下一代太阳能技术,具有变换太阳能行业的稳定性和效率

钙钛矿太阳能电池和组件

(左)OIST能源材料和表面科学单元使用不同大小的太阳能电池和模块。(右)在这项研究中,科学家们使用了5厘米x5厘米的太阳能模块。信贷:OIST

由钙钛矿材料制成的太阳能组件获得能量,从而改变太阳能技术行业。

日本冲绳科学技术研究生院(OIST)的研究人员研制出了具有高效率和良好稳定性的下一代太阳能组件。这些太阳能组件由一种叫做钙钛矿的材料制成,可以保持超过2000小时的高性能。他们的发现于今天(2020年7月20日)在领先期刊上发表,自然能源,使其商业化的前景更加光明。

钙钛矿具有彻底改变太阳能技术产业的潜力。与目前主导市场的重而硬的硅基电池相比,它们具有更大的灵活性和轻量性。但在钙钛矿商业化之前,科学家必须克服一些主要障碍。

“佩罗夫斯基特有三个条件必须满足:他们必须廉价生产,高效且具有漫长的寿命,”织物能源材料和地表科学部门教授,领导这项研究。

图显示佩洛夫斯基钛矿结构图

钙钛矿太阳能电池和组件由许多层组成,每一层都有特定的功能。科学家们添加或修改了用橙色突出显示的图层。信贷:OIST

制作钙钛矿太阳能电池的成本很低,因为廉价的原材料需要的能量很少。在仅仅十多年的时间里,科学家们在提高钙钛矿太阳能电池将阳光转化为电能的效率方面取得了巨大的进步,其效率水平现已可以与硅基电池相媲美。

然而,一旦从微小的太阳能电池扩展到较大的太阳能模块,佩洛斯克酯率升级的效率水平。这是有问题的,因为商业太阳能技术需要在太阳能电池板的尺寸下保持有效,但长度为几英尺。

“扩大规模要求很高;材料中的任何缺陷都会变得更加明显,所以你需要高质量的材料和更好的制造技术,”该研究的合著者Luis Ono博士解释道。

钙钛矿的不稳定性是另一个正在深入研究的关键问题。商用太阳能电池需要能够承受多年的运行,但目前钙钛矿太阳能电池降解速度很快。

建立图层

齐齐的团队教授支持卫生技术开发和创新中心的概念验证计划,解决了这些稳定性和效率的问题,使用新方法。Perovskite太阳能器件由多层组成 - 每个层具有特定功能。它们不是专注于一层,而是查看设备的整体性能以及图层如何相互交互。

吸收阳光的活性钙钛矿层位于设备的中心,夹在其他层之间。当光子撞击钙钛矿层时,带负电荷的电子利用这种能量“跳”到更高的能级,在电子原来所在的地方留下带正电荷的“空穴”。这些电荷随后转向相反的方向,进入活性层上面和下面的电子和空穴传输层。这就产生了一种电流,可以通过电极离开太阳能装置。该设备还封装了一层保护层,以减少降解并防止有毒化学物质泄漏到环境中。

在这项研究中,科学家使用了22.4平方厘米的太阳能组件。

通过在两层之间添加称为Edtak的化学品,科学家首先改善了钙钛矿有源层和电子传输层之间的界面。他们发现Edtak防止了氧化锡电子传输层与钙钛矿有源层反应,增加了太阳能模块的稳定性。

OIST能源材料和表面科学单元的科学家

从左至右:齐亚兵教授、刘宗浩博士、Luis K. Ono博士、孙大勇博士、何思思博士、邱龙斌博士。信贷:OIST

EDTAK还通过两种不同的方式提高了钙钛矿太阳能组件的效率。首先,EDTAK中的钾离子进入活性钙钛矿层,“修复”钙钛矿表面的微小缺陷。这就防止了这些缺陷捕获移动的电子和空穴,从而产生更多的电。EDTAK还通过增强氧化锡电子传输层的导电性能提高了性能,使其更容易从钙钛矿层收集电子。

科学家们对钙钛矿活性层和空穴传输层之间的界面进行了类似的改进。这一次,他们在两层之间添加了一种名为EAMA的钙钛矿,增强了空穴传输层接收空穴的能力。

EAMA处理的装置还在湿度和温度测试下显示出更好的稳定性。这是由于EAMA如何与钙钛矿活性层的表面相互作用,这是晶粒的马赛克。在没有EAMA的太阳能器件中,科学家们看到在活性层的表面上形成的裂缝,该裂缝起源于这些晶粒之间的边界。当科学家添加Eama时,他们观察到额外的钙钛矿材料填充晶界并停止水分进入,防止这些裂缝形成。

该团队还通过混合少量的聚合物PH3T对空穴传输层本身进行了修改。这种聚合物通过提供防水层增强了防潮性能。

该聚合物还解决了以前阻碍长期稳定性改善的一个主要问题。钙钛矿太阳能组件顶部的电极是由薄金条构成的。但随着时间的推移,微小的金粒子从电极迁移,通过空穴传输层,进入活性钙钛矿层。这不可逆转地损害了设备的性能。

当研究人员加入PH3T时,他们发现金颗粒进入设备的速度更慢,这显著增加了模块的寿命。

在最后的改进中,科学家们除了玻璃外,还添加了一层薄薄的聚苯乙烯聚合物,为太阳能组件提供一层保护涂层。有了这种额外的保护,即使在持续照明2000小时后,太阳能组件仍能保持大约86%的初始性能。

在与国家先进工业科学与技术研究所(AIST)的Said Kazaoui博士的合作下,OIST团队测试了改进后的太阳能组件,获得了16.6%的效率——对于这种尺寸的太阳能组件来说,这是非常高的效率。研究人员现在的目标是在更大的太阳能组件上进行这些改造,为未来大规模商业太阳能技术的发展开辟道路。

参考文献:“界面稳定的整体方法稳定,有效佩洛克斯太阳能模块超过2,000小时的运营稳定”由宗豪刘,龙滨邱,路易斯K. ONO,SISI HE,Zhanhao Hu,Maowei Jiang,Guoqing Tong,Zhifang Wu,Zhifang Ton江,大勇儿子,阳阳唐说,哈萨源和雅平奇,2020年7月20日,自然能源
DOI: 10.1038 / s41560 - 020 - 0653 - 2

3评论论“下一代太阳能技术稳定与变换太阳能产业”

  1. “……这些太阳能组件可以保持超过2000小时的高性能……”

    这还不到6个月每天12小时的日晒时间。所需要的是一些将接近期限的抵押贷款持续(30年),以便房主可以支付更换阵列,一旦他们不再有每月的抵押付款。

  2. 我很钦佩齐亚兵教授

  3. 我在寻找化学成分,他们只列出了金线,该死的,我希望看到更多的铅碘和其他外来或有毒元素。

    因此维基百科有一部关于这些钙钛矿细胞中有毒铅的一部分,似乎5x5mm阵列邮票的四分之一有足够的Pb来击中谁限制。除非我们禁止谁,否则这是一个不方便的真理。

    因此,在未来的youtube用户将制作“如何”视频,从你的电子垃圾流中回收黄金,如果钙钛矿成功,大多数将是短暂的面板。

    当250套面板在6个月和人均能源使用超过6个月的寿命和人均能源使用时,我们将每6个月每6个月内需要200个面板。

    既然太阳在冬天不在这里发光,但在夏天很好,我们都可以每天夏天更换整个太阳能阵列,只能生产峰值。但是我们将在冬天使用什么,在美国NE中有1/5。

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