导在棕色的分子和纳米级创新研究所。“如果我们能够加强这一点,那么我们可以开始真正改善可靠性。”

为了做到这一点,Padture利用他作为材料科学家的经验,开发了用于飞机引擎和其他高性能应用的先进陶瓷涂层。他和他的同事们开始用一种叫做自组装单层膜(SAMs)的化合物进行实验。

“这是一大类化合物,”帕特说。“当您在表面上存放这些时,分子在单层中组装在一起并像短毛一样站起来。通过使用正确的配方,您可以在这些化合物和各种不同表面之间形成强粘合。“

Padture和他的团队发现了一种含有硅的SAM的配方原子碘原子在一边可以与选举传输层(通常由氧化锡构成)和钙钛矿吸光层形成牢固的键合。研究小组希望这些分子形成的化学键可以加固层界面。他们是对的。

“当我们将SAM介绍到界面时,我们发现它将界面的断裂韧性提高了大约50%,这意味着在界面处形成的任何裂缝往往不会传播得很远,”抓斗说。“因此,SAM成为一种将两层悬挂在一起的分子胶水。”

对太阳能电池功能的测试表明,SAM大大增加了钙钛矿细胞的功能寿命。为该研究制备的非SAM细胞保留了80%的初始效率,但在700小时的实验室测试中得到了约700小时。同时,在测试1330小时后,SAM细胞仍然强劲。基于这些实验,研究人员将80%的效率寿命预测为约4,000小时。

“我们所做的另一件事之一,人们通常不做的是,我们在测试后打破了细胞,”镇珠戴,一个棕色博士生和第一个研究作者。“在没有SAMS的控制单元中,我们看到了各种伤害,如空隙和裂缝。但随着Sams,钢化界面看起来非常好。这是一种戏剧性的改善,真正令人震惊。“

重要的是,Padture说,韧性的改善并不是以牺牲电能转换效率为代价的。事实上,SAMs实际上略微提高了电池的效率。这是因为在没有SAMs的情况下,两层结合时形成的微小分子缺陷被SAMs消除了。

Padture说:“提高功能性设备机械完整性的首要原则是‘不伤害’。”“因此,我们可以在不损失效率的情况下提高可靠性,甚至提高效率,这是一个惊喜。”

SAMs本身由现成的化合物制成,在室温下很容易用浸涂工艺应用。Padture说,因此,添加地对空导弹可能不会增加多少生产成本。

研究人员计划在这一成功的基础上继续努力。现在他们已经加固了钙钛矿太阳能电池堆中最薄弱的一环,他们想转移到下一个最薄弱的,然后再下一个,直到加固了整个电池堆。这项工作不仅需要加强界面,还需要加强材料层本身。最近,Padture的研究小组从美国能源部获得了150万美元的拨款,用于扩展他们的研究。

Padture说:“这是一种需要进行的研究,以便制造出廉价、高效、并能在几十年内表现良好的细胞。”

2021年5月7日,科学
DOI:10.1126 / science.abf5602

Srinivas K. Yadavalli,Min Chen,Ali Abbasurtamijani和Yue Qi是该研究的共同作者,由海军研究办公室(N00014-17-1-2232和N00014-20-1-2574和国家)提供资金科学基金会(1538893和2002158)。

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