纳米科学家提高钙钛矿太阳能电池的稳定性

工程师开发下一代钙钛矿太阳能电池

具有金属氧化物空穴和电子传递层的钙钛矿太阳能电池。信贷:Tunde Akinloye / CNSI

加州大学洛杉矶分校的研究人员通过使用金属氧化物“三明治”向下一代钙钛矿太阳能电池迈进了一步。“新设计将电池在空气中的有效寿命延长了10倍以上,而将阳光转化为电能的效率仅略有降低。

加州大学洛杉矶分校教授杨洋是加州纳米系统研究所的成员,是世界著名的太阳能电池技术创新者,他的团队近年来开发了下一代钙钛矿太阳能电池,具有显著的太阳能转换效率。

尽管取得了成功,但钙钛矿——一种非常轻、柔韧、有机-无机杂化材料——的精细本质阻碍了它的进一步商业化应用。当暴露在空气中,钙钛矿细胞在几小时到几天内分解和分解。当电池也暴露在潮湿的情况下,电池的性能会恶化得更快,这主要是由于钙钛矿的吸湿性。

现在,杨的团队通过将钙钛矿保护在两层金属氧化物之间,克服了钙钛矿的主要困难。这是稳定钙钛矿太阳能电池的重大进展。他们的新电池结构将电池在空气中的有效寿命延长了10倍以上,而将阳光转化为电能的效率仅略有降低。

这项研究是发表在《自然纳米技术》杂志上。杨实验室博士后游静碧和研究生雷孟是这篇论文的主要作者。

"人们对钙钛矿太阳能电池技术非常乐观,"孟称。在不到两年的时间里,Yang团队已经将钙钛矿太阳能电池的效率从不足1%提高到接近20%。“但它的寿命很短,这是一个限制因素,我们一直在努力改进,因为我们开发了高效率的钙钛矿细胞。”

在加州大学洛杉矶分校担任卡罗尔和劳伦斯·e·坦纳斯二世工程讲座教授的杨说,有几个因素会导致正常层状钙钛矿太阳能电池的快速老化。杨说,最重要的是,广泛使用的顶部有机缓冲层稳定性差,不能有效保护钙钛矿层免受空气中的水分,加速细胞降解。缓冲层对细胞的构造很重要,因为细胞产生的电力是通过缓冲层提取的。

孟说,在这项研究中,研究小组用夹在钙钛矿层中间的金属氧化物层取代了那些有机层,保护钙钛矿层不受潮。差别是巨大的。金属氧化物电池在室温下露天储存60天,保持了原来90%的太阳能转换效率。“随着这项技术的完善,我们大大提高了稳定性。”

杨氏团队的下一步工作是使金属氧化物层更加浓缩以提高效率,并在不降低效率的情况下延长太阳能电池的使用寿命。杨预计,由于主要的钙钛矿问题已经解决,该工艺可以大规模生产。

本研究是与台湾国立成功大学联合进行的。本研究由国家科学基金会、美国空军科学研究办公室和台湾科技部共同资助。

出版: Jingbi You等,“通过溶液处理的金属氧化物传输层改善钙钛矿太阳能电池的空气稳定性”,《自然纳米技术》(2015);doi: 10.1038 / nnano.2015.230

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