新设计提高了下一代钙钛矿太阳能电池的效率

钙钛矿光伏晶体

这张图片显示了背景中的钙钛矿光伏与个别钙钛矿晶体显示为彩色单位。信贷:CUBE3D图形

减少内部损失可以为基于低成本的Perovskite的光伏电阻铺平匹配硅电池的输出。

钙钛矿是最终取代硅作为太阳能电池板的首选材料。它们提供了低成本、低温制造超薄、轻量化柔性电池的潜力,但到目前为止,它们将阳光转化为电能的效率落后于硅和其他一些替代品。

现在,一种设计钙钛矿电池的新方法已经使这种材料的效率达到甚至超过了今天典型的硅电池的效率(通常在20%到22%之间),为进一步的改进奠定了基础。

通过将特定处理的二氧化锡导电层添加到钙钛矿材料中,为电池中的电荷载体提供改进的路径,并通过改变钙钛矿公式,研究人员将其整体效率提高到太阳能电池至25.2% -这种材料的近纪录,其蚀刻了许多现有太阳能电池板的效率。(佩洛夫斯库特与硅相比仍然显着滞后,但是,世界各地的球队正在努力工作。)

该研究结果发表在杂志的一篇论文中自然通过最近的麻省理工学院研究生Jason Yoo博士20岁,化学教授,莱斯特·沃尔夫教授,Moungi Byabovip2021awendi教授,电气工程和计算机科学教授,Fariborz Maseeh教授,新兴技术Vladimir Bulović,其他11人在麻省理工学院,韩国和格鲁吉亚。

钙钛矿是一类广泛的材料,它们有一种特殊的分子排列或晶格,类似于天然矿物钙钛矿。有大量可能的化学组合可以制造钙钛矿,Yoo解释说,这些材料吸引了全世界的兴趣,因为“至少在纸上,它们可以比硅或砷化镓(其他主要竞争者之一)便宜得多。”这部分是因为硅或砷化镓的加工和制造过程要简单得多,需要持续超过1000度的高温科尔斯群岛。相反,钙钛矿可以在低于200℃的条件下处理,无论是在溶液中还是通过气相沉积。

钙钛矿相对于硅或其他许多候选替代品的另一个主要优势是,它形成了非常薄的层,同时仍能有效地捕捉太阳能。Bawendi说:“钙钛矿电池有潜力比硅电池轻几个数量级。”

钙钛矿比硅有更高的带隙,这意味着它们吸收光谱的不同部分,因此可以补充硅电池,提供更高的综合效率。但即使只使用钙钛矿,Yoo说,“我们正在证明的是,即使只有一个活性层,我们也可以使效率威胁到硅,并有希望达到砷化镓的冲击距离。”这两种技术比钙钛矿问世的时间要长得多。”

Bawendi解释说,该团队提高材料效率的关键之一,是对构成钙钛矿太阳能电池的夹层的一层——电子传输层的精确工程。钙钛矿本身有一层透明导电层,用于将电流从电池传递到可以使用的地方。然而,如果导电层直接附着在钙钛矿上,电子和它们的对应物(称为空穴)就会在现场重新组合,没有电流流动。在研究人员的设计中,钙钛矿和导电层由一种改进的中间层隔开,这种中间层可以让电子通过,同时防止复合。

中间的电子传递层,尤其是它与每一层之间的界面,往往是低效率发生的地方。通过研究这些机理,并设计一种与邻近的氧化锡层更加符合的氧化锡层,研究人员能够大大减少损耗。

它们使用的方法称为化学浴沉积。“这就像在一个缸锅里慢慢烹饪,”巴劳迪说。在90摄氏度的浴室,前体化学品缓慢分解以形成二氧化锡层。“该团队意识到,如果我们理解这些前体的分解机制,那么我们将更好地了解这些电影如何形成。我们能够找到右侧窗口,其中可以合成具有理想性质的电子传输层。“

经过一系列受控实验后,它们发现根据前体溶液的酸度来形成不同的中间体化合物的混合物。他们还鉴定了一种允许反应的前体组合物的甜点,以产生更有效的薄膜。

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系列添加剂来提高其稳定性,之前已经尝试过了,但对材料的带隙产生了不良影响,使其成为一种效率较低的光吸收剂。研究小组发现,通过添加少量的添加剂——不到1%——他们仍然可以在不改变带隙的情况下获得有益的效果。

由此产生的效率提高已经将这种材料的理论最大效率提高了80%以上,Yoo说。

虽然这些高效率在微小的实验室规模的设备中展示,但Bawendi说“我们提供的那种见解,我们提供的一些技巧可能适用于人们现在正在发展的方法 -规模,可制造的钙钛矿细胞,因此提高了这些效率。“

在进一步的研究中,有两个重要的途径,他说:继续提高效率的极限,并专注于提高材料的长期稳定性。目前,硅电池的长期稳定性需要几个月,而硅电池需要几十年。但Bawendi指出,出于某些目的,长寿可能不是那么重要。许多电子设备,例如手机,无论如何都将在几年内被替换,因此即使相对寿命较短的太阳能电池也可能有一些有用的应用。

“我不认为我们还没有这些细胞,即使对于这些较短的应用程序而言,即使是这些细胞,”他说。“但人们正在接近,所以将我们的想法与众不同,其他人越来越稳定的想法可能会导致真正有趣的东西。”

罗伯特·霍伊,材料讲师伦敦帝国学院他说:“这是一个国际团队的出色工作。他补充说,“这将导致更高的重现性和在实验室中取得的卓越设备效率转化为商业化的模块。”就科学里程碑而言,它们不仅实现了钙钛矿太阳能电池去年大部分时间的认证记录的效率,还实现了高达辐射极限97%的开路电压。对于从解决方案中成长起来的太阳能电池来说,这是一个惊人的成就。”

参考:Jason J. Yoo, Gabkyung Seo, Matthew R. Chua, Tae Gwan Park, Yongli Lu, Fabian Rotermund, Young-Ki Kim, Chan Su Moon, Nam Joong Jeon, Juan-Pablo Correa-Baena, Vladimir Bulović, Seong Sik Shin, Moungi G. Bawendi和Jangwon Seo, 2021年2月24日自然
DOI: 10.1038 / s41586 - 021 - 03285 - w

该研究团队包括韩国化学技术研究所、韩国高级科学技术研究所、蔚山国家科学技术研究所和佐治亚理工学院的研究人员。这项工作得到了麻省理工学院士兵纳米技术研究所的支持,美国宇航局,意大利公司ENI SPA通过麻省理工学院能源倡议,韩国国家研究基金会,以及国家科学技术研究委员会。

1条评论关于“新设计提高下一代钙钛矿太阳能电池效率”

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